سانتریفیوژ در شیمی — به زبان ساده

عبارت سانتریفیوژ به دستگاهی اطلاق می‌شود که با سرعت زیاد چرخش می‌کند و محتویات مواد مختلف را بر اساس چگالی از یکدیگر جدا می‌کند. دستگاه‌های جدید، از همان دانشی استفاده می‌کنند که در قرن هجدهم، «بنجامین رابینز» (Benjamin Robins) برای اختراع دستگاه آزمایش خود و محاسبه نیروی درگ، از آن بهره گرفت. در سال 1864، «آنتونین پرنتل» (Antonin Prandtl) از این روش برای جدا کردن شیر از خامه استفاده کرد. برادر پرنتل، این روش را بهبود بخشید و در سال 1875، دستگاهی برای جداسازی چربی شیر اختراع کرد.

با وجود اینکه امروزه همچنان از سانتریفیوژ برای جداسازی اجزای شیر استفاده می‌شود اما کاربردهای گسترده‌تری را نیز در زمینه‌های علمی و پزشکی در بر می‌گیرد. سانتریفیوژ معمولا در جداسازی مایعات مختلف از یکدیگر یا جدا کردن ذرات جامد از مایعات کاربرد دارد. البته در مواردی می‌توان از سانتریفیوژ در گازها نیز استفاده کرد.

نحوه کار سانتریفیوژ

لغت سانتریفیوژ که امروزه در فارسی نیز به همین شکل کاربرد دارد، نام خود را از نیرویی تحت عنوان «نیروی گریز از مرکز» (Centrifugal Force) گرفته است. نیروی گریز از مرکز، نیرویی مَجازی است، اما نیرویی حقیقی تحت عنوان «نیروی مرکزگرا» (Centripetal Force) وجود دارد که اشیا در حال چرخش را به طرف مرکز می‌کشد. برای توضیح بیشتر می‌توانیم از چرخش یک سطل آب استفاده کنیم. اگر سطل آب با سرعت مناسبی بچرخد، آب به مرکز کشیده می‌شود و بیرون نمیریزد اما اگر سطل آب را با مخلوطی از آب و ماسه پر کنیم. چرخش آن، سانتریفیوژ را بوجود می‌آورد.

فیلم آموزش پمپ های سانتریفیوژ – طراحی، عملکرد و تعمیر در فرادرس

کلیک کنید

اصل ته‌نشینی

در یک محلول، اجزایی که چگالی آن‌ها بیشتر از سایر اجزا باشد، ته‌نشین و اجزای سبک‌تر، روی آن‌ها شناور می‌شوند. هرقدر اختلاف چگالی بیشتر باشد، سرعت حرکت ذرات نیز بیشتر است. اگر اختلاف چگالی وجود نداشته باشند، ذرات به حالت پایدار خواهند ماند.

بر اساس اصول رسوب‌گذاری، آب و ماسه هردو به لبه خارجی سطل کشیده خواهند شد اما ذرات چگال‌تر ماسه، در پایین ته‌نشین خواهند شد درحالیکه مولکول‌های سبک‌تر آب به طرف مرکز جابجا می‌شوند.

شتاب مرکزگرا در حقیقت، مشابه شتاب گرانش است که شدت بیشتری دارد. اگرچه باید به یاد داشته باشید که این نوع از نیروی ثقلی، عدد ثابتی نیست بلکه به فاصله جسم از محور دوران ارتباط دارد. هر قدر جسم، فاصله بیشتری داشته باشد این اثر بیشتر است چراکه فاصله بیشتری را در هر دوران طی می‌کند.

از سانتریفیوژ برای بررسی خواص هیدرودینامیک درشت‌مولکول‌ها نیز می‌توان استفاده کرد. هنگام استفاده از سانتریفیوژ در یک مخلوط، اجزای چگال‌تر مخلوط از محور سانتریفیوژ دور می‌شوند و اجزای سبک‌تر، به طرف مرکز حرکت خواهند کرد. شیمیدان‌ها و بیولوژیست‌ها، از نیروی ثقلی به منظور انجام کامل عمل ته‌نشینی و جداسازی مواد استفاده می‌کنند. در نتیجه این کار، لوله آزمایش به دو بخش رسوب و «شناور» (Supernatant) یا سوپرناتانت تقسیم خواهد شد.

