Centrifugatie Wat het is en waarom het wordt gebruikt

De term centrifuge kan verwijzen naar een machine die een snel roterende container herbergt om de inhoud te scheiden door dichtheid (zelfstandig naamwoord) of naar de handeling van het gebruik van de machine (werkwoord). Centrifuges worden meestal gebruikt om verschillende vloeistoffen en vaste deeltjes te scheiden van vloeistoffen, maar ze kunnen worden gebruikt voor gassen. Ze worden ook gebruikt voor andere doeleinden dan mechanische scheiding.

Uitvinding en vroege geschiedenis van de centrifuge

De moderne centrifuge vindt zijn oorsprong in een apparaat met een draaiende arm dat in de 18e eeuw is ontworpen door de Engelse militaire ingenieur Benjamin Robins om de luchtweerstand te bepalen. In 1864 paste Antonin Prandtl de techniek toe om de componenten van melk en room te scheiden. In 1875 verfijnde de broer van Prandtl, Alexender, de techniek door een machine uit te vinden om botervet te extraheren. Hoewel centrifuges nog steeds worden gebruikt om melkcomponenten te scheiden, is het gebruik ervan uitgebreid naar vele andere gebieden van wetenschap en geneeskunde.

Hoe een centrifuge werkt

Een centrifuge dankt zijn naam aan centrifugale kracht-de virtuele kracht die draaiende objecten naar buiten trekt. Middelpuntzoekende kracht is de echte fysieke kracht op het werk, die draaiende voorwerpen naar binnen trekt. Een emmer water spinnen is een goed voorbeeld van deze krachten op het werk.

Als de emmer snel genoeg draait, wordt het water naar binnen getrokken en morst het niet. Als de emmer gevuld is met een mengsel van zand en water, produceert het spinnen centrifugeren. Volgens de afzetting principe worden zowel het water als het zand in de emmer naar de buitenrand van de emmer getrokken, maar de dichte zanddeeltjes zullen naar de bodem bezinken, terwijl de lichtere watermoleculen naar het midden worden verplaatst.

De centripetale versnelling simuleert in wezen een hogere zwaartekracht, maar het is belangrijk om te onthouden dat de kunstmatige zwaartekracht een bereik van waarden is, afhankelijk van hoe dicht een object zich bij de rotatieas bevindt, niet een constante waarde. Het effect is groter naarmate een object verder weg komt, omdat het voor elke rotatie een grotere afstand aflegt.

Typen en toepassingen van centrifuges

De typen centrifuges zijn allemaal gebaseerd op dezelfde techniek, maar verschillen in hun toepassingen. De belangrijkste verschillen tussen hen zijn de rotatiesnelheid en de rotor ontwerp. De rotor is de roterende eenheid in het apparaat. Rotors met vaste hoek houden monsters onder een constante hoek, slingerkoprotors hebben een scharnier waarmee monstervaten naar buiten kunnen slingeren naarmate de rotatiesnelheid toeneemt, en continue buisvormige centrifuges hebben een enkele kamer in plaats van individuele monsterkamers.

Scheidingsmoleculen en isotopen: Extreem snelle centrifuges en ultracentrifuges draaien met zulke hoge snelheden dat ze kunnen worden gebruikt om moleculen van verschillende massa's of zelfs isotopen van atomen te scheiden. Isotopenscheiding wordt gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek en om nucleaire brandstof en nucleaire wapens te maken. Een gascentrifuge kan bijvoorbeeld worden gebruikt om uranium te verrijken, omdat de zwaardere isotoop meer naar buiten wordt getrokken dan de lichtere.

In het labortorium: Centrifuges in het laboratorium draaien ook met hoge snelheden. Ze kunnen groot genoeg zijn om op een vloer te staan ​​of klein genoeg om op een aanrecht te rusten. Een typisch apparaat heeft een rotor met schuine geboorde gaten om monsterbuizen te houden. Omdat de monsterbuizen onder een hoek worden gefixeerd en centrifugaalkracht in het horizontale vlak werkt, bewegen deeltjes een kleine afstand voordat ze de wand van de buis raken, waardoor dicht materiaal naar beneden kan glijden. Hoewel veel laboratoriumcentrifuges rotors met een vaste hoek hebben, zijn roterende emmerrotors ook gebruikelijk. Dergelijke machines worden gebruikt om componenten van niet-mengbare vloeistoffen en suspensies te isoleren. Gebruik omvat het scheiden van bloedcomponenten, het isoleren van DNA en het zuiveren van chemische monsters.

High-Gravity Simulation: Grote centrifuges kunnen worden gebruikt om hoge zwaartekracht te simuleren. De machines hebben de grootte van een kamer of gebouw. Menselijke centrifuges worden gebruikt om testpiloten te trainen en wetenschappelijk onderzoek met betrekking tot de zwaartekracht uit te voeren. Centrifuges kunnen ook worden gebruikt als attracties voor pretparken. Hoewel menselijke centrifuges zijn ontworpen om tot 10 of 12 zwaartekrachten te gaan, kunnen niet-menselijke machines met grote diameter monsters blootstellen aan maximaal 20 keer de normale zwaartekracht. Hetzelfde principe kan ooit worden gebruikt om zwaartekracht in de ruimte te simuleren. 

Industriële centrifuges worden gebruikt om componenten van colloïden (zoals room en boter van melk) te scheiden, bij de chemische bereiding, het reinigen van vaste stoffen uit boorvloeistof, droogmaterialen en waterbehandeling om slib te verwijderen. Sommige industriële centrifuges vertrouwen op sedimentatie voor scheiding, terwijl anderen materie scheiden met behulp van een scherm of filter. Industriële centrifuges worden gebruikt om metalen te gieten en chemicaliën te bereiden. Het verschil in zwaartekracht beïnvloedt de fasesamenstelling en andere eigenschappen van de materialen.

Dagelijkse toepassingen: Middelgrote centrifuges zijn gebruikelijk in het dagelijks leven, voornamelijk om vloeistoffen snel van vaste stoffen te scheiden. Wasmachines gebruiken centrifugatie tijdens het centrifugeren om water van wasgoed te scheiden. Een soortgelijk apparaat spint het water uit badpakken. Saladespinners, gebruikt om droge sla en andere greens te wassen en vervolgens te centrifugeren, is een ander voorbeeld van een eenvoudige centrifuge.

Gerelateerde technieken

Hoewel centrifugatie de beste optie is voor het simuleren van hoge zwaartekracht, zijn er andere technieken die kunnen worden gebruikt om materialen te scheiden. Deze omvatten filtratie, zeven, destillatie, decanteren en chromatografie. De beste techniek voor een toepassing hangt af van de eigenschappen van het gebruikte monster en het volume.