سانتریفیوژ چیست و چه کاربردی دارد

سانتریفیوژ چیست ؟

سانتریفیوژ یا گریزانه، دستگاهی است که اجزای مایعات، گازها و جامدات را بر اساس اختلاف چگالی آن ها بوسیله نیروی گریز از مرکز جدا می­‌کند. این جداسازی با چرخش سریع یک روتور( قطع ه­ای متحرک از سیستمی الکترومغناطیس که در موتور الکتریکی، آلترناتور و ژنراتور الکتریکی قرار می­‌گیرد.) حاوی لوله­ های نمونه حاصل می­‌شود. نیروی گریز از مرکز، موادی که سنگین تر هستند را به خارج از مرکز روتور هدایت می­‌کند.

این چرخش باعث می­‌شود مواد و ذراتی که تراکم بالاتری دارند در جهت شعاع به سمت بیرون حرکت کنند و در همان حین، موادی که از تراکم پایین تری برخوردارند جابجا شده و به سمت مرکز حرکت می­‌کنند اما در سانتریفیوژ آزمایشگاهی، شتاب شعاعی سبب می­‌شود ذرات متراکم ­تر به پایین لوله بروند. گاهی سانتریفیوژ می‌­تواند فیلتر مناسبی برای دور کردن آلودگی از بدنه اصلی مایعات نیز باشد.

اجزای سانتریفیوژ

مهم­ترین اجزای آن موتور الکتریکی، روتور، زمان­ سنح، شافت دستگاه، کنترل کننده سرعت، کلید و تاچومتر است که تعداد و میزان دور را تعیین می‌­کند.

اساس کار سانتریفیوژ

نمونه­ ها با سرعت معینی حول یک مرکز می­‌چرخند. نیرویی در نمونه­ ها و در جهت عمود بر مسیر چرخش و به سمت خارج از مرکز وارد می­‌شود که به نیروی گریز از مرکز معروف است.

سانتریفیوژ در بیشتر آزمایشگاه­ ها من جمله آزمایشگاه ­های دانشگاهی، تحقیقاتی و کلینیکی وجود دارد که برای تصفیه و جداسازی سلول­ ها، اندامک­ های درون سلولی، پروتئین­ها، اسیدهای نوکلئیک و ویروس­ ها استفاده می­‌شود.

البته سانتریفیوژهای دیگری نیز هست که محض کاربردهای صنعتی طراحی شده­اند اما در نهایت کاربرد تمامی آن­ ها یکسان و برای جداسازی اجزای مختلف مواد می­‌باشد.

بخش اصلی سانتریفیوژ، روتور است که ساختمان و سرعت چرخش آن، معیار مناسبی برای دسته ­بندی سانتریفیوژها می­‌باشد.

انواع سانتریفیوژها و کاربردها

سانتریفیوژ آزمایشگاهی : این مدل با سایزی کوچک تر اغلب برای جداسازی اجزای مختلف مواد بیولوژیکی یا شیمیایی استفاده ­شود که از یک روتور با حفره­ های زاویه­ دار برای نگهداری نمونه­ ها تشکیل شده­ است و انواع آن در ذیل مورد اشاره قرار می­‌گیرد.

از آنجا که مهم­ترین عوامل موثر در کارایی روتور، حداکثر سرعت چرخش (rpm)، حداکثر شعاع (r_max) و حداقل شعاع (r_min) می‌باشند که همگی در میزان نیروی گریز از مرکز و زمان سانتریفیوژ کردن تاثیر می‌­گذارند.

k فاکتور یا ضریبی است که این عوامل را به هم ربط داده و به کمک آن می‌توان زمانی که برای ته نشینی نمونه‌ها در لوله آزمایش مورد نیاز است را بدست آورد.

سانتریفیوژ با زاویه چرخش ثابت : این مدل فاقد قطعات متحرک است در نتیجه در معرض تنس کمتری قرار می­‌گیرد که این امر سبب ایجاد نیروهای گریز از مرکز بیشتر و زمان کمتر می‌­شود هرچند تنوع لوله ­­ها و ظروف نمونه در این مدل محدود است و نسبت به محور چرخش دارای زاویه­ای ثابت می­‌باشند که قرارگیری رسوب کاملا وابسته به همان زاویه است و این زاویه بین 25 تا 45 درجه متغیر است و طبعا هرچه این زاویه افزایش یابد رسوبات متراکم­تر بوده و پراکندگی کمتری خواهند داشت.

سانتریفیوژ با زاویه چرخش متغیر : برخلاف مدل بالایی، این سانتریفیوژ از تنوع ظروف با حجم­های مختلف 1 تا چند لیتر را به خاطر وجود آداپتورهای متنوع تر به ارمغان می­‌آورد.