اساس کار سانتریفیوژ

اگر تنها نیروی اعمال شده، نیروی گرانش باشد، چگالی اجزا و سرعت جدایش آن‌ها از مخلوط ناهمگن با یکدیگر مرتبط هستند. هرقدر اجزا بزرگتر باشند و دانسیته آن‌ها بیشتر باشد، با سرعت بیشتری جدا می‌شوند. در صورتی که نیروی ثقلی بیشتری به یک مخلوط وارد کنیم، جدایش اجزا با سرعت بیشتری انجام خواهد شد و این همان کاری است که سانتریفیوژ انجام می‌دهد. این روش از آن‌جایی که سبب می‌شود اجزا با سرعت بیشتری از یکدیگر جدا شوند، در صنعت و آزمایشگاه بسیار پرکاربرد است.

نیروها در سانتریفیوژ

دو نیرویی که در برابر نیروی گریز از مرکز مقابله می‌کنند عبارتند از نیروهای بویانسی و اصطکاک. زمانی که نیروی گریز از مرکز،‌ بر نیروهای بویانسی و اصطکاک غلبه کند، ذرات از محور دوران (چرخش) دور خواهند شد که در نتیجه این کار، ذرات با سرعت ثابتی رسوب می‌کنند.

نیروی g

«نیروی گرانش» (g-Force) که به نیروی g نیز معروف است، به مقدار شتاب اعمال شده به نمونه می‌گویند. این مقدار، به عواملی همچون دور در دقیقه، شعاع روتور و نیروی گرانش زمین وابسته است. در استفاده از سانتریفیوژ، پیشنهاد می‌شود که به جای استفاده از $$rpm$$ از نیروی g استفاده شود چراکه اندازه روتور ممکن است تغییر کند اما با تغییر اندازه روتور، مقدار rpm ثابت می‌ماند. در حقیقت، با استفاده از «نیروی گریز از مرکز نسبی» (Relatve Centrifuge Force) یا همان نیروی g، با تغییر اندازه روتور، مقدار RCF نیز تغییر می‌کند. روش‌های مختلفی برای تبدیل $$rpm$$ به $$RCF$$ یا همان نیروی g وجود دارد که یکی از این روش‌ها در زیر آورده شده است:

$$\mathrm { RCF } = 1.118 \times \mathrm { R } \times ( \mathrm { rpm } / 1000 ) ^ { 2 }$$

که در رابطه بالا، R، شعاع «روتور» (Rotor) و واحد آن سانتی‌متر است.

مثال

نیروی g را برای یک میکروسانتریفیوژ با سرعت 5000 دور در دقیقه و شعاع روتور 7 سانتیمتر حساب کنید:

شکل دیگر رابطه بالا، به صورت زیر است که در آن،‌ $$S$$ سرعت سانتریفیوژ و بر حسب دور در دقیقه است:

$$g = \left( 1.118 \times 10 ^ { - 5 } \right) \times R \times S ^ { 2 }$$

$$RCF = 1.975 g$$

سرعت سانتریفیوژ

سرعت سانتریفیوژ، سرعت زاویه‌ای است که به صورت دور در دقیقه (RPM) یا به صورت شتاب g بیان می‌شود. ضریب تبدیل برای RPM و g، به شعاع روتور سانتریفیوژ وابسته است. همچنین، سرعت ته‌نشست ذرات به موارد زیر بستگی دارد:

• اندازه و شکل ذرات
• شتاب گریز از مرکز (سانتریفیوژ)
• کسر حجمی مواد جامد
• اختلاف چگالی بین مایع و مواد جامد
• ویسکوزیته

رابطه ریاضی در سانتریفیوژها

رابطه ریاضی جهت محاسبه RPM در زیر آورده شده است که در این رابطه، $$g$$ شتاب سانتریفیوژ و $$r$$، شعاع مرکز روتور تا نمونه است:

$$R P M = \sqrt { \frac { g } { r } }$$

کاربرد و انواع سانتریفیوژها

انواع مختلف سانتریفیوژ همگی بر یک اساس بنا شده‌اند اما در کاربرد متفاوت هستند. تفاوت اصلی آن‌ها، در سرعت چرخش و نوع طراحی روتور است. در حقیقت، بخش اصلی و چرخنده در یک سانتریفیوژ به روتور مربوط می‌شود. روتورهای «زاویه ثابت» (Fixed Angle)، نمونه را در یک زاویه ثابتی نگه می‌دارند. «روتورهای آونگی» (Swinging Head Rotors) دارای لولا هستند که به کمک آن، نمونه مورد آزمایش، نوسان می‌کند. دسته دیگری از سانتریفیوژها برخلاف سایر مدل‌ها، تنها یک محفظه برای نمونه‌ها دارند که به سانتریفیوژهای «لوله‌ای پیوسته» (Continuous Tubular Centrifuges) موسوم‌اند.

