Santrifüj , Santrifüjlerin Kullanım Alanları ve Sınıflandırılması

SANTRİFÜJ

Santrifüj, kesintisiz merkezkaç kuvvet üreten aygıtların ortak adıSantrifüjler yerçekimi kuvvetinin yerini alan,ondan daha büyük benzer bir kuvvet üretirKullanım amacına göre tasarımlanmış değişik santrifüj tipleri bulunmakla birlikte ,hepsinde döner bir çanak vardırÖrneğin,suyu dışarı atmak için üzerine delikler açılmış döner bir kazandan oluşan çamaşır kurutma makineleri de bir tür santrifüjdürSanayide,öğütme sonrasında katı malzemenin akışkanlardan ayrılması içinde benzer türden santrifüjler kullanılır

Santrifüjlerden çanak,kazan ya da rotor denen döner kabı,elektrik motoru ya da yüksek hızlı tiplerde olduğu gibi hava türbini yardımıyla ,çoğunlukla sabit bir eksen çevresinde döndürülürMil ve yataklardaki titreşimi ve gerilimleri en aza indirmek için,yüklü rotorun iyi dengelenmiş olması gerekiryani,toplam kütle dönme ekseni çevresinde ,tüm kuvvetlerin bileşkesi sıfır olacak biçimde dağıtılmaktadırYataklar büyük hızlara dayanacak yapıdaysa ve yatakların sürtünme direncini yenmeye yeterli düzeyde güç sağlanıyorsa,iyi dengelenmiş bir rotorun hızını sınırlayan tek etmen,rotorun yapıldığı malzemenin kopma dayanımıdır

örneğin,çeşitli biyoloji araştırmalarında kullanılan ve büyük hızlar için özel olarak tasarımlanmış 15 cm çapındaki bir rotorun olağan çalışma koşullarındaki sınır hızı dakika da 60 bin devirdirBelirli bir rotorun kopmadan ulaşabileceği maksimum açısal hız rotorun çapıyla ters orantılıdırBu nedenle,birininçapı diğerininkinin yarıs kadar olan iki rotordan daha küçük çaplı olanı,diğerine giri iki kat daha büyük bir açısal hızla döndürülebilir ve bu rotorun çeperinde iki kat daha fazla merkezkaç kuvvet üretilebilir



Santrifüjlerin en yaygın kullanıldığı alanlar,akışkanlar içinde çözünmüş durum da ya da asıltı halinde bulunan malzemelerin yoğunlaştırılması ve arıtılması işlemleridirAsıltı halindeki parçacıklardan ,asıltı sıvısından daha yoğun olanlar kabın çeperine doğru,daha az yoğun olanlar ise kabın merkezine doğru hareket etme eğilimindedirBu göçün hızı,merkezkaç alanının şiddetine,asıltı parçacıkları ile asıltı sıvısı arasındaki yoğunluk farkına,sıvının ağdalılığına ,parçacıkların büyüklüğüne ve biçimene ve bir ölçüde de parçacıkların derişikliğne ve elektriksel olarak yüklenme derecelerine bağlıdırParçacığa gerçek devinimini kazandıran net kuvvet,parçacığın üzerinde etkiyen merkezkaç alanı ile sıvının buna karşı koyan taşıma kuvveti arasındaki farka eşittirTüm diğer koşullar aynı olmak kaydıyla ,birinin çapı diğerininkinin 10 katı olan iki parçacıktan küçük olanının,büyük parçacıkla aynı uzaklığı aynı sürede alabilmesi için,ortalama merkezkaç alanının 100 katı daha büyük bir etki altında bulunması gerekir

Santrifüjler,ayrıştırılacak malzemenin içine konduğu döner çanağın delikli,deliksiz ya da bu ikisinin bir karışımı biçiminde olmasına göre üç genel grupta toplanabilirAyrıca,işlemin kesikli,sürekli ya da bu ikisinin bir karışımı biçiminde olmasına göre de sınıflandırılabilir

