آشنایی با انواع سانتریفیوژها و کارکردهای آنها

سانتریفیوژ یکی از روش های جداسازی است که در علوم شیمیایی، فیزیکی و زیست شناسی از آن استفاده می شود. در سانتریفیوژ بر مبنای نیروی گریز از مرکز می توان موادی که جرم بیشتری دارند را از موادی که دارای جرم کمتری هستند جدا کرد. از این روش اغلب برای جداسازی موادی که در حالت مایع و یا گاز هستند استفاده می شود. در ادامه قصد داریم درباره این روش، دستگاه های سانتریفیوژ، انواع آن و دیگر موارد مربوط به آن صحبت کنیم.

سانتریفیوژ چیست؟

سانتریفیوژ یکی از روش های جداسازی مواد از یکدیگر است. در سانتریفیوژ از نیروی گریز از مرکز استفاده می گردد و در حقیقت این نیرو باعث می شود ذراتی که جرم بیشتری دارند زودتر رسوب کنند. برای مثال اگر بخواهیم در یک محلول ماده A را از مادهB جدا کنیم و بدانیم که جرم مولکولی ماده A از ماده B بیشتر است، یکی از روش هایی که می تواند گزینه مناسبی برای ما باشد انجام عمل سانتریفیوژ و استفاده از دستگاه های سانتریفیوژ است.

آشنایی با نحوه عملکرد دستگاه های سانتریفیوژ

حالا که دانستیم این روش بر چه مبنایی عمل می شود بهتر است با دستگاه های مختلف و نحوه کارکرد آنها نیز آشنا شویم. طراحی یک دستگاه بر مبنای شعاع و تعداد دورانی که در یک دقیقه می تواند انجام دهد صورت می پذیرد. فراموش نکنید که در عمل سانتریفیوژ ذرات به خاطر نیروی گریز از مرکز است که از هم جدا می شوند. به همین خاطر است که در هنگام دوران، ذرات با جرم بیشتر نسبت به مرکز دستگاه در فاصله بیشتری قرار می گیرند و ذراتی که جرم کمتری دارند به مرکز دستگاه نزدیک تر خواهند بود. مطابق مثال قبل ماده A فاصله بیشتری از محور فرضی دستگاه خواهد گرفت و در نتیجه می توان آن را جدا کرد.

نحوه محاسبات در دستگاه های سانتریفیوژ

 نیروی گریز از مرکز با شعاع دستگاه و همچنین نیروی وارد آمده به آن رابطه مستقیم دارد. مبنای کار یک دستگاه سانتریفیوژ بر اساس نیروی سانتریفیوژ نسبی (RCF) سنجیده می شود. اگر ۲ دستگاه مختلف با ۲ شعاع متفاوت داشته باشیم؛ و بخواهیم با نیروی سانتریفیوژ نسبتی مساوی از آنها استفاده کنیم؛ در دستگاهی که شعاع آن کوچکتر است باید نیروی بیشتری به کار برد. به عبارتی باید تعداد دوران آن بیشتر باشد تا همان عملکردی را شاهد باشیم که در سانتریفیوژ با شعاع بزرگتر و تعداد دوران کمتر شاهد هستیم. همچنین مطابق با این فرمول می توان نتیجه گرفت هر چقدر که شعاع یک دستگاه سانتریفیوژ بزرگتر باشد، در نتیجه سرعت ته نشین شدن ذرات (رسوب کردن ذرات) در آن بیشتر خواهد بود. پس همین طور که شرح داده شد نحوه عملکرد یک دستگاه سانتریفیوژ دوران حول یک محور فرضی ثابت با استفاده از نیروی گریز از مرکز است. با استفاده از عمل سانتریفیوژ می توان محلول های مایع و یا گاز را جداسازی کرد.

سانتریفیوژهای آزمایشگاهی

یکی از کاربردهای دستگاه های سانتریفیوژ در آزمایشگاه های زیست شناسی، پزشکی و زیست مولکولی است. طراحی این دستگاه ها به این شکل است که با استفاده از یک الکتروموتور، یک نیروی دورانی در سیستم ایجاد می کنند و این نیروی چرخشی که حول یک محور ثابت فرضی انجام می شود، باعث ته نشین شدن مولکول ها و یا مواد بر مبنای جرم بیشتر به کمتر می شود. دستگاه های سانتریفیوژ آزمایشگاهی به ۲ صورت سانتریفیوژ معمولی و همچنین میکرو و یا هماتوکریت طراحی می شود.