فیلم آموزش شیمی عمومی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

سانتریفیوژهای «سرعت بالا» (Very High Speed) و «اولتراسانتریفیوژها» (Ultracentrifuges) سرعت چرخش بسیار بالایی دارند به گونه‌ای که می‌توان از آن‌ها برای جداسازی مولکول‌ها با جرم مختلف یا حتی ایزوتوپ‌های یک اتم استفاده کرد. به طور مثال، سانتریفیوژ گازی، در غنی‌سازی اورانیوم کاربرد دارد که اساس آن اختلاف جرم بین اتم‌های اورانیوم 235 و 238 در گاز اورانیوم هگزافلوراید است، به طوریکه ایزوتوپ سنگین‌تر نسبت به ایزوتوپ سبک‌تر، بیشتر به طرف بیرون رانده می‌شود. از جداسازی ایزوتوپ‌ها که به نام غنی‌سازی ایزوتوپی خوانده می‌شود، در تحقیقات علمی و ساخت سوخت‌های هسته‌ای استفاده می‌کنند.

سانتریفیوژهای آزمایشگاهی

سانتریفیوژهای آزمایشگاهی نیز سرعت چرخش بالایی دارند. همچنین این دستگاه‌ها اندازه‌های متفاوتی از کوچک تا بزرگ را شامل می‌شوند. یک نمونه کلی از سانتریفیوژهای آزمایشگاهی، دستگاهی متشکل از یک روتور به همراه حفره‌های زاویه‌دار است تا لوله‌های آزمایش در آن‌ها قرار بگیرند. به دلیل اینکه لوله‌های آزمایش در زوایه ثابتی قرار دارند و نیروی گریز از مرکز در یک صفحه افقی عمل می‌کند،‌ ذرات قبل از برخورد به دیواره لوله، در فواصلی حرکت می‌کنند و با این کار، مواد سنگین‌تر رو به پایین می‌روند.

استفاده از سانتریفیوژهای زاویه ثابت در آزمایشگاه‌ها رواج دارد ولی انواع آونگی هم کاربردهایی در این خصوص دارند. از سانتریفیوژها برای جداسازی اجزای مایعات «امتزاج‌ناپذیر» (Immiscible) و سوسپانسیون‌ها نیز استفاده می‌شود. همچنین در جداسازی اجزای مختلف خون، DNA و خالص‌سازی مواد شیمیایی از سانتریفیوژ بهره می‌گیرند.  جالب است بدانید که در زندگی روزمره هم استفاده از سانتریفیوژها رواج دارد. به طور مثال، ماشین لباسشویی یک دستگاه سانتریفیوژ است که در سرعت چرخش بالا می‌توان آب را از لباس‌ها جدا و آن‌ها را خشک کرد.

سانتریفیوژهای صنعتی

سانتریفیوژهای صنعتی در جداسازی اجزای کلوئیدها و آماده‌سازی مواد شیمیایی، پاکسازی گل حفاری از جامدات، خشک کردن مواد و تصفیه آب کاربرد دارند. در برخی از سانتریفیوژهای صنعتی، از ته‌نشینی برای جداسازی استفاده می‌کنند در حالیکه فیلتراسیون و غربال‌گری نیز از روش‌های معمول است. علاوه بر این، سانتریفیوژهای صنعتی در ریخته‌گری فلزات و آماده‌سازی مواد شیمیایی نیز کاربرد دارند. لازم به ذکر است که این اختلاف گرانش، بر ترکیب فازها و دیگر خواص ماده، اثرگذار خواهد بود.

از سانتریفیوژهای بزرگ برای شبیه‌سازی نیروی گرانش بالا استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها در ابعاد یک اتاق یا ساختمان وجود دارند. از این نوع دستگاه‌ها برای آموزش خلبان‌ها و انجام آزمایش‌های مرتبط با گرانش بهره می‌گیرند.

سانتریفیوژ در بیولوژی

سانتریفیوژها در بیولوژی استفاده‌های گسترده‌ای دارند که در ادامه به توضیح آن‌ها خواهیم پرداخت.

