Wat is centrifugatie en waarom wordt het gebruikt?

Wat is centrifugatie en waarom wordt het gebruikt?

De term centrifuge kan verwijzen naar een machine die een snel roterende container herbergt om de inhoud te scheiden op dichtheid (zelfstandig naamwoord) of op de handeling van het gebruik van de machine (werkwoord). Het moderne apparaat vindt zijn oorsprong in een apparaat met een draaiende arm, ontworpen in de 18e eeuw door ingenieur Benjamin Robins om de weerstand te bepalen. In 1864 paste Antonin Prandtl de techniek toe om melk en room te scheiden. Zijn broer verfijnde de techniek en vond in 1875 een botervet-extractiemachine uit. Hoewel centrifuges nog steeds worden gebruikt om melkcomponenten te scheiden, is het gebruik ervan uitgebreid naar vele andere gebieden van wetenschap en geneeskunde. 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.

Hoe een centrifuge werkt

Een centrifuge dankt zijn naam aan de middelpuntvliedende kracht - de virtuele kracht die draaiende objecten naar buiten trekt. Centripetale kracht is de echte fysieke kracht op het werk, die draaiende voorwerpen naar binnen trekt. Een emmer water spinnen is een goed voorbeeld van de krachten die aan het werk zijn. Als de emmer snel genoeg draait, wordt het water erin getrokken en morst het niet. Als de emmer gevuld is met een mengsel van zand en water, produceert het spinnen centrifugeren. Volgens het sedimentatieprincipe 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 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 het rotorontwerp. De rotor is de roterende eenheid in het apparaat. Rotors met een vaste hoek houden monsters onder een constante hoek, roterende koprotoren hebben een scharnier waarmee monstervaten naar buiten kunnen slingeren naarmate de snelheid van de spin toeneemt, en continue buisvormige centrifuges hebben één kamer in plaats van individuele monsterkamers.

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

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 centrifugale kracht 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 vaste hoekrotoren hebben, zijn roterende emmerrotoren ook gebruikelijk. Deze 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.

Middelgrote centrifuges zijn gebruikelijk in het dagelijks leven, voornamelijk om vloeistoffen snel van vaste stoffen te scheiden. Wasmachines gebruiken centrifugatie tijdens het centrifugeren om bijvoorbeeld water en wasgoed te scheiden. Een soortgelijk apparaat spint het water uit badpakken.

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 tot 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 uit 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.

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 een monster en het volume ervan.