Santrifüj Nedir? (Özellikleri, Çeşitleri)
Santrifüj, genellikle tıbbi emellerle kullanılan bir makinedir. Akışkan veya katı bir maddedeki parçacıkları ayrıştırır. Merkezkaç kuvvetin tesiri ile çalışır.
Santrifüj, sabit akslı, dairesel dönme hareketi yapan bir alettir. Laboratuvar teçhizatlarının bırakılmaz ve en kıymetli parçasıdır. Genellikle elektrikli bir motor desteğiyle çalışır. Merkezkaç kuvveti ilkeyi ile çalışır. Bu kuvvete, “santrifüj kuvveti” ismi de verilir. Katı veya akışkan maddelerdeki parçacıkları, yer çekimi ivmesinden daha büyük bir kuvvetle ve büyük süratle döndürerek ayrıma operasyonuna katlanan bir ilkeyle çalışır. Santrifüj aygıtları, motor büyüklükleri ve kullanıldıkları alana göre dakikada 10 ila 15 bin devirle çalışabilir. Ticari uygulamalar, astronomi, geoteknik modelleme, süt sanayisi, serum yapımı, süspansiyon ayrıştırma ve izotop ayırma gibi değişik harekâtlar için kullanılır. Santrifüjün çalışma ilkeyi, günlük yaşamda sık karşılaştığımız “merkezkaç kuvveti”dir. Çamaşır cihazları, çocuk parklarındaki bazı oyuncaklar bu ilkeyle çalışır. Öteki ayrıntıları yazımızda bulabilirsiniz.
Sütü kaymağından ayırmak için kullanılan manuel santrifüj aleti
Tarihi
Santrifüj aygıtının orijini, 18. asra kadar uzanıyor. İngiliz askeri mühendis Benjamin Robins, çekilmeyi tanımlamak için dönen kolu olan bir alet buluş etti. Bu alete eş bir alet, ilk olarak 1864 senesinde süt ayrıştırmak için kullanılmıştır. Antonin Prandtl, sütü kaymağından ayrıştırmak için ilk manuel santrifüj makinesini buluş etmiş ve kullanmıştır. Prandtl’ın kardeşi Alexander Prandtl, 1875 senesinde ağabeyinin tekniğini geliştirerek “yağ ekstraksiyon” aygıtı buluş etti. Laboratuvar civarında ilk santrifüj, 1869 senesinde Friedrich Miescher tarafından kullanılmıştır. İlk olarak sütü ayrıştırmak için kullanılan aygıtlar zaman geliştirildi ve günümüzde çağdaş laboratuvar uygulamalarında kullanılan ehemmiyetli ve bırakılmaz aygıtlar haline geldi.
“Santrifüj” sözcüğü, Fransızca “merkezkaç” anlamındaki “centrifuge” kelimesinin Türkçe okunuşudur. Latince “merkez” anlamındaki “centrum” ve “kaçış” anlamındaki “fuga” kelimelerinin birleştirilmesi ile türetilmiştir. “Orta yuvarlak, merkez” anlamındaki “santra” sözcüğü ile de iletişimli bir kelimedir.
Tanım
Santrifüj aletleri, değişik yoğunluktaki katı ve akışkanların parçacıklarını yoğunluklarına göre değişik süratlerde döndürme ve birbirlerinden ayrıştırılmalarını sağlar. Fantastik süratteki dönme hareketi, bir akışkan veya katıdaki hücreler, lökositler, bakteriler ve izotoplar gibi parçacıkları merkezkaç kuvveti desteğiyle ayrıştırma operasyonu yapar. Bir akışkan içindeki süspansiyon veya emülsiyon halindeki parçacıkları dahi ayrıştırabilir. Ayırma operasyonu, makinenin yüksek devirde dönmesine bağlıdır. Makinenin sağladığı dönme hareketinin sağladığı merkezkaç kuvveti, içindeki maddedeki yoğun veya daha ağır parçacıklara daha fazla kuvvet uygular ve öteki maddelerden ayrıştırır.