در این مدل به دلیل متغیر بودن زاویه، تنش روتور افزیش می­‌یابد و وزن آن نیز بر روی میله­ ها و شیارها فشار اعمال می­‌کند درنتیجه نیروی گریز از مرکز کمتر و زمان سانتریفیوژ کردن بیشتر خواهد بود.

در زمان چرخش این روتورها، هنگام افقی بودن لوله ­ها، ذرات معلق به انتهای لوله هدایت شده و رسوب به شکل تک لای ه­ای و یکنواخت در همان جا ته نشین می‌­­شود. در پایان فرآیند، لوله­ ها به حالت عمودی بازگشته و رسوبات در انتهای لوله و محلول شفاف روی آنها قرار می­‌گیرد در نتیجه جمع آوری و تفکیک این رسوبات با رسوبات تشکیل شده دیواره، آسان­تر خواهد بود.

میکرو سانتریفیوژ : این مدل برای مطالعه مواد بیولوژیکی و سلول­ها در حجم­ های کوچک بین 0.5 تا 2 میلی متر استفاده می­‌شود. میکروسانتریفیوژ ها برای کاربردهای روتین آزمایشگاهی به طور معمول با سرعتی در حدود 16000xg  چرخش دارند، در حالی که برای کارکردهای تخصصی‌تر می‌توانند به سرعت‌های بالاتر نظیر 30000xg  نیز برسند.

سانتریفیوژ با سرعت زیاد : این سانتریفیوژ برعکس مدل میکروست و برای حجم­ های 10 میلی متر به بالا به کار می‌­رود. یکی از ویژگی­های این دستگاه، همراهی همزمان روتور با مبدل است که دسترسی به لوله­ های آزمایشگاهی را افزایش می‌­دهد.

سانتریفیوژ صنعتی : این نوع بیشتر برای تصفیه آب، خشک کردن رطوبت مواد و جداسازی اجزای کلوئید ها به کار می­رود که اساس کار آن ته نشینی و رسوب مواد می­‌باشد.

اولترا سانتریفیوژ : این دستگاه برای تحلیل و بررسی ذرات بیولوژیکی با استفاده از همان نیروی گریز از مرکز به کار می‌­رود. این سانتریفیوژ سرعت بسیار بالایی دارد و قادر است کوچکترین اجزا نظیر ریبوزیم ­ها، ویروس­ ها و پروتئین ­ها را نیز جدا کند. به عنوان یکی از کاربردهای اولترا سانتریفیوژ می­توان به جداسازی اجزای داخلی سرم­ های خونی برای کاهش کدورت آنها اشاره کرد.

برخلاف اینکه میکروسانتریفیوژها، ذرات به صورت دسته دسته  جدا می­‌کنند، اولترا می­‌توانند ذرات را هم پیوسته و هم ناپیوسته جدا کنند. علاوه بر امکان خالص سازی، اولترا سانتریفیوژ AUC را می­توان برای تعیین خواص درشت مولکول­ ها مانند جرم، شکل، ترکیب و کانفورماسیون به کار برد.

یک نوع از این مدل برای غنی سازی اورانیوم نیز انتخاب مناسبی است که برای استخراج و خالص سازی اورانیوم از سنگ معدن مورد استفاده قرار می‌­گیرد و به سانتریفیوژ گازی یا هست ه­ای معروف است.

سانتریفیوژ افتراقی : در این مدل به طور پیوسته و تدریجی و در بازه زمانی مشخص، نیروی گریز از مرکز افزایش می­‌یابد و کار آن جداسازی اندامک ­ها، غشاهای سلولی و میتوکندری­ ها (به طور کلی عصاره­های سلولی) می‌­باشد.

سانتریفیوژ گرادیان چگالی : این سانتریفیوژ یکی از بهترین مدل­ ها برای جداسازی ذرات است که با توجه به توضیحاتی که در بخش اول مقاله داشتیم معیار مناسبی برای سنجش چگالی مولکول­ ها در مخلوط نیز می‌­باشد و درنهایت نیز ذرات موجود، بر حسب مقدار چگالی­ شان در طول لوله قرار می‌­گیرند.