ŞİŞELİ SANTRİFÜJLER

Çoğunlukla araştırma,deney ve denetim amacıyla kullanılan şişeli santrifüjler,kesikli işlemli ayırıcılardırAyırma işlemi,dikey bir mil üzerine bakışımlı biçimde yerleştirilen "şişe tipi" deney tüplerinde gerçekleştirilirAygıtın mili,elektrik motoru ,gaz türbini ya da rotorun üstüne ya da altına yerleştirilmiş ve elle çevrilebilen bir dişli dizisi yardımıyla döndürülürŞişeler ya da tüpler,eksenlerinin dönme eksenine dik kalmasını sağlamak amacıyla çoğunlukla metal kapların içine yerleştirilirÇökelme,radyal doğrultuda ( merkezden dışarı doğru) gerçekleşirBazı şişeli santrifüjlerde ise deney tüpleri,çökelmesi istenen maddenin daha az yol almasını sağlamak amacıyla dönme eksenine göre yaklaşık eğik yerleştirilir

Şişeli santrifüjler biyoloji ,kimya ve tıp laboratuvarlarının standart aygıtlarındandırBu aygıtlar asıltılardaki katı malzemelerin ayrılması ya da çökelmenin salt yerçekimi alanının ( G) etkisiyle makul bir sürede gerçekleşemeyeceği durumlarda sıvıların durulaştırılması işlemlerinde kullanılırŞişeli santrifüjlerin etki gücü,birkaç G'den ,on binlerce G'ye kadar değişirSanayide,sütten yağ eldesinde,ham mineral ve bitkisel yağlar içindeki tortulların belirlenmesinde ve çeşitli klinik deneylerinde bu tip santrifüjlerden yararlanılır



BORU SANTRİFÜJLER

Boru santrifüjler, çoğunlukla ,sıvıların sıvılardan ya da çok ince parçacıkların sıvılardan kesintisiz biçimde ayrılması işlemlerinde kullanılır: ayrıca kesikli işlemli tipleri de vardırBoru santrifüjler genellikle,ayırma işlemi için büyük merkezkaç alanlarının gerekli olduğu uygulamalarda kullanılırBu aygıtların döner çanağı,çizim 1'de görüldüğü gibi uzun ( çapının birkaç katı) ve içi boş bir borudan oluşurSürekli işlemde,ayrıştırılacak malzeme eksene yakın bir uçtan içeri beslenirve ayrılan bölümler iki ayrı çıkış ağzından dışarı alınırÇoğu kez ayırma işlemi bir kerede tamanlanmaz ve bu nedenle ayrılan bölümler tekrar santrifüjden geçirilirişlem istenen oranda bir ayrıştırma elde edilene değin yinelenebilirDöner boru çok değişik biçimlerde olabilirama,beslemenin hızlandırılabilmesi ve ayrıştırılmış malzemelerin dışarı alınmadan önce yavaşlatılabilmesi için çoğunlukla radyal kanatçıklar kullanılırSantrifüjde hareket,yüksek devirli bir motor ya da hava yada buhar türbini tarafından sağlanırÇökelme,akışkan tüpün bir ucundan diğerine doğru akarken gerçekleşirAğır malzeme çok ince parçacıklardan ya da moleküllerden oluşuyorsa ve derişiklik çok düşükse,katı malzeme çeper üzerinde biriktirilirBu durumda makine kesikli işlem santrifüjü olarak çalıştırılır

Tüp biçimli sanrtifüjlerle oldukça yüksek merkezkaç alanları elde edilebilmektedirbu nedenle bu aygıtlar giderek daha yaygın olarak kullanılmaya başlamıştırÖzellikle aşıların arıtılması ( santrifüjlenmemiş aşılarda önemli miktarda yabancı ve zararlı madde bulunur) sanayi ve yağlama yağlarının arıtılması; uçucu yağlar,özütler ve meyve suları gibi gıda maddelerinin arıtılması ve durulaştırılması,yerçekimiyle ayrıştırılamayan sıvıların ayrıştırılması gibi işlemlerde boru santrifüjlerden yararlanılır

