Vad centrifugering är och varför det används

Termen centrifug kan referera till en maskin som innehåller en snabbt roterande behållare för att separera dess innehåll med densitet (substantiv) eller med hjälp av maskinen (verb). Centrifuger används oftast för att separera olika vätskor och fasta partiklar från vätskor, men de kan användas för gaser. De används också för andra ändamål än mekanisk separering.

Den moderna centrifugen spårar sitt ursprung till en spinnarmsapparat designad på 1700-talet av den engelska militäringenjören Benjamin Robins för att bestämma drag. År 1864 använde Antonin Prandtl tekniken för att separera komponenterna i mjölk och grädde. År 1875 förfinade Prandtls bror, Alexender, tekniken och uppfann en maskin för att utvinna smörfett. Medan centrifuger fortfarande används för att separera mjölkkomponenter har deras användning expanderat till många andra vetenskapliga och medicinska områden.

En centrifug får sitt namn från centrifugalkraft

Om skopan snurrar tillräckligt snabbt dras vattnet inåt och spill inte. Om skopan är fylld med en blandning av sand och vatten, producerar snurrning den centrifugering. Enligt sedimentering principen att både vattnet och sanden i skopan dras till skopans ytterkant, men den täta sandpartiklar kommer att sätta sig till botten, medan de lättare vattenmolekylerna kommer att förskjutas mot Centrum.

Den centripetala accelerationen simulerar i huvudsak högre tyngdkraft, men det är viktigt att komma ihåg konstgjord tyngdkraft är ett värdeintervall, beroende på hur nära ett objekt är rotationsaxeln, inte en konstant värde. Effekten är större ju längre ut ett objekt får eftersom det rör sig ett större avstånd för varje rotation.

Typen av centrifuger är alla baserade på samma teknik men skiljer sig åt i olika tillämpningar. De viktigaste skillnaderna mellan dem är rotationshastigheten och rotor design. Rotorn är den roterande enheten i enheten. Rotorer med fast vinkel håller prover i en konstant vinkel, svängande huvudrotorer har ett gångjärn som gör att provkärlen kan svänga utåt när hastigheten av snurr ökar och kontinuerliga rörformiga centrifuger har en enda kammare snarare än individuellt prov kammare.

Separera molekyler och isotoper: Extremt centrifuger med hög hastighet och ultracentrifuger snurrar i så höga hastigheter att de kan användas för att separera molekyler med olika massor eller till och med isotoper av atomer. Isotopseparation används för vetenskaplig forskning och för att tillverka kärnbränsle och kärnvapen. Till exempel kan en gascentrifug användas för att berika uraneftersom den tyngre isotopen dras utåt mer än den lättare.

I labbet: Laboratoriecentrifuger snurrar också med höga hastigheter. De kan vara tillräckligt stora för att stå på ett golv eller tillräckligt små för att vila på en bänk. En typisk anordning har en rotor med vinklade borrade hål för att hålla provrör. Eftersom provrören är fixerade i en vinkel och centrifugalkraften verkar i det horisontella planet, partiklar rör sig ett litet avstånd innan de träffar rörets vägg, vilket gör att tätt material kan glida ner. Medan många labbcentrifuger har rotor med fast vinkel, är roterande svängande skopor också vanliga. Sådana maskiner används för att isolera komponenter av blandbara vätskor och suspensioner. Användningar inkluderar separering av blodkomponenter, isolering av DNA och rening av kemiska prover.

High-Gravity Simulation: Stora centrifuger kan användas för att simulera högvikt. Maskinerna har storleken på ett rum eller en byggnad. Mänskliga centrifuger används för att utbilda testpiloter och bedriva gravitationsrelaterad vetenskaplig forskning. Centrifuger kan också användas som nöjespark. Medan mänskliga centrifuger är utformade för att gå upp till 10 eller 12 tyngdkrafter, kan icke-mänskliga maskiner med stor diameter exponera prov för upp till 20 gånger normal tyngdkraft. Samma princip kan en dag användas för att simulera gravitationen i rymden.

Industriella centrifuger används för att separera komponenter av kolloider (som grädde och smör från mjölk), vid kemisk beredning, rengöring av fasta ämnen från borrvätska, torkmaterial och vattenbehandling för att avlägsna slam. Vissa industriella centrifuger förlitar sig på sedimentation för separering, medan andra separerar material med hjälp av en skärm eller filter. Industriella centrifuger används för att gjuta metaller och framställa kemikalier. Differentialtyngden påverkar faskompositionen och andra egenskaper hos materialen.

Vardagliga applikationer: Medelstor centrifuger är vanliga i vardagen, främst för att snabbt separera vätskor från fasta ämnen. Tvättmaskiner använder centrifugering under centrifugeringscykeln för att separera vatten från tvätt. En liknande enhet snurrar vattnet ur baddräkter. Salladspinnare, som används för att tvätta och sedan spinna torr sallad och andra grönsaker, är ett annat exempel på en enkel centrifug.

Medan centrifugering är det bästa alternativet för att simulera hög tyngdkraft, finns det andra tekniker som kan användas för att separera material. Dessa inkluderar filtrering, siktning, destillation, dekantering, och kromatografi. Den bästa tekniken för en applikation beror på egenskaperna hos provet som används och dess volym.