Santrifüj Parçaları
Laboratuvarlarda kullanılan santrifüj, yüksek yıka sahiptir. Elektrik motoru, elektronik sistem, kafes, çevirme mili, rotor, kapak ve bir odadan oluşur. Rotor, makinede dönen ünitedir. Ayrıca, motorun voltaj dayanağını değiştirerek süratini ayarlayan potansiyometreler bulunur. Rotorun sürati potansiyometre ile sağlanır; ancak yüksek süratte dönme sırasında tüplerin ağırlığına bağlı olarak rotorun sürati değişebilir. Rotorun üzerinde kovalar veya tüp seleleri bulunur. Operasyon sırasında tüplerin kırılmasını önlemek için yumuşak yastıkçıklar yer alır. Tüplerin büyüklüklerine uygun kısımlar vardır. Büyük santrifüj aygıtları, doğru akımlı elektrik motorları ile yüksek dönme momenti sağlar. Minik aygıtlarda, seçenek akımlı elektrik motorları kullanılır. Kutuplaşmış akımın geri dönmesi fren görevi görür ve motorun yavaşlaması sağlanabilir. Makinedeki hızölçerler, dönüş süratini veya dakikadaki devrini gösterir.
Çalışma İlkeyi
Santrifüj aygıtları, içerisindeki karışımların veya bileşiklerin çökelme ilkesine göre dağılmasını sağlar. Karışımdaki ağır maddeler, merkezkaç kuvveti desteğiyle tüpün altı kısmına çökelir pellet. Öteki bir ifadeyle dairesel hareketin dışına doğru kayar. Daha hafif maddeler ise, tüpün üst kısmına bir araya gelir. Başka Bir Deyişle, dairesel hareketin merkezine doğru yol alır. Süspansiyonlar ve emülsiyonların ayrıştırılması için ideal bir makinedir. Bu operasyona bir misal verecek olursak; santrifüj aygıtına konulan kandaki pıhtı makinenin altında, yağlar ortasında ve serum en üst kısmına bir araya gelerek basitlikle ayrıştırılabilir.
Santrifüjün içinde karışımların konulacağı su baskınalar vardır. Santrifüj operasyonu için özel tüpler kullanılır. Bu tüpler, makinenin içine simetrik olarak yerleştirilir. Makinenin devri ve kaç dakika döneceği, içindeki maddeye göre değişebilir. Uygun devir ve dakika ayarlanarak operasyon yapılır. Değişik veya sabit açılı santrifüj aygıtları bulunur. Değişik açılı santrifüjlerdeki tüpler makine çalışmadan dik konumdayken, motor çalışmaya başlayınca yatay pozisyona yanaşır. Bazı tasarımlarda da tüpler meyilli yataklara yerleştirilir. Bu modelde dönme esnasında tüpler açılarını korur başka bir deyişle sabit açılıdır.
Bir santrifüj, bir nesneyi sabit bir aks çevresinde rotasyona uğratan, dingile dik bir kuvvet uygulayan elektrik motoru ile çalışır. Parçacıkların yoğunluğu, biçimi, uygulanan kuvvet ve civarın yoğunluğu çökme süratini tesirler. Başka bir ifadeyle; tüpte bulunan maddelerin yoğunlukları ve büyüklüklerine göre çökme sürati değişir. Santrifüjün kütlesi; santrifüj kuvvetinin derecesi, çökelen parçacıkların kütlesi, dönmenin açısal sürati, dağılan parçacıkların merkezdeki dönme aksına olan uzaklığı gibi etmenlerin bir formülasyonu ile ortaya çıkar.
Makine çalışırken düz ve sağlam bir zeminde bulundurulması gerekiyor. Tüpler yerleştirilirken de balanslı olması ehemmiyetli bir detay. Balanssız tüpler veya uygun olmayan zemin makinenin titreşim yapmasına yol açar. Bu vaziyet, bazı riskli neticeler doğurabilir. Kimyevi maddeler için ayrıştırma operasyonunda santrifüjü kullanan bireyler, gözlük, eldiven, önlük ve maske gibi gözetici malzemeler kullanmalı.
Santrifüj Çeşitleri ve Cinsleri
Santrifüj aygıtları, kullanıldığı alanlara göre değişiklik gösterir. Aynı tekniğe dayalı değişik uygulamaları vardır. Aralarındaki temel farklar dönüş sürati devri ve rotor tasarımlarıdır.