تفاوت این دستگاه ها در شیوه دوران آنها است. در دستگاه سانتریفیوژ معمولی از گیره های نگهدارنده لوله های آزمایشگاهی استفاده می شود. و در دستگاه میکرو و یا همان هماتوکریت از یک دیسک و یا صفحه گرد برای دوران لوله های آزمایشگاهی کمک گرفته می شود. لوله های آزمایشگاهی در جایگاه هایی که برایشان در نظر گرفته شده است فیکس می شوند. انجام عمل سانتریفوژ در آزمایش ها به شخص کمک می کند تا محلول های سوسپانسیونی را جدا کند، و یا حتی برای جداسازی ۲ نوع مایع با تراکم های متفاوت از این عمل سود ببرد. این مایعات ممکن است از هر نوعی باشد، از جمله ادرار، خون و یا حتی سموم.

چگونگی محاسبه نیروی سانتریفیوژ نسبی RCF

برای محاسبه نیروی سانتریفیوژ نسبی یک رابطه مشخص وجود دارد. همینطور که گفتیم نیروی سانتریفیوژ نسبی با شعاع دستگاه و همچنین سرعت چرخش دستگاه رابطه مستقیم دارد. مقادیر مورد استفاده در این فرمول این موارد است:

۱- شعاع سانتریفیوژ r: شعاع دستگاه سانتریفیوژ که بر مبنای سانتی متر استفاده می شود و در حقیقت فاصله کناره دستگاه است از محور مرکزی لوله که گاه به صورت فرضی در نظر گرفته می شود.

۲- سرعت چرخش دستگاه سانتریفیوژ RPM: سرعت چرخش دستگاه بر مبنای تعداد دور در یک دقیقه ( rate per minute) در نظر گرفته می شود.

یکی دیگر از راه های محاسبه نیروی سانتریفیوژ نسبی RCF استفاده از نمودارهای رسم شده است.

آشنایی با انواع سانتریفیوژ

دستگاه های سانتریفیوژ کننده بر پایه کاربردی که از آنها انتظار می رود طراحی می شوند. به همین خاطر این دستگاه می تواند طراحی های متفاوتی داشته باشد. ولی مهمترین دستگاه هایی که امروزه استفاده می شود، موارد زیر است.

دستگاه سانتریفیوژ Fixed angle / Angle head – همراه با با زاویه ثابت

یکی از پرکاربردترین دستگاه های سانتریفیوژ آزمایشگاهی همین نوع است. در این سانتریفیوژ لوله های آزمایش در یک زاویه مشخص فیکس می شوند و در هنگام دوران دقیقا با همان زاویه دوران می کنند. سرعت دوران می تواند مقادیر بالایی باشد. زاویه قسمت بالایی لوله آزمایش نسبت به دستگاه معمولا بین ۲۵ تا ۴۰ درجه است. در این دستگاه، رسوبات به شکلی زاویه دار در لوله ته نشین خواهد شد و اصطلاحا آن را رسوب LOOSE می گویند. (تصویر ۷)

دستگاه سانتریفیوژ Horizontal head / Swimming bucket/ Vertical access – با زاویه افقی

در این مدل از جا لوله هایی استفاده می شود که متحرک هستند و در زمان سانتریفیوژ زاویه آنها از حالت عمودی به حالت افقی تغییر می کند. در این حالت رسوبات در انتهای لوله تشکیل می شود و بسیار محکم خواهد بود. اصطلاحا این نوع رسوب را FIRM می گویند.

