Mis on tsentrifuugimine ja miks seda kasutatakse

Termin tsentrifuug võib osutada masinale, milles asub kiiresti pöörlev konteiner, et selle sisu eraldada tihedus (nimisõna) või masina kasutamise tegusõna (verb). Tsentrifuuge kasutatakse kõige sagedamini erinevate vedelike ja tahkete osakeste eraldamiseks vedelikest, kuid neid võib kasutada ka gaaside jaoks. Neid kasutatakse ka muudel eesmärkidel kui mehaaniline eraldamine.

Kaasaegne tsentrifuug jälitab selle päritolu 18. sajandil inglise sõjaväeinseneri Benjamin Robinsi loodud pöörleva haru aparaadiga veojõu määramiseks. 1864. aastal rakendas Antonin Prandtl tehnikat piima ja koore komponentide eraldamiseks. 1875. aastal täiustas Prandtli vend Alexender tehnikat, leiutades masina võirasva eraldamiseks. Kui tsentrifuule kasutatakse endiselt piimakomponentide eraldamiseks, on nende kasutamine laienenud paljudele teistele teaduse ja meditsiini valdkondadele.

Tsentrifuug saab oma nime tsentrifugaaljõud— Virtuaalne jõud, mis tõmbab pöörlevaid objekte väljapoole.

Kui ämber keerleb piisavalt kiiresti, tõmmatakse vesi sissepoole ja see ei pritsi. Kui ämber täidetakse liiva ja vee seguga, siis ketramine annab selle tsentrifuugimine. Vastavalt setted põhimõtte kohaselt tõmmatakse nii vesi kui ka liiv ämbri välisservale, kuid tihe liivaosakesed settivad põhja, samas kui kergemad veemolekulid nihkuvad Keskus.

Tsentripetaalne kiirendus simuleerib sisuliselt suuremat gravitatsiooni, kuid on oluline seda silmas pidada tehisgravitatsioon on väärtuste vahemik, mitte konstant, sõltuvalt sellest, kui lähedane objekt on pöördeteljele väärtus. Efekt on seda suurem, mida kaugemale objekt jõuab, sest see läbib iga pöörde puhul suuremat vahemaad.

Kõik tsentrifuugide tüübid põhinevad samal tehnikal, kuid erinevad oma rakenduste poolest. Peamised erinevused nende vahel on pöörlemiskiirus ja rootor kujundus. Rootor on seadmes pöörlev üksus. Fikseeritud nurga all olevad rootorid hoiavad proove konstantse nurga all, pöörleva pea rootoritel on liigend, mis võimaldab proovianumatel pöörduda väljapoole, kui pöörlemiskiirus suureneb, ja pidevatel torukujulistel tsentrifuugidel on üksikkamber, mitte üksikproov kojad.

Molekulide ja isotoopide eraldamine: Äärmiselt kiired tsentrifuugid ja ultratsentrifuugid pöörlevad nii kiiresti, et neid saaks kasutada erineva massiga molekulide eraldamiseks või isegi isotoobid aatomitest. Isotoopide eraldamist kasutatakse teadusuuringuteks ning tuumakütuse ja tuumarelvade valmistamiseks. Näiteks võib rikastamiseks kasutada gaasitsentrifuugi uraan, kuna raskem isotoop tõmmatakse rohkem väljapoole kui kergem.

Laboris: Ka laboratoorsed tsentrifuugid pöörlevad suure kiirusega. Need võivad olla piisavalt suured, et seista põrandal, või piisavalt väikesed, et puhata leti peal. Tüüpilisel seadmel on proovitorude hoidmiseks nurga all puuritud avadega rootor. Kuna proovitorud on fikseeritud nurga all ja tsentrifugaaljõud toimib horisontaaltasandil, osakesed liiguvad enne toru seina löömist väikese vahemaa, lastes tihedal materjalil libiseda alla. Ehkki paljudel laboratoorsetel tsentrifuugidel on fikseeritud nurga all olevad rootorid, on levinud ka pöördega kopprootorid. Selliseid masinaid kasutatakse segunematute vedelike ja suspensioonid. Kasutamine hõlmab verekomponentide eraldamist, DNA eraldamist ja keemiliste proovide puhastamist.

Suure raskusastmega simulatsioon: Suure gravitatsiooni simuleerimiseks võib kasutada suuri tsentrifuule. Masinad on ruumi või hoone suurused. Inimese tsentrifuule kasutatakse katsepilootide koolitamiseks ja gravitatsioonialaste teadusuuringute läbiviimiseks. Tsentrifuuge võib kasutada ka lõbustuspargisõiduks. Kui inimese tsentrifuugid on kavandatud kuni 10 või 12 gravitatsioonini, võivad suure läbimõõduga masinad, mis pole inimene, paljastada isendite normaaljõu kuni 20 korda. Sama põhimõtet võib ühel päeval kasutada ka gravitatsiooni simuleerimiseks kosmoses.

Tööstuslikud tsentrifuugid neid kasutatakse kolloidide komponentide (nt koor ja või piimast) eraldamiseks, keemilises ettevalmistamisel, puurimisvedelikust kuivainete puhastamisel, materjalide kuivatamisel ja veetöötlusel sette eemaldamiseks. Mõned tööstuslikud tsentrifuugid tuginevad eraldamiseks settele, teised eraldavad ainet ekraani või filtri abil. Tööstuslikke tsentrifuule kasutatakse metallide valamiseks ja kemikaalide valmistamiseks. Gravitatsioonierinevus mõjutab materjalide faasikoostist ja muid omadusi.

Igapäevased rakendused: Keskmise suurusega tsentrifuugid on tavalised igapäevaelus, peamiselt vedelike kiireks eraldamiseks tahketest ainetest. Pesumasinad kasutavad tsentrifuugimist tsentrifuugimise ajal, et eraldada pesust vesi. Sarnane seade keerutab vett ujumistrikoodest välja. Salati ketrused, mida kasutatakse kuiva salati ja muude roheliste pesemiseks ja seejärel tsentrifuugimiseks, on veel üks näide lihtsast tsentrifuugist.

Kuigi tsentrifuugimine on parim võimalus kõrge gravitatsiooni simuleerimiseks, on ka teisi meetodeid, mida saab kasutada materjalide eraldamiseks. Need sisaldavad filtreerimine, sõelumine, destilleerimine, dekanteerimineja kromatograafia. Rakenduse parim tehnika sõltub kasutatava proovi omadustest ja selle mahust.