عملكرد سانتريفيوژ و فرا- سانتريفيوژ، افزايش جرم با استفاده از حركت دايره‌اي است. براي مثال، يك لوله‌ي آزمايش را فرض كنيد با مقداري مايع درون آن كه بصورت افقي در مسير دايره‌اي مطابق شكل مي‌چرخد.
فرض كنيد ذراتي در خود دارد كه معلق هستند؛ مثلاً فرض كنيد اين مايع، خون باشد كه گلبول‌هاي قرمز (و ديگر گلبول‌ها) در پلاسماي مايع خون دارد. نيروي شعاعي لازم براي معلق نگه داشتن يك گلبول به جرم m در مكان ثابت نسبت به لوله‌ي آزمايش mv2/r در جهت مركز است. اين نيروي مركزگرا بر روي گلبول‌ها، از مايع به آنها وارد مي‌شود. در واكنش، گلبول‌ها نيرويي معادل mv2/r در جهت بيرون يا گريز از مركز به مايع وارد مي‌كنند.
|
اين كُنش و واكنش وقتي بود كه ذره ساكن بود، ولي وزن ظاهري mv2/r داشت. توجه كنيد كه وزن ظاهري متناسب است با جرم (شبيه جرم واقعي). در كنار وزن ظاهري mv2/r،وزن واقعي mg هم هست كه در جهت عمود به‌سمت پايين يعني سطح زمين يا هر محل ديگري است؛
ولي در سانتريفيوژهاي پُرسرعت وزن واقعي نسبت به وزن ظاهري قابل‌صرف نظر كردن است.
|
شكل 2
|
وقتي گلبول چگال‌تر از پلاسما باشد، وزن ظاهري بيشتر آن، باعث مي‌شود از پلاسما جدا شده و به‌سرعت در مقابل ديواره‌ي بيروني ته‌نشيني شود (يعني همان لوله‌ي آزمايش). بنابراين سانتريفيوژ جداسازي عناصر لوله‌ي آزمايش را در چگالي‌هاي مختلف انجام مي‌دهد (شكل2).
|
شكل 3. فرا-سانتريفيوژ
|
در اين جداسازي لوله با حركت چرخشي كه دارد، گرانش را تقويت كرده و ذرات با چگالي بيشتر به انتهاي لوله مي‌روند. فرا- سانتريفيوژها (شكل 3) تا 10000 بار در دقيقه مي‌چرخند و وزن گريز از مركزي معادل 500 هزار برابر وزن واقعي توليد مي‌كنند. اين ابزار بخصوص در پژوهش‌هاي شيمي و بيوشيمي كاربرد بسياري دارد. سانتريفيوژهاي خاص مي‌توانند ايزوتوپ‌هاي عناصر شيميايي را نيز از هم جدا كنند. يكي از نمونه‌هاي معروف آن اورانيم است. |
بطور خلاصه سانتريفيوژها از شتابي براي جداسازي استفاده مي‌كنند، و اين سرعت چرخشي است. يعني گردش در دقيقه. اين مسئله از اين بابت مهم است كه دو روتور (بخش چرخشي دستگاه) با دو قطر مختلف سرعت چرخشي مشاهبي دارند و در نتيجه به نمونه‌هاي آزمايشگاهي دو شتاب متفاوت مي‌دهند. در حين چرخش، شتابي كه آن شعاع و مربع سرعت زاويه‌اي ايجاد مي‌كند، و شتاب نسبت به g نيروي مركزگراي نسبي ناميده مي‌شود (RCF). شتاب چند برابر g است و استاندارد آن به‌دليل گرانش در سطح زمين، كميت بدون بُعد است:
 |
RCF=rw2/g
كه:
g شتاب گرانش زمين
r شعاع چرخش
w سرعت زاويه‌اي در شعاع بر واحد زمان
اين رابطه را كه در بالا برحسب سرعت خطي نوشته بوديم و در فرمول بالا برحسب سرعت زاويه‌اي، ميتوانيم به‌صورت زير بنويسيم:
RCF=1.118x10-5rcmN2RPM
كه
rcm شعاع چرخشي در سانتي‌متر و NRPM سرعت چرخشي برحسب گردش در دقيقه است.
|
|
مهندس ارتش انگليس، بنيامين رابينز (1707-1751) بازوي چرخشي را اختراع كرد كه ميزان جابه‌جايي اجسام را اندازه بگيرد. در سال 1864 آنتوني پراندي اولين سانتريفيوژ به معناي كنوني را براي جدا كردن شير و خامه اختراع كرد. در سال 1879 گوستاو لاوال اولين جدا ساز اتوماتيك و تجاري را مي‌سازد.