دستگاه سانتریفیوژ Ultra Centrifuge

اولترا سانتریفیوژ یکی دیگر از دستگاه های آزمایشگاهی است که البته می توان گفت زیرمجموعه همان مدل اول به حساب می آیند. با این تفاوت که در اینجا سرعت چرخش بسیار بالاتر است و گاه به ۲۰۰٫۰۰۰ دور در دقیقه نیز می رسد. از اولترا سانتریفیوژ می توان برای جداسازی لیپوپروتئین ها، ضمائم سلولی، رسپتور اسی ها استفاده کرد و همچنین می توان برای زدودن کدری سرم ها و یا آزمایش های اندازه گیری الکترولیتی بهره برد. همچنین تست های آزمایشگاهی زیادی با استفاده از دستگاه اولترا صورت می گیرد.

تولید گرما در سانتریفیوژها

نکته ای که در کار با دستگاه حائز اهمیت است، این است که در هنگام کار، به خاطر دوران سریع و کار کردن موتور دستگاه، گرما تولید می شود؛ که این گرمای تولید شده گاهی می تواند برای تست آزمایشگاهی مضر باشد. به طور کلی می توان گفت به ازای هر ۱۰ دقیقه کار یک دستگاه حدود ۵ درجه سانتیگراد دمای محلول افزایش می یابد. البته این میزان بستگی به سرعت دوران دستگاه (RPM) نیز دارد. همچنین نوع طراحی موتور دوران (rotor) نیز روی حرارت تولیدی در دستگاه تاثیر می گذارد. این حرارت تولید شده به خاطر دوران سریع، گاه باعث تبخیر محلول می شود و موجب همولیز شدن آن می گردد. به همین خاطر در مواقعی که گرما می تواند روی آزمایش تاثیر بگذارد، بهتر است از دستگاه های سانتریفیوژی استفاده شود که به یخچال مجهز هستند. از جمله این آزمایش ها می توان به آزمایش های خونی و آزمایش RIM اشاره کرد.

نکات ضروری هنگام کار با دستگاه سانتریفیوژ

هنگام استفاده از یک دستگاه نکاتی وجود دارد که باید آنها را رعایت کرد. از جمله مواردی که در ادامه ذکر کرده ایم.

1. ز دستگاه باید در حالت کاملا افقی استفاده کرد. تا در زمان استفاده به خاطر نداشتن تعادل دستگاه از جای خود حرکت نکند. ضمن اینکه لازم است دستگاه روی سطحی مسطح و محکم قرار داده شود.
2. در هنگام استفاده از دستگاه مراقب بالانس بودن دستگاه باشید. بالانس کردن دستگاه طول عمر آن را افزایش می دهد. اگر تعداد لوله آزمایش های شما فرد است بهتر است از یک لوله حاوی آب کمک بگیرید.
3. در دستگاه های میکرو و یا هماتوکریت، نیازی نیست زیاد روی مسئله بالانس حساسیت به خرج دهید. زیرا در این مدل ها وزن پایه و موتور دستگاه بسیار زیاد است و در مقابل وزن لوله های آزمایش قابل چشم پوشی خواهد بود.
4. از پیچ های تنظیم سرعت و زمان دوران به دقت استفاده کنید و این عمل را به آهستگی انجام دهید.
5. اگر هنگام کار با دستگاه از آن صداهای غیرعادی شنیدید به سرعت آن را خاموش کنید.
6. پس از هر بار استفاده از دستگاه، آن را کاملا تمیز کنید.
7. لازم است ذغال، برس ها و دیگر قسمت های دستگاه هر ۳ ماه یک مرتبه سرویس شود و در صورت نیاز تعویض گردد.
8. برای تمیز کردن نواحی زنگ زده، ابتدا آن را تراشیده، با استفاده از گازوئیل تمیز کنید و سپس رنگ بزنید.
9. اگر هنگام کار با دستگاه سانتریفیوژ، یکی از لوله ها دچار شکستگی شد، به سرعت دستگاه را خاموش کنید، پنجره های اتاق را باز کنید، محل را فورا به مدت ۱۵ تا ۲۰ دقیقه ترک کنید. پس از آن با استفاده از ماسک به اتاق برگردید و با دستکش و مواد ضدعفونی کننده مناسب (مثلا گلوتار آلدهید یک درصد) دستگاه را تمیز و ضدعفونی نمایید. در هنگام شکستن ظرف ذرات آئروسل بزرگ در فضا پخش می شود. و به همین خاطر باید صبر کرد تا ته نشین شوند و با هوا رقیق شوند.
10. هرگز از یک دستگاه در حالتی که درب آن باز است استفاده نکنید. ضمن اینکه پس از اتمام سانتریفیوژ تا ۲ الی ۳ دقیقه درب آن را باز نکنید. استفاده از دستگاه های قفل دار پیشنهاد می شود.
11. برای دوران از سرعت های بالا و غیر ضروری استفاده نکنید.