En yaygın santrifüj aygıtları şunlardır;
Masaüstü santrifüjler: Araştırma laboratuarlarında sık kullanılan pratik bir makinedir. Akışkan etraftaki maddeleri yoğunluğuna göre ayırır ve konsantre haline getirir. Ağırlıklı olarak doku kültürü, protein çalışmaları, Deoksirübo Nükleik Asit ve RNA çalışmalarında kullanılır. Yerden tasarruf sağlayan ve masaüstünde kullanılabilecek ebatlardadır. Bir doku için uygulanan santrifüj operasyonunda evvel ufalanmamış hücreler, sonra sırasıyla hücre çeperi, çekirdek, mitokondri, lizozomlar, mikrozomlar ve ribozomlar çökelir.
Düşük süratli santrifüjler: Ağır parçacıkları çökeltmek için kullanılır. Süratleri 4 – 5 bin devir ortamındadır. Oda sıcaklığında kullanılabilirler. Sabit açılı veya kova tipinde açılan rotorları vardır. Tüpler, 10 ila 50 mililitre arasında değişebilir. Ağırlıklı olarak akışkanlardaki ve süspansiyonlardaki hücrelerin çökeltilmesinde kullanılır.
Yüksek süratli santrifüjler: Yüksek devirde çalışan ısı hakimiyetli aygıtlardır. Sıcaklığın ve sürat hakimiyetinin ehemmiyetli olduğu biyolojik uygulamalarda kullanılır. Dikey, sabit açılı ve açılan rotorlar kullanılır. Sabit açılı rotorlara 0,5 ila 1,5 mililitrelik 18 adet tüp konulabilir. Minik hacimli numuneleri veya maddeleri kısa vakitte çökeltebilir. Biyolojik ve kimyevi numuneler için orta veya yüksek süratli aygıtlar kullanılır. Nükleus, kloroplast gibi hücre organelleri; nükleik asitler ve proteinler gibi makromoleküler kimyevi uygulamalarda çökeltme operasyonu için ideal aygıtlardır.
Ultra santrifüjler: Karışık yapılı, kompakt santrifüjlerdir. Süratleri dakikada 10 ila 15 bin yıka erişebilir. Yüksek süratte çalıştıkları için rotoru ısınır. Soğutulması ve sürtünmenin önlenmesi için yüksek vakumda yakalanır. Muhtelif arızalara veya mil veya rotorun kırılma olasılığına karşı içleri çelikle kaplanmıştır. Numunelerin ağırlıklarının oluşturacağı balanssızlık neticeyi titreşimin hasarlarını yasaklamak için miller elastik malzemelerden yapılmıştır. Organeller ve moleküller gibi hücre bileşenlerinin saflaştırılması ve ayrıştırılması; saflaştırılmış makromoleküllerin analitik ölçümleri gibi harekâtlar için kullanılır.
Muayenehane santrifüjler: Kan hücreleri, plazma ve serum gibi beden akışkanlarının ayrıştırılması için kullanılan aygıtlardır. Kompakt santrifüjlerdir. Filtreleme, sedimantasyon ve sütun kromatografisi gibi bir hayli uygulama ve araştırma için muayenehane laboratuarlarda kullanılır.
Vakum santrifüjleri: İşlevli bir makinedir. Numunelerin konsantre edilmesi, çözülmesi veya çözücünün ayrıştırılması gibi harekâtlar için kullanılır. Akışkan çökeltileri kuru vaziyete veya ıslak bir çökelti halinde konsantre eder. Proteomik, genomik, hücre biyolojisi, mikrobiyoloji ve ilaç geliştirmede kullanılır. Bir vakum santrifüj konsantratörü, vakum, santrifüj kuvveti kullanır ve bazen akışkanı buğulaştırmak ve Deoksirübo Nükleik Asit, RNA, nükleotidleri ve öteki proteinleri konsantre hale getirmek için ısı veya gazları ayrıştırır. Vakum santrifüj konsantratörleri ısıtma veya gaz ayırma becerileri, sürat kapasitesi, ısı ve zaman ayarları ve hengame seviyesi gibi değişiklik gösterebilir.
Soğutmalı santrifüjler: Sıcaklığa duyarlı maddelerin ayrıştırılmasında kullanılır. Dönme operasyonunun ortaya çıkardığı ısının numunenin kimyevi yapısını bozmasını önlemek için ek bir soğutma kısmı bulunur. Canlı hücreler ve proteinlerin ayrıştırılması harekâtlarında kullanılabilen özelliktedir.