برخلاف شرایط گفته شده، گاهی اوقات، رسوب­ هایی ناخواسته ایجاد می‌­شوند که دلیل این مشکل، تجمع ناخواسته ذرات است. مشکل دیگر نیز ته نشینی قطرات محلول حاوی ذرات می‌­باشد که علت این به زمانی برمی­گردد که لایه محلول سوسپانسیون باشد و این محلول بر روی لای ه­ای که چگالی بیشتری دارد حرکت کند که در این حالت محلول، یا گرادیان چگالی کمی دارد و یا کلا بدون گرادیان می­‌باشد

سانتریفیوژهای یخچال دار : این مدل دستگاهی ایده آل برای نمونه­ های حساس به دما می­‌باشد. برای مثال این سانتریفیوژها در بررسی سلول­ های زنده جانوران یا پروتئین­ ها به کار می­‌روند. اکثر آن­ها دارای روتورها و آدابتورهای متغیر هستند تا طیف گسترده­ تری از نمونه در حجم 1 تا چند لیتر را در خود جای دهند. سرعت در این نمونه بسیار متفاوت است و ممکن است در برخی مدل­ ها به xg60000 نیز برسد.

سانتریفیوژهای خلا : این دستگاه نوع پیشرفته­ تری است و می­‌تواند هم از خلا و هم از نیروی گریز از مرکز، دما و گاز استفاده نماید تا حلال مایعات را برای درجه خالصی نمونه­ ها از بین ببرد. ( برای تبخیر و از بین بردن حلال ­ها از مکانیسم خلا با سیستم گرمایش استفاده می­‌شود) این نمونه برای تصفیه یا تهیه میکرومولکول­ ها، پروتئین­ ها، پپتید ها، اسید های نوکلئیک و دیگر ترکیبات به کار می­‌رود.

سانتریفیوژ های شست و شو دهنده سلول : از این مدل برای شست و شوی سلول­ های خونی در آزمایش کومیس یا تست آنتی گلوبولین که جهت شناسایی آنتی بادی­ های متصل به سطح گلبول قرمز گرفته می­‌شود مورد استفاده قرار می‌­گیرند. علاوه بر این، این دستگاه برای آزمایشاتی نظیر تعیین گروه خونی، سازگاری بدن قبل از تزریق و شناسایی فاکتور Rh استفاده می­‌شود.

سانتریفیوژ بالینی : این دستگاه برای تفکیک ترکیبات مختلف زیستی و در علم پزشکی مثل بررسی سلول‌ های خونی به کار می‌رود که انواع مختلفی نظیر سیتولوژی یا سلول شناسی و هماتوکریت دارد.

سیتولوژی : برای شکستن سلول­ها و مطالعات اجزای سلولی به ­کار می­رود مانند سلول­های مخاط رحمی.

هماتوکریت :  برای اندازه‌گیری هماتوکریت خون (نسبت حجم گلبول‌های قرمز به کل حجم خون) به کار می­روند.

از سری کاربردهای دیگر سانتریفیوژ می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

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

شرایط نگه­داری سانتریفیوژ

سانتریفیوژ ها از تجهیزات گران قیمت آزمایشگاهی هستند درنتیجه برای سالم نگهداشتن آنها باید نکاتی را رعایت کنیم:

اولین نکته نحوه تمیز کردن و ضدعفونی کردن آنها است که اگر به درستی انجام نشود می­‌تواند منجر به سایش یا خوردگی شود.

نکته بعدی نحوه آلودگی زدایی آنهاست که منظور همان ربودن خون، آلودگی محیطی یا محلولات مختلفی است که در درزها و لایه ­های سانتریفیوژ باقی مانده ­اند؛ که اگر به درستی پاک نشوند علاوه بر سایش، بیماری­ ها و خطراتی را برای کارکنان به ارمغان می­‌آورند.

در ادامه به دلیل گستردگی مطالب، به برخی نکات حائیز اهمیت فهرست­ وار اشاره می‌­نماییم:

• استریل کردن
• روغن کاری
• درنظر گرفتن مقاومت روتور در برابر ماده شیمیایی
• توجه به آئروسل­ ها

در نهایت متوجه شدیم سانتریفیوژ یکی از پراهمیت ­ترین دستگاه ­ها برای جداسازی ذرات و مولکول­ ها با تنوع بسیار بالا و کارایی­های گسترده می­‌باشد و شناخت نحوه کار و کارایی هرکدام از انواع آن، به افزایش طول عمر و بهره وری هرچه بیشتر منجر خواهد شد.

هرچند با وجود اینکه سانتریفیوژ یکی از بهترین متدها برای جداسازی اجزای مواد به شمار می­‌رود اما در صنعت روش ­های جایگزینی نظیر فیلتراسیون، غربالگری، تقطیر، سرریز کردن(Decanting) و کروماتوگرافی وجود دارد که این انتخاب بسته به خواص و حجم نمونه می­‌باشد.