Hvad centrifugering er, og hvorfor det bruges

Udtrykket centrifuge kan henvise til en maskine, der huser en hurtig roterende container for at adskille dens indhold med massefylde (substantiv) eller til brug af maskinen (verb). Centrifuger bruges ofte til at adskille forskellige væsker og faste partikler fra væsker, men de kan bruges til gasser. De bruges også til andre formål end mekanisk adskillelse.

Den moderne centrifuge sporer sin oprindelse til et spinderarmapparat designet i 1700-tallet af den engelske militæringeniør Benjamin Robins for at bestemme træk. I 1864 anvendte Antonin Prandtl teknikken til at adskille komponenterne i mælk og fløde. I 1875 raffinerede Prandtls bror, Alexender, teknikken og opfandt en maskine til udvinding af smørfedt. Mens centrifuger stadig bruges til at adskille mælkekomponenter, er deres anvendelse udvidet til mange andre områder af videnskab og medicin.

En centrifuge får sit navn fra centrifugal kraft—Den virtuelle kraft, der trækker spinde genstande udad.

Hvis spanden snurrer hurtigt nok, trækkes vandet indad og spildes ikke. Hvis spanden er fyldt med en blanding af sand og vand, producerer spinding den centrifugering. Ifølge sedimentering princip, vil både vand og sand i spanden blive trukket mod den ydre kant af skovlen, men den tætte sandpartikler vil bundfælde til bunden, mens de lettere vandmolekyler vil blive forskudt mod centrum.

Den centripetale acceleration simulerer i det væsentlige højere tyngdekraft, men det er vigtigt at huske på kunstig tyngdekraft er et interval af værdier, afhængigt af hvor tæt et objekt er på rotationsaksen, ikke en konstant værdi. Effekten er større, jo længere ud et objekt får, fordi det bevæger sig en større afstand for hver rotation.

Typerne af centrifuger er alle baseret på den samme teknik, men adskiller sig i deres anvendelser. De vigtigste forskelle mellem dem er rotationshastigheden og rotoren design. Rotoren er den roterende enhed i enheden. Rotorer med fast vinkel holder prøver i en konstant vinkel, svingende hovedrotorer har et hængsel, der gør det muligt for prøvefartøjer at svinge udad, når omdrejningshastigheden øges, og kontinuerlige rørformede centrifuger har et enkelt kammer snarere end individuel prøve kamre.

Adskillelse af molekyler og isotoper: Ekstremt højhastighedscentrifuger og ultracentrifuger roterer i så høje hastigheder, at de kan bruges til at adskille molekyler med forskellige masser eller endda isotoper af atomer. Isotopadskillelse bruges til videnskabelig forskning og til fremstilling af nukleart brændstof og nukleare våben. For eksempel kan en gascentrifuge anvendes til at berige uran, da den tungere isotop trækkes mere ud end den lysere.

I laboratoriet: Laboratoriecentrifuger roterer også i høje hastigheder. De kan være store nok til at stå på et gulv eller små nok til at hvile på en tæller. En typisk anordning har en rotor med vinklede borede huller til at holde prøve rør. Da prøverørene er fastgjort i en vinkel, og centrifugalkraften virker i det vandrette plan, partikler bevæger sig en lille afstand, inden de rammer rørets væg, så det tætte materiale kan glide ned. Mens mange laboratoriecentrifuger har rotor med fast vinkel, er roterende svinge-spand også almindelige. Sådanne maskiner anvendes til at isolere komponenter af ikke blandbare væsker og suspensioner. Anvendelser inkluderer adskillelse af blodkomponenter, isolering af DNA og oprensning af kemiske prøver.

High-Gravity Simulation: Store centrifuger kan bruges til at simulere høj tyngdekraft. Maskinerne er på størrelse med et værelse eller bygning. Menneskelige centrifuger bruges til at træne testpiloter og udføre tyngdekraftsrelateret videnskabelig forskning. Centrifuger kan også bruges som forlystelsesparkture. Mens menneskelige centrifuger er designet til at gå op til 10 eller 12 tyngdekrafter, kan ikke-menneskelige maskiner med stor diameter udsætte prøver for op til 20 gange normal tyngdekraft. Det samme princip kan en dag bruges til at simulere tyngdekraften i rummet.

Industrielle centrifuger bruges til at adskille komponenter af kolloider (som fløde og smør fra mælk) i kemisk fremstilling, rengøringsstoffer fra borevæske, tørringsmaterialer og vandbehandling for at fjerne slam. Nogle industrielle centrifuger er afhængige af sedimentation til adskillelse, mens andre adskiller materie ved hjælp af en skærm eller et filter. Industrielle centrifuger bruges til at støbe metaller og fremstille kemikalier. Differenstyngdekraften påvirker fasesammensætningen og andre egenskaber ved materialerne.

Hverdagsprogrammer: Mellemstore centrifuger er almindelige i dagligdagen, hovedsageligt for hurtigt at adskille væsker fra faste stoffer. Vaskemaskiner bruger centrifugering under centrifugering for at adskille vand fra tøj. En lignende enhed spinder vandet ud af badetøj. Salatspinnere, der bruges til at vaske og derefter spinde tør salat og andet greener, er et andet eksempel på en simpel centrifuge.

Mens centrifugering er den bedste mulighed til at simulere høj tyngdekraft, er der andre teknikker, der kan bruges til at adskille materialer. Disse inkluderer filtrering, sigtning, destillation, dekantering, og chromatografi. Den bedste teknik til en applikation afhænger af egenskaberne for den prøve, der anvendes, og dens volumen.