میکرو سانتریفیوژها

از میکرو سانتریفیوژها در مطالعه حجم‌های کوچکی از مولکول‌های بیولوژیکی و سلول‌ها استفاده می‌شود. لوله‌های میکروسانتریفیوژها معمولا در حدود 0/5-2 میلی‌لیتر از مایع را در خود جای می‌دهند و با سرعت زاویه‌ای ۱۲-13 هزار RPM می‌چرخند. این نوع از سانتریفیوژها اندازه کوچکی دارند که به راحتی روی یک میز قرار می‌گیرند. علاوه بر این، در برخی از این دستگاه‌ها، امکان «سردکردن» (Refrigeration) نیز وجود دارد.

سانتریفیوژهای سرعت بالا

این نوع از دستگاه‌ها توانایی کار با حجم‌های بیشتری از نمونه‌ها را دارند که از ده میلی‌لیتر تا چندین لیتر را شامل می‌شوند. علاوه بر این، سانتریفیوژهای بزرگتر، توانایی رسیدن به سرعت‌های زاویه‌ای بیشتری تا حدود $$30000 RPM$$ را دارند. روتورهای این دستگاه‌ها با مبدل‌های مختلفی همراه هستند تا بتوان از لوله‌های آزمایش مختلفی استفاده کرد.

اولترا سانتریفیوژها

با استفاده از اولترا سانتریفیوژها و بکارگیری نیروهای گریز از مرکز شدیدتر، خواص ذرات بیولوژیکی را می‌توان مورد مطالعه قرار داد. در مقایسه با دیگر سانتریفیوژها، اولتراسانتفیوژها می‌توانند اجزای کوچک‌تری همچون ریبوزوم‌ها، پروتئین‌ها و ویروس‌ها را از یکدیگر جدا کنند. دلیل این امر، سرعت بالای این نوع از دستگاه‌ها است که به سرعتی تا $$70000\ RPM$$ نیز می‌رسند. علاوه بر این، درحالیکه میکرو سانتریفیوژها و سوپر سانتریفیوژها، ذرات را به صورت «دسته‌ای» (Batch) جدا می‌کنند، اولترا سانتریفیوژها می‌توانند ذرات را به دو شکل پیوسته و دسته‌ای از یکدیگر جدا کنند.

در کنار امکان خالص‌سازی، «اولترا سانتریفیوژ تحلیلی» (AUC) را می‌توان بمنظور تعیین خواص درشت‌مولکول‌ها همچون شکل، جرم، ترکیب و «کانفورماسیون» (Conformation) مورد استفاده قرار داد.

نمونه‌ها را با محلول‌هایی با چگالی بالا سانتریفیوژ می‌کنند. این محلول‌ها در زیر آورده شده‌اند:

• ساکاروز
• «سزیم کلرید» (Caesium Chloride)
• «یدیکسانول» (Iodixanol)

این نوع از محلول‌های چگال، یا با غلظت‌های یکنواخت در لوله آزمایش حضور دارند یا غلظت‌های متغیری دارند.

سانتریفیوژ گرادیان چگالی

این نوع از سانتریفیوژ به عنوان یکی از بهترین روش‌ها در جداسازی ذرات ذکر می‌شود. «سانتریفیوژ گرادیان چگالی» (Density Gradient Centrifugation) را می‌توان هم به عنوان روش جداسازی و هم به عنوان معیاری برای سنجش چگالی ذرات یا مولکول‌ها در مخلوط به کار برد. بعد از این فرآیند، ذرات موجود در لوله آزمایش به ترتیبِ چگالی در طول لوله قرار خواهند گرفت. بنابراین، ذرات با چگالی‌های متناظر خود در طول لوله مرتب می‌شوند.

با وجود همه موارد ذکر شده، گاهی اوقات، رسوب‌هایی ناخواسته را در طول این روش شاهد هستیم. اولین مساله بالقوه در این خصوص، تجمع ناخواسته ذرات است. البته وقوع این مشکل، در روش‌های دیگر نیز دیده می‌شود. مشکل دوم زمانی پیش می‌آید که قطرات محلول حاوی ذرات، ته‌نشین می‌شوند. این مشکل، خاصه زمانی پیش می‌آید که محلولی با لایه‌ای سوسپانسیون داشته باشیم و این محلول بر روی لایه‌ای چگال حرکت داشته باشد که در حالت، محلول، گرادیان چگالی کمی دارد یا بدون گرادیان است.