سانتريفيوژ اوليه در قرن 17
|
نقاشي اوايل قرن 20
|
انواع مختلف سانتريفيوژ ساخته شده‌اند كه ميتوانيم به‌صورت زير آنها را دسته بندي كنيم:
سانتريفيوژهاي زاويه ثابت كه براي نگه‌داشتن نمونه در زاويه ثابت نسبت به محور مركزي، استفاده مي‌شود.
سانتريفيوژهاي نوساني، برخلاف زاويه‌ثابت، لولايي دارند، كه ظرف نمونه را به روتور مركزي متصل مي‌كند. همين باعث مي‌شود، نيروي چرخش به سمت‌بيرون باشد.
سانتريفيوژهاي نوسان دائمي جاي تك نمونه ندارند و براي حجم‌هاي بسيار بالا نمونه استفاده مي‌شوند.
فراسانتريفيوژ براي چرخش بهتر، يك روتور با سرعت‌هاي بالا دارند، و در حوزه‌ي زيست مولكولي، زيست شيمي و علم پليمر، پُركاربرد هستند. اين مدل را مي‌توان به‌صورت تحليلي، زاويه ثابت يا نوساني استفاده كرد.
هاماتوكريت‌ها، براي اندازه‌گيري درصد گلبول‌هاي قرمز خون در كل خون استفاده مي‌شوند.
گازي، كه مدل زيپي را هم شامل مي‌شوند.
سانتريفيوژهاي صنعتي را مي‌توان را چگالي بالا تا چگالي پايين دسته بندي كرد:
غربالگر، كه شتاب مركزگرا باعث گذر مايع از غربال مي‌شود و ذرات جامد نمي‌توانند از آن عبور كنند. فضاهاي خالي بايد كوچك‌تر از اين ذرات ساخته شوند. نمونه‌هايي از اين مدل عبارتند از:
غربالگر/ پيچشي
فشاري
پوست‌كن : اين اصطلاح براي فشاري است كه به ذرات در مايع وارد مي‌شود و از مايع به‌مرور جدا مي‌شوند.
تنگ، كه هيچ جدايي فيزيكي بين جامد و مايع وجود ندارد.
مايع‌پيوسته: كاسه جامد و مخروطي
سانتريفيوژهاي ساده در شيمي، زيست، بيوشيمي براي جداسازي ذرات معلق به‌كار مي‌رود. سرعتها و قابليت‌هاي آنها بسيار متنوع است. اكثر آنها روتورهاي دوتايي، 4 تايي، 6 تايي، يا بيشتر براي قرار دادن همين تعداد نمونه دارند.
بقيه‌ي سانتريفيوژها، از اولين مدل، يعني مدل زيپ براي جداسازي ايزوتوپ‌ها، و همه سانتريفيوژها در نيروگاه‌هاي هسته‌اي بكار مي‌رود.
مدل گازي براي غني‌سازي اورانيم مورد استفاده مي‌شود. ايزوتوپ سنگين‌تر اورانيم 238) در گاز هگزافلوئوريد اورانيم در مخزن‌هايي مي‌چرخند تا ايزوتوپ 235 بدست آمده و خميره‌ي اورانيم درون سانتريفيوژ بدست آيد. شايد نياز به چندهزار سانتريفيوژ براي غني‌سازي اورانيم باشد كه در راكتور حدود % 3.5 مورد استفاده قرار مي‌گيرد و براي تسليحات هسته‌اي %90.
اين سانتريفيوژهاي بزرگ براي آزمايش مقاومت بدن در مقابل شتاب گرانش هم در هوانوردي و هم در فضانوردي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. علت آن است كه در هردو و بخصوص در فضانوردي شتاب جاذبه چندبرابر سطح زمين به بدن وارد مي‌شود و باعث هدايت خون به پايين‌ترين نقاط بدن نسبت به زمين مي‌شود. بخش ديگري كه براي آژانس‌هاي فضايي مهم است، تحليل رفتن عضلات و پوكي استخوان است.
اين مدل‌ها براي آزمايش مدل‌هايي كه خاك در آنها دخيل است به‌كار مي‌رود. شتاب گرانش به مدل‌ها وارد شده و كشش مدل آزمايشي را با حفظ مقياس به آنها وارد مي‌كنند. ساختمان‌ها، پُل‌ها، تونل‌ها، سطوح شيبدار و غيره از جمله مواردي هستند كه مورد اينگونه مورد آزمايش قرار مي‌گيرند. سانتريفيوژ نقش زلزله و اثرات كشش و كرنش را بازي مي‌كند.
سانتريفيوژ كاربردهاي متعددي دارد كه در تاريخچه هم ذكر شد و هنوز هم جزو كاربردهاي مهم آن در تجارت صنايع غذايي به حساب مي‌آيد. تقريبا در تمام منازل يك سانتريفيوژ وجود دارد كه جاي اصلي آن در آشپزخانه است. از مخلوز كن گرفته تا خرد كن و غيره.