دسته بندی دستگاه های سانتریفیوژ

دستگاه های سانتریفیوژ آزمایشگاهی را بر مبناهای متفاوتی می توان دسته بندی کرد. از جمله بر مبنای سرعت دستگاه، بر اساس قدرت شناور، زاویه دوران و محور دوران. در ادامه به طور مختصر هر کدام از این دسته بندی ها مورد بررسی قرار گرفته اند.

دسته بندی بر اساس سرعت دوران

دستگاه های سانتریفیوژی را می توان بر اساس سرعت دوران به ۳ دسته زیر تقسیم بندی کرد:

1. سانتریفیوژهای با سرعت بالا
2. سانتریفیوژهای با سرعت کم
3. سانتریفیوژهای اولترا

که دستگاه های با سرعت بالا، سرعت دور آنها بین ۲۱٫۰۰۰ تا ۲۴٫۰۰۰ دور در دقیقه است و می تواند تا حدود ۳۰٫۰۰۰ دور در دقیقه برسد. استفاده این مدل اغلب برای تهیه فرآورده های خونی است و به همین خاطر دارای یخچال نیز هستند. دستگاه های با سرعت بالا خود به ۲ دسته تقسیم بندی می شوند که عبارتند از دستگاه های کم ظرفیت و دستگاه های پر ظرفیت.

در دستگاه های با سرعت کم، دوران دستگاه بین ۲۰۰۰ تا ۶۰۰۰ و نهایتا ۸۰۰۰ دور در دقیقه است. از این مدل بیشتر مواقع برای جداسازی سلول های خونی و ذرات بزرگ استفاده می شود.

در سیستم های اولترا، دوران دستگاه ها می تواند تا حدود ۱۲۰ دور در دقیقه نیز برسد. از اولترا سانتریفیوژها برای جداسازی مواد درون سلولی استفاده می شود. و معمولا دارای یخچال هستند. از این سیستم ها بیشتر مواقع در مراکز تحقیقاتی استفاده می شود.

دسته بندی بر اساس شناور، زاویه ثابت دستگاه و محور دوران

• سانتریفیوژهای شناور

این نوع از دستگاه های جداکننده، در ابتدا وضعیت لوله ها نسبت به زمین حالت عمودی دارد و پس از شروع دوران سیستم، وضعیت آنها به صورت افقی در می آید. به همین خاطر است که به آنها شناور گفته می شود. در این مدل، ذرات معلق به سمت انتهایی لوله آزمایش می روند و در نتیجه رسوبی محکم در انتهای لوله تشکیل می شود.

• سانتریفیوژهای با زاویه ثابت

در این مدل لوله های آزمایش در زاویه مشخصی نسبت به زمین قرار داده می شود که این زاویه بین ۲۵ تا ۴۰ درجه خواهد بود. هرچه زاویه لوله نسبت به افق بیشتر باشد رسوب تشکیل شده به انتهای لوله آزمایش نزدیک تر خواهد بود. در دستگاه های زاویه ثابت، به این خاطر که طراحی سیستم به آن اجازه می دهد تا با سرعت بیشتری دوران داشته باشد، در نتیجه میزان رسوب دهی بیشتر از حالت شناور است.

• سانتریفیوژهای محوری

در این مدل، برخلاف دستگاه های معمولی دوران به صورت عمودی انجام می شود. از مدل های محوری برای آزمایش های بالینی استفاده می شود. در این مدل ذرات معلق محلول که اغلب سلول های خونی است به سمت محیطی لوله آزمایش فرستاده شده و جدا می شود. سرعت جداسازی در این دستگاه ها بسیار سریع است و در کمتر از ۷۰ ثانیه انجام می گیرد.

