سانتریفیوژ یا گریزانه: دستگاهی برای جداسازی مواد بر اساس چگالی
اصل کار: نیروی گریز از مرکز چگونه مواد را جدا میکند؟
همه ما تجربه چرخاندن یک سطل آب به دور خود را داریم. وقتی سطل را با سرعت کافی بچرخانیم، آب به دیوارهٔ سطل فشار میآورد و بیرون نمیریزد. این همان نیروی گریز از مرکز۱ است؛ نیرویی مجازی که هنگام چرخش، اجسام را به سمت بیرون میراند. سانتریفیوژ از همین اصل ساده اما قدرتمند استفاده میکند.
تصور کنید در یک پارک تفریحی روی چرخوفلکی هستید که سریع میچرخد. شما احساس میکنید به صندلیتان چسبیدهاید و به سمت بیرون کشیده میشوید. در دستگاه سانتریفیوژ هم دقیقاً همین اتفاق برای ذرات یک مخلوط میافتد. ذرات سنگینتر و چگالتر (مانند شن در آب) با نیروی بیشتری به سمت بیرون (ته لوله) رانده میشوند و ذرات سبکتر (مانند خامه در شیر) در لایههای بالایی باقی میمانند. به این فرآیند تهنشینی یا سدیمنتاسیون۲ میگویند.
اجزا و انواع مختلف سانتریفیوژ
یک سانتریفیوژ معمولی از بخشهای اصلی زیر تشکیل شده است:
- موتور: قلب دستگاه که نیروی چرخش را تأمین میکند.
- روتور: بخش دوّار دستگاه که لولههای حاوی نمونه بر روی آن سوار میشوند. روتورها انواع مختلفی دارند.
- لولههای نمونه: ظروفی که مخلوط مورد نظر برای جداسازی داخل آنها ریخته میشود.
- درب و قفل ایمنی: برای جلوگیری از باز شدن دستگاه در حین چرخش سریع.
| نوع روتور | تصویر ذهنی و شکل قرارگیری لوله | کاربرد اصلی |
|---|---|---|
| زاویه ثابت | لولهها در یک زاویه ثابت (مثلاً 45 درجه) نسبت به محور چرخش ثابت هستند. | تهنشینی سریع ذرات و جمعآوری رسوب. مانند جدا کردن سلولهای خون. |
| آونگی (زاویه متغیر) | لولهها در حالت سکون آویزانند و هنگام چرخش، تا حالت افقی بالا میآیند. | جداسازی مواد در لایههای مجزا. مناسب برای جدا کردن سرم از خون. |
سانتریفیوژها بر اساس سرعت و کاربرد به دستههای مختلفی تقسیم میشوند: از مدلهای رومیزی و کمسرعت در آزمایشگاههای مدرسه و درمانگاهها گرفته تا اولتراسانتریفیوژ۳های بسیار قوی که میتوانند ذرات بسیار ریزی مثل ویروسها و مولکولهای DNA را از هم جدا کنند.
از آزمایشگاه تا زندگی: کاربردهای شگفتانگیز گریزانه
شاید فکر کنید سانتریفیوژ فقط یک وسیله آزمایشگاهی است، اما کاربردهای آن بسیار گستردهتر و به زندگی روزمره ما نزدیکتر است:
در پزشکی و سلامت: رایجترین استفاده، جداسازی اجزای خون است. وقتی نمونه خون در سانتریفیوژ قرار میگیرد، سلولهای قرمز سنگین به ته لوله میروند و پلاسما۴ یا سرم۵ (مایع زردرنگ خون) در بالا جمع میشود. پزشکان از این پلاسما یا سرم برای تشخیص بسیاری از بیماریها استفاده میکنند.