DİSK TİPİ SANTRİFÜJLER

Disk tipi santrifüjler,üst üste yerleştirilmiş,ince,konik disklerden oluşurÇökelme,bitişik koniler arasındaki boşlukta radyal doğrultuda derçekleşirBu tasarımçökelme uzaklığını önemli ölçüde azaltır ve malzemenin ayrışma hızını artırırKonilerin açısı,koninin iç yüzeyine ulaşan daha ağır malzemelerin yüzey boyunca ,şişe santrifüjin eğimli yüzeyinde olduğu gibi aşağı kaymasını olanaklı kılacak biçimde tasarımlanır

Disk tipi santrifüjler çoğunlukla sürekli olarak çalıştırılırİşlenecek malzeme tek bir ağızdan beslenir ve arıtılmış ayrı akıntılar biçiminde iki ağızdan dışarı alınırBu tür santrifüjler temel olarak katı ya da karışamaz bileşenlerinin derişikliği oldukça düşük olan sıvıların ayrıştırılmasında kullanılırÖrneğin kaymağı sütten ayırmakta kullanılan kaymak makineleri disk tipi santrifüjlerdirYağyakıtın arıtılmasında kullanılmış motor yağlarının arıtılması sırasında oluşan sabun birikintilerinin atılmasında da bu tip santrifüjlerden yararlanılır






Kaynak;AnaBritannica cilt 27 sayfa 156-157 frmsinsicom için derlenmiştir

SEPET SANTRİFÜJLER

Sepet santrifüjlere santrifüj filtreleri ya da temizleyicileri de denirBunların silindirik boru biçimindeki rotorlarının çeperleri deliklidirÇanak çeperinin iç yüzeyine genellikle tel ya da bez bir süzgeç ya da kalından ince aralıklıya doğru bir dizi süzgeç yerleştirilirSıvı bu süzgeçin arasından geçer ve süzgecin gözeneklerinden geçemeyen parçacıklar çökelirSepet santrifüjler,şeker üretiminde ,evlerde ve çamaşırhanelerde çamaşırların hızlı kurutulmasında ve çeşitli kristallerin ve lifli malzemelerin yıkanıp kurutulmasında kullanılır

VAKUMLU SANTRİFÜJLER

Yukarda anlatılan santrifüjlerde rotor,havanın ya da atmosfer basıncındaki diğer bazı gazların içinde dönerDönme hızı arttıkça rotorun üzerindeki gaz sürtünmesi arttığından ,rotoru döndürmek için gerekli güç gereksinimi de artarSonuçta rotor hızla ısınır,bazı durumlarda sıcaklık suyun kaynama noktasını bile aşarRotorun dış çeperine yakın noktaları,eksene yakın noktalara oranla daha hızlı hareket ederbu yüzden de daha çok ısınırve bu da,rotor duvarında yarıçap boyunca bir sıcaklık gradyanı oluşurBu küçük radyal sıcaklık ( ısı taşınımı) yol açarak çökelmeyi bozabilir ve ayrışan bileşenlerin yeniden karışmasına neden olabilir

Rotorun,havası boşaltılmış bir bölmede döndürülmesiyle,hava direncinin santrifüj içinde neden olduğu ısı artışı ve konveksiyon sorunları engellenebilirHava direncinin ortadan kaldırılmasıyla daha az enerji harcayarak daha yüksek dönme hızlarına ulaşılabilirVakumlu santrifüjlerin en çok kullanılan türü,dakikada yaklaşık 20000 devirden daha büyük dönme hızlarına ulaşabilen,ultrasantrifüjdürÇizim 2'de görülen ultrasantrifüjde rotor,vakum bir ortama yerleştirilmiş ve dikey,ince esnek bir çelik mil aracılığıyla bir hava türbinine bağlanmıştır



Tipik bir vakumlu ultrasantrifüjün rotoru 18 cmçapındadır ve 300000 G'den daha büyük bir merkezkaç alanında 300 ml sıvı taşıyabilirMolekül ağırlığı 50 dalton (bir ) ya da daha büyük olan tüm malzemeler şişeli ultrasantrifüjlerde kolayca arıtılabilirÇökelme sürecinin optik olarak ölçülebilmesi ve fotoğraflanabilmesi bilmesi amacıyla vakumlu ultrasantrifüjlerde üzerinde küçük pencereler bulunan rotorlar kullanılabilirİlk kez 1923'te TSvedberg ve JBNichols tarafından uygulanan bu yöntem daha sonraları özellikle protein molekülleri ve virüsler gibi çok küçük parçacıkların çökelme hızının ve büyüklüklerinin saptanmasında kulanılmaya başlamıştır