مقایسه دستگاه های سانتریفیوژی

برای مقایسه چند دستگاه سانتریفیوژ از RCF یا همان نیروی سانتریفیوژی نسبی استفاده می شود. RCF نشان دهنده قدرت دستگاه در جداسازی ذرات است. RCF با توجه به اینکه در زمان چرخش شعاع دوران در نواحی متفاوت لوله آزمایش متفاوت است، می تواند مقادیر مختلفی داشته باشد؛ و این میزان برای نواحی پایین تر بیشتر از نواحی بالایی لوله است.

عمل جداسازی به ۳ شکل کلی انجام می شود:

1. رسوب زنی تمایزی
2. بر اساس سرعت منطقه ای
3. رسوب دهی ایزوپیکنیک

در رسوب زنی تمایزی، تمام ذرات به شکل یکنواخت در محلول پخش هستند. و در هنگام دوران بر اساس جرم ذرات جداسازی انجام می شود. در روش رسوب دهی سرعت منطقه ای، میزان جداسازی مواد به سرعت نسبی بخش های مختلف لوله آزمایش بستگی دارد. در روش ایزوپیکنیک جداسازی ذرات بر اساس دانسیته مواد موجود در محلول انجام می شود.

اجزای مهم یک دستگاه سانتریفیوژ

مهمترین اجزای شکل دهنده یک دستگاه سانتریفیوژ عبارتند از موارد زیر:

• موتور الکتریکی دستگاه
• روتور دستگاه
• زمان سنج
• شافت دستگاه
• سر روتور
• کلید روشن و خاموش کردن
• کنترل گر سرعت دستگاه
• تاچومتر که میزان دور را مشخص می کند.

روش نگهداری از دستگاه سانتریفیوژ

برای نگهداری مناسب از یک دستگاه سانتریفیوژ باید نکاتی را مد نظر قرار داد. و دستورالعمل هایی را رعایت کرد تا عمر دستگاه افزایش یابد. از جمله این موارد که در ادامه ذکر شده اند:

• استفاده از پیچ های تنظیمی و به خصوص پیچ سرعت باید به آهستگی صورت بگیرد.
• اگر تعداد دفعات استفاده از دستگاه زیاد است باید به طور روزانه دستگاه را با استفاده از محلول رقیق شده یک مولار هیپوکلریت سدیم شستشو داد.
• باید دستگاه را هر ۳ ماه یکبار سرویس کرد و نسبت به سالم بودن قطعات آن اطمینان حاصل کرد.
• با استفاده از یک کرنومتر دستی لازم است هر ۳ ماه یکبار زمان سنج دستگاه را کالیبره کرد.
• با استفاده از یک تاکومتر باید سرعت دوران دستگاه را هر ۳ ماه یکبار کالیبره کرد.

نکات ایمنی دستگاه های سانتریفیوژ

برخی نکات ایمنی وجود دارد که زمان استفاده از یک دستگاه باید به آن توجه داشت. از جمله اینکه:

• هرگز نباید از یک سیستم به حالت در باز استفاده کرد.
• سرعت دستگاه را باید به تناسب کار مورد نیاز تنظیم کرد و نه بالاتر از حد لازم.
• اگر صداهای غیرعادی از دستگاه شنیده شد باید آن را خاموش کرد و توازن دستگاه و روتور آن را چک کرد.
• در دستگاه هایی که قفل اتوماتیک دارند قبل از استفاده باید از سالم بودن قفل آن اطمینان حاصل کرد.
• لازم است قبل از استفاده، از سالم بودن لوله های آزمایش اطمینان حاصل کرد.
• از سانتریفیوژ کردن لوله های بدون سرپوش باید خودداری کرد.
• اگر لوله ای در هنگام آزمایش شکست و یا اینکه مشکوک به شکستن بود، باید دستگاه را خاموش کرد و پس از ۳۰ دقیقه موارد لازم را انجام داد.
• اگر کالیبراسیون دستگاه قابل پذیرش نباشد نباید از آن استفاده شود و بهتر است برای بررسی به شرکت سازنده فرستاده شود.