Kas ir centrifugēšana un kāpēc tā tiek izmantota

Termins centrifūga var attiekties uz mašīnu, kurā atrodas ātri rotējošs konteiners, lai tā saturu atdalītu ar blīvums (lietvārds) vai mašīnas lietošanas vārds (darbības vārds). Centrifūgas visbiežāk izmanto, lai atdalītu dažādus šķidrumus un cietās daļiņas no šķidrumiem, bet tās var izmantot gāzēm. Tos izmanto arī citiem mērķiem, nevis mehāniskai atdalīšanai.

Mūsdienu centrifūga izseko tās pirmsākumiem līdz vērpšanas rokas aparātam, ko 18. gadsimtā projektējis angļu militārais inženieris Bendžamins Robins, lai noteiktu vilkmi. 1864. gadā Antonīns Prandls izmantoja šo metodi piena un krējuma sastāvdaļu atdalīšanai. 1875. gadā Prandtla brālis Aleksenders uzlaboja tehniku, izgudrojot mašīnu sviesta tauku iegūšanai. Kamēr centrifūgas joprojām izmanto piena sastāvdaļu atdalīšanai, to izmantošana ir paplašinājusies līdz daudzām citām zinātnes un medicīnas jomām.

Centrifūga savu nosaukumu iegūst no centrbēdzes spēks— Virtuālais spēks, kas vērpjošos objektus izvelk uz āru.

Ja spainis griežas pietiekami ātri, ūdens tiek ievilkts uz iekšu un neizšļakstās. Ja spaini piepilda ar smilšu un ūdens maisījumu, tas izgriežas centrifugēšana. Saskaņā ar sedimentācija pēc principa, gan ūdens, gan smiltis spainī tiks novilkti uz kausa ārmalu, bet blīvs smilšu daļiņas nogulsnējas apakšā, bet vieglākas ūdens molekulas tiks pārvietotas virzienā uz centrā.

Centripetālais paātrinājums būtībā simulē lielāku smagumu, tomēr ir svarīgi paturēt prātā mākslīgais gravitācija ir vērtību diapazons, nevis konstants atkarībā no tā, cik objekts ir tuvu rotācijas asij vērtību. Efekts ir lielāks, jo tālāk objekts nokļūst, jo tas katrai rotācijai veic lielāku attālumu.

Visu veidu centrifūgu pamatā ir viena un tā pati tehnika, taču to pielietojums atšķiras. Galvenās atšķirības starp tām ir griešanās ātrums un rotors dizains. Rotors ir ierīces rotējošā vienība. Fiksēta leņķa rotori notur paraugus nemainīgā leņķī, pagriežamajiem galvas rotoriem ir eņģe, kas ļauj paraugu traukiem šūpoties uz āru, palielinoties griešanās ātrumam, un nepārtrauktām cauruļveida centrifūgām ir viena kamera, nevis atsevišķs paraugs palātas.

Atdalot molekulas un izotopus: Īpaši ātrgaitas centrifūgas un ultracentrifūgas griežas ar tik lielu ātrumu, ka tās var izmantot, lai atdalītu dažādas masas molekulas vai pat izotopi atomu skaits. Izotopu atdalīšanu izmanto zinātniskiem pētījumiem un kodoldegvielas un kodolieroču ražošanai. Piemēram, bagātināšanai var izmantot gāzes centrifūgu urāns, jo smagāks izotops tiek izvilkts uz āru vairāk nekā vieglāks.

Laboratorijā: Arī laboratorijas centrifūgas griežas ar lielu ātrumu. Tie var būt pietiekami lieli, lai stāvētu uz grīdas, vai arī pietiekami mazi, lai atpūstos uz letes. Tipiskai ierīcei ir rotors ar leņķveida urbumiem, lai turētu paraugu caurules. Tā kā parauga caurules ir fiksētas leņķī un centrbēdzes spēks darbojas horizontālajā plaknē, daļiņas pārvietojas nelielā attālumā pirms sitiena pie caurules sienas, ļaujot blīvam materiālam slīdēt uz leju. Kaut arī daudzām laboratorijas centrifūgām ir fiksēta leņķa rotori, bieži ir arī pagriežamo kausu rotori. Šādas mašīnas izmanto nesajaucamu šķidrumu un suspensijas. Lietošanā ietilpst asiņu komponentu atdalīšana, DNS izolēšana un ķīmisko paraugu attīrīšana.

Augsta gravitācijas simulācija: Augsta smaguma simulēšanai var izmantot lielas centrifūgas. Mašīnas ir telpas vai ēkas lieluma. Cilvēku centrifūgas tiek izmantotas, lai apmācītu testa pilotus un veiktu ar gravitāciju saistītus zinātniskus pētījumus. Centrifūgas var izmantot arī kā atrakciju parka braucienus. Kamēr cilvēku centrifūgas ir paredzētas līdz 10 vai 12 smaguma spēkiem, liela diametra mašīnām, kas nav cilvēkcilvēki, paraugi var tikt pakļauti normālajam smagumam 20 reizes. To pašu principu kādu dienu var izmantot, lai modelētu gravitāciju kosmosā.

Rūpnieciskās centrifūgas tiek izmantoti koloīdu sastāvdaļu (piemēram, krējuma un sviesta no piena) atdalīšanai, ķīmiskajā sagatavošanā, cietvielu attīrīšanā no urbšanas šķidruma, žāvēšanas materiāliem un ūdens attīrīšanā, lai noņemtu dūņas. Dažas rūpnieciskās centrifūgas atdalīšanai paļaujas uz sedimentāciju, bet citas atdala vielas, izmantojot ekrānu vai filtru. Rūpnieciskās centrifūgas izmanto metālu liešanai un ķīmisku vielu sagatavošanai. Diferenciālais smagums ietekmē fāzu sastāvu un citas materiālu īpašības.

Ikdienas lietojumprogrammas: Vidēja izmēra centrifūgas ir izplatītas ikdienas dzīvē, galvenokārt, lai ātri atdalītu šķidrumus no cietām vielām. Veļas mašīnas centrifugē centrifugēšanas cikla laikā, lai atdalītu ūdeni no veļas. Līdzīga ierīce izspiež ūdeni no peldkostīmiem. Salātu vērptuves, ko izmanto sausu salātu un citu zaļumu mazgāšanai un griešanai, ir vēl viens vienkāršas centrifūgas piemērs.

Lai gan centrifugēšana ir labākā iespēja augstas gravitācijas imitēšanai, ir arī citi paņēmieni, ko var izmantot materiālu atdalīšanai. Tie ietver filtrēšana, sijāšana, destilācija, dekantēšana, un hromatogrāfija. Labākais lietojuma paņēmiens ir atkarīgs no izmantojamā parauga īpašībām un tā tilpuma.