Mikrosantrifüjler: Laboratuvarlarda kullanılan aygıtlardır. Muayenehane araştırma ve akademik laboratuarlarda bırakılmaz bir vasıtadır. Deoksirübo Nükleik Asit, protein, kan veya öteki numuneleri ayırmak için kullanılır. Tezgâhlarda kullanılabilecek ebatlardadır. Programlanabilir hakimiyet sistemleri, rotor ebadı ve kapasitesi, rotor sürati ve suskun çalışması gibi değişik modelleri vardır.
Santrifüj pompa: Akışkanların çekilmesi için kullanılan bir pompa çeşididir. En ehemmiyetli kullanım alanı petrol ve su sondajlarıdır. Su tahliye harekâtlarında da kullanılmaktadır. Çark, salyangoz, difüzör ve salmastra ismi verilen parçalardan oluşur. Pompa çalışırken akışkan, çark merkezine çekilir ve santrifüj kuvveti sayesinde çark etrafında gezerek aktarılır.
İnsan santrifüjleri: Yüksek santrifüj simülasyonları için büyük santrifüjler kullanılabilir. Aygıtlar bir oda veya bina büyüklüğündedir. İnsan santrifüjleri test kaptanlarının eğitilmesi ve yerçekimi ile alakalı bilimsel araştırmalarda kullanılır. Bu tip santrifüjler lunaparklardaki büyük oyuncaklarda da kullanılabilir.
Endüstriyel santrifüjler: Kolloid bileşenlerini sütten kaymak ve tereyağı ayırma gibi, kimyevi uygulamalar, sondaj akışkanından katıları arınma, kurutma malzemelerini ayrıştırma ve su arıtımı gibi harekâtlar için kullanılır. Bazı endüstriyel santrifüjlerde ayırma operasyonu için sedimantasyon veya filtre kullanılır. Endüstriyel santrifüjler, metalleri dökmek ve kimyeviler hazırlamak için de kullanılmaktadır.
Merkezkaç Kuvveti ve Merkezcil Kuvvet Arasındaki Fark Nedir?
Santrifüj aygıtlarının çalışma ilkeyi olan merkezkaç kuvvet ile merkezcil kuvvet, birbiri ile karıştırılır; ancak birbirinden değişik iki kuvvettir. Merkezcil kuvvet, “hakikat bir kuvvet” iken, santrifüj veya merkezkaç kuvveti, “bariz bir kuvvet” olarak belirlenir. Başka bir tanıma göre de, bu iki kuvvet, “değişik kuvvetlerin tesir ettiği ters güzergahta aynı kuvvet” biçimindedir. Bu kuvvetlerin teknik tanımları şöyledir;
Merkezkaç Kuvvet: Newton kanunlarına uymayan ve “reelde olmayan” bir kuvvettir. Newton kanununa göre, bir cisme tesir eden kuvvet o cisme ivme kazandırır. Hareket eden bir cisim, üzerine rastgele bir kuvvet tesir etmediği sürece hareketine devam eder. Dairesel hareketle dönen bir sistemde duran cisimler, hareket başladığında dışa doğru kayma meyli gösterir. Başka Bir Deyişle merkezden dışa doğru ivme kazanır. Newton’a göre, bu cisme dışa doğru, ivme doğrultusunda bir kuvvet tesir eder. Reelde olmayan veya belirlenemeyen bu kuvvete “merkezkaç kuvveti” denir. Teknik bir ifadeyle merkezkaç kuvvet, “merkezcil kuvvetle denk veya karşı görünen kuvvet” olarak belirlenir.
Merkezcil Kuvvet: Dairesel hareket sırasında cismi yörüngede yakalayan kuvvettir. Sürat vektörünün büyüklüğünü değiştirmez, güzergahını değiştirir. Bu surattan merkezcil bir ivme oluşur. Merkezcil kuvvet ile merkezcil ivmenin doğrultuyu aynı merkeze doğrudur ve çizgisel sürate diktir. Rastgele bir kuvvet dairesel harekete neden olup merkezcil ivme oluşturuyorsa, merkezcil kuvvet alana kazanç. Teknik bir ifadeyle merkezcil kuvvet, “çarpıklık veya döndürme aksına yöneltilen çarpıksal harekette bir bedene tesir eden kuvvet bileşeni” olarak belirlenir.