در خانه و آشپزخانه: آیا تا به حال از سَلادسِنتر (سبزیخشککن) استفاده کردهاید؟ این وسیله یک سانتریفیوژ کوچک خانگی است! با چرخاندن سبد آن، نیروی گریز از مرکز، آب اضافی سبزیجات شسته شده را از آنها میگیرد. حتی در برخی ماشینهای لباسشویی پیشرفته، در مرحله آبگیری، یک عملیات سانتریفیوژ انجام میشود تا آب از لباسها خارج شود.
در صنایع غذایی: جداسازی خامه از شیر یکی از قدیمیترین کاربردهای سانتریفیوژ در صنعت است. با این کار، شیر کمچرب و پرچرب تولید میشود. در تولید روغنهای خوراکی مانند روغن زیتون نیز از سانتریفیوژهای بزرگ صنعتی برای جدا کردن روغن از مواد جامد و آب استفاده میشود.
در علم و فناوریهای پیشرفته: از سانتریفیوژهای بسیار بزرگ و قدرتمند برای آموزش و تست فضانوردان استفاده میشود تا بدن آنها را در برابر شتابهای بالا مقاوم کنند. همچنین در فرآیند پیچیده غنیسازی اورانیوم برای مصارف صلحآمیز مانند تولید برق در نیروگاههای هستهای، از سانتریفیوژهای گازی استفاده میشود.
پرسشهای متداول درباره سانتریفیوژ
پاسخ: بله، در سطحی بسیار ابتدایی. اگر یک لیوان حاوی آب و خاکاره را محکم به صورت دایرهای بچرخانید، خاکاره به کنارههای لیوان متمایل میشود. این همان اصل است. اما دستگاه سانتریفیوژ به دلیل سرعت چرخش بسیار بالا و کنترل دقیق، میتواند ذرات بسیار ریز و مخلوطهای پیچیدهتر را با دقت کامل از هم جدا کند، کاری که چرخاندن دستی غیرممکن است.
پاسخ: ایمنی مهمترین دلیل است. اگر وزن لولههای نمونه در دو طرف روتور یکسان نباشد، دستگاه هنگام چرخش با سرعت بالا به شدت میلرزد. این لرزش میتواند باعث شکستن لولهها، آسیب به دستگاه و حتی خطر برای کاربر شود. برای بالانس کردن، اگر یک لوله حاوی نمونه داریم، در طرف مقابل آن یک لوله دیگر حاوی آب یا نمونهای با وزن مشابه قرار میدهیم.
پاسخ: نیروی G در واقع نشاندهنده قدرت «گرانش مصنوعی» ایجاد شده توسط دستگاه است. وقتی میگوییم یک سانتریفیوژ با نیروی 3000 × g کار میکند، یعنی نیروی گریز از مرکز ایجاد شده، معادل 3000 برابر نیروی جاذبه زمین است! این عدد با سرعت چرخش (دور در دقیقه) و اندازه روتور رابطه دارد و با فرمولهایی قابل محاسبه است.
پاورقی
۱ نیروی گریز از مرکز (Centrifugal Force): نیرویی مجازی که در چارچوب مرجع دوار، احساس میشود و جسم را به سمت بیرون از مرکز دوران میراند.
۲ سدیمنتاسیون (Sedimentation): فرآیند تهنشینی ذرات جامد در یک مایع یا گاز تحت تأثیر یک نیروی خارجی مانند گرانش یا نیروی گریز از مرکز.
۳ اولتراسانتریفیوژ (Ultracentrifuge): نوعی سانتریفیوژ با سرعت و نیروی گریز از مرکز بسیار بالا که قادر به جداسازی مولکولها و ذرات بسیار ریز مانند پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک است.
۴ پلاسما (Plasma): بخش مایع و زردرنگ خون که سلولهای خونی در آن شناورند و حاوی پروتئینها و فاکتورهای انعقادی است.
۵ سرم (Serum): مایع زردرنگی که پس از لخته شدن خون و جدا کردن سلولها و فاکتورهای انعقادی بهدست میآید.