سانتریفیوژ افتراقی

اگر به صورت مداوم و در طول زمان مشخص، نیروی گریز از مرکز را در یک مخلوط افزایش دهیم، سانتریفیوژ افتراقی (تفاضلی) انجام داده‌ایم. این روش معمولا برای جداسازی «اندامک‌ها» (Organelles) و غشاهای سلولی استفاده می‌شود. اندامک‌ها به طور کلی در اندازه و چگالی با یکدیگر تفاوت دارند که به کمک سانتریفیوژ می‌توان آن‌ها را از یکدیگر جدا کرد.

سایر کاربردهای سانتریفیوژ

از دیگر کاربردهای سانتریفیوژ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• جداسازی پودر گچ از آب
• جداسازی چربی از شیر
• جداسازی ذرات از جریان هوا
• جداسازی اجزای اوره و خون در آزمایشگاه‌ها

روش‌های مرتبط با سانتریفیوژ

با وجود اینکه سانتریفیوژ، یکی از بهترین راه‌های جداسازی مواد به شمار می‌آید، اما روش‌های دیگری نیز وجود دارد که در صنعت و آزمایشگاه، همه روزه از آن استفاده می‌شود که از آن‌جمله می‌توان به فیلتراسیون، غربالگری، تقطیر، «سرریز کردن» (Decanting) و کروماتوگرافی اشاره کرد. نوع روش استفاده به خواص و حجم نمونه وابسته است.

فیلم آموزش شیمی معدنی ۱ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

تراز بودن سانتریفیوژ

در تصویر زیر، سانتریفیوژ سوسپانسیون سرب (II) یدید در آب نشان داده شده است. یک سانتریفیوژ می‌تواند تا ۱۰۰۰۰ دور در دقیقه چرخش داشته باشد بنابراین اگر دستگاه، تنظیم (تراز) نباشد، با لرزش همراه خواهد بود. همچنین اگر این عدم توازن، شدید باشد، با توجه به وزن زیاد دستگاه، ممکن است خسارات سنگینی را در اثر سقوط به بار آورد. برای جلوگیری از این اتفاق باید همواره دستگاه از نظری وزنی توازن داشته باشد به این معنی که حجم برابری از مایع در دو طرف سانتریفیوژ قرار بگیرد.

لازم به ذکر است که باید از لوله‌های آزمایش مخصوصی استفاده شود تا به خوبی در داخل دستگاه چفت شوند. با توجه به اینکه لوله‌های آزمایش به صورت زاویه‌دار شروع به چرخش می‌کنند، برای جلوگیری از خروج مایعات داخل لوله، نباید بیشتر از سه‌چهارم نمونه در داخل آن‌ها قرار بگیرد. در صورتی که تنها یک نمونه داشته باشیم، برای ایجاد توازن باید در طرف دیگر از آب با ارتفاع برابر استفاده کنیم. در یک زمان می‌توان بیش از یک نمونه را سانتریفیوژ کرد. تنها لازمه این کار،‌ داشتن حجم برابر از نمونه در طرف مقابلِ سانتریفیوژ برای ایجاد توازن است. حتی در شرایطی که هر جفت لوله آزمایش حجم برابر نداشته باشند نیز می‌توان سانتریفیوژ را انجام داد به شرط اینکه کل دستگاه به صورت متقارن، توازن داشته باشد.

راهنمای انجام سانتریفیوژ

برای انجام یک آزمایش سانتریفیوژ، کافی است تا درب دستگاه را ببندید و آن‌را روشن کنید. سرعت را در محدوده توان دستگاه خود تنظیم کنید. به طور معمول، این سرعت را در حدود ۸۰۰۰ هزار دور در دقیقه در نظر می‌گیرند. زمان را نیز بر اساس دستورالعمل آزمایش تنظیم کنید. با وجود اینکه دستگاه‌های سانتریفیوژ به سیستم ترمز مجهز هستند اما بهتر است تا از آن‌ها استفاده نشود چراکه ممکن است سبب ایجاد تنش در رسوبات شود. بنابراین، بعد از اتمام کار دستگاه، به آن فرصت دهید تا چرخش آن بدون ترمز تمام شود. در نهایت مواد جامد را به کمک سرریز کردن یا پیپت می‌توان از مایع جدا کرد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• آموزش مقدماتی شیمی تجزیه دستگاهی
• کروماتوگرافی چیست؟ — به زبان ساده
• فیلتراسیون در شیمی — از صفر تا صد

^^