Çözünmüş haldeki hemen hemen tüm maddelerin molekül ağırlığının belirlenmesinde de vakumlu santrifüjlerden yararlanılabilirModern vakumlu santrifüjlerde hava tahrikli motorun yerini,daha verimli elektrik motoru almıştır;ayrıca aygıtın yapısı yeniden tasarımlanarak ayrıştırma işlemi tümüyle otomatikleştirilmiştirSon yıllarda biyokimya,biyofizik,biyoloji,tıp ve ilaç sanayisi alanlarında önemli maddelerin arıtılması işlemlerinde hep vakumlu ultrasantrifüjler kullanılmaya başlamıştır

Ultrasantrifüjlerde çeşitli proteinlerin molekül ağırlıkları başlıca iki biçimde saptanırBunlardan birincisinde,merkezkaç alanı içindeki çökelme işlemi,çökelen moleküller ile katışıksız çözücü arasında belirgin bir çökelme sınırı ortaya çıkana değin sürdürülürBu sınırın yarıçap boyunca dış çepere doğru ilerleme hızı ölçülür ve buradan da molekül ağırlığının değeri hesaplanabilirBuna çökelme hızı yöntemi denirİkinci yöntem de ise ,işlem,santrifüj gözesinde denge oluşuna değin ,yani malzemenin çökelme hızı ile geri yayınım eşitlenene kadar sürdürülürDaha sonra göze içinde çeşitli radyal uzaklıklardaki derişiklikler saptanarak molekül ağırlığı hesaplanır

Vakumlu santrifüjlerin kullanıldığı diğer bir alan da gazların ayrıştırılması işlemidirHerhangi bir gaz bir merkezkaç alanının etkisi altına sokulduğunda,derhal bir radyal basınç gradyanı oluşurBöylece farklı molekül ağırlıklarındaki iki gazdan oluşan bir karışım santrifüj yardımıyla birbirinden ayrılabilirgazlardan daha hafif olanı eksende,daha ağır olanı ise dış çeperde toplanır1919'da bir elementin santrifüjleme yoluyla izatoplarına ayrılabileceği görüşü ortaya atılmış,ardından da buna yönelik pek çok girişimde bulunulmuştuAma,olasılıkla santrifüj içindeki konveksiyon ve yeniden karışma olayları nedeniyle bu girişimler uzun bir süre sonuçsuz kaldıSonuçta 1937'de klorür,vakumlu bir ultrasantrifüj içinde izotoplarına ayrıldıUygulanan buharlaştırıcı santrifüj yönteminde,önce ayrıştırılacak madde hareketsiz haldeyken rotora beslenerek çeper üzerinde yoğunlaştırıldıArdından rotor normal çalışma hızında döndürülerek görece hafif bileşen delikli milin içinden dışarı alındıGaz ayrıştırılması işleminde kullanılan santrifüjlerin olabildiğince uzun ve yüksek devirli olması gerekirSantrifüj işlemi,maddelerin mutlak değerlerden çok kütleleri arasındaki farka dayalı olduğundan hem ağır hem de hafif izotopların ayrıştırılmasına uygundur

Gazları santrifüjleme yöntemleri 1940'ların ortalarında başlayarak daha da geliştirildi ve kapsamı genişletildiAFC ve Hollanda'da bu konuyla ilgili çalışmalar yapan araştırmacılar başarılı bir yöntem geliştirerek,özel olarak uranyum izotoplarının ayrıştırılmasında kullanılan basit bir vakumlu gaz santrifüjü yapmışlardır1970'lerde Avrupa'da ,nükleer tesislerinde kullanılan uranyum -235 izotupunun üretimine yönelik bir santrifüj tesisi kurulmuştur

Kaynak;AnaBritannica cilt 27 sayfa 156-157 frmsinsicom için derlenmiştir