شارك
الرئيسية
تتطلب العديد من التحليلات المعملية والاختبارات في الكيمياء والتكنولوجيا الحيوية فصل المواد المعلقة في سائل، إلا أن الترسيب قد يستغرق وقتاً طويلاً، لذلك يلجأ المختصون إلى “طرد” هذه العينات، باستخدام جهاز الطرد المركزي. فما مبدأ عمل جهاز الطرد المركزي؟
الطرد المركزي
في القرن التاسع عشر، اقترح أنتونين برانتل فكرة جهاز لفصل الحليب عن القشدة، وتمكن لاحقاً شقيقه ألكسندر برانتل من تصميم أول جهاز طرد مركزي عام 1875، وهو عبارة عن آلة تعمل على تسريع ترسيب الجسيمات العالقة في محلول وفقاً لحجمها وشكلها وكثافتها ولزوجة الوسط وسرعة الدوران، بفعل قوى الطرد المركزي.
إذا كنت ترغب في فصل الدسم أو قشدة الحليب، يمكنك تركه لينفصل الدهن ويطفو فوق الحليب، لأنه أقل كثافة من الحليب، هذا ما يُعرف بالترسيب، إلا أن هذه العملية قد تستغرق وقتاً طويلاً، لذا صُمم جهاز الطرد المركزي، بحيث يمكنه تسريع هذه العملية بشكل كبير.
اقرأ أيضاً: كيف يعمل المولد الكهربائي؟
كيف يعمل جهاز الطرد المركزي؟
بشكل مشابه لما يحدث في الغسالة عندما تدور بسرعات عالية، فإن جزيئات الماء تنفصل عن الملابس وتخرج من فتحات الحوض الداخلي. في الواقع إن ما دفع جزيئات الماء بعيداً عن مركز دوران الحوض هو قوى ظاهرية تُعرف بقوى الطرد المركزي. بشكل عام تختبر الأجسام خلال دورانها نوعين من القوى، هما:
- قوى الجاذبية التي تحافظ على حركة الجسم في مسار دائري، والتي تكون متجهة للداخل.
- قوى الطرد المركزي الظاهرية، وهي قوى تعاكس قوى الجاذبية في الاتجاه، وتدفع الجسم بعيداً عن مركز الدوران.
لتوضيح القوتين، تخيل الإحساس الذي تشعر به لدى ركوب لعبة الدوامة. مع ازدياد السرعة، ستشعر بقوى تدفعك بعيداً عن مركز الدوامة، بينما ستحافظ عليك قوى الجاذبية المركزية في المسار الدائري الذي ترسمه الدوامة من الطيران بعيداً خارجها.
بالعودة إلى جهاز الطرد المركزي، تولد حركة الدوران حول نقطة مركزية قوة طرد مركزي وتطبقها على مكونات الخليط، حيث تؤدي قوى الجاذبية إلى سحب المكونات الثقيلة من الخليط بشكل أسرع من المكونات الأخف، ثم يتم ترسيبها في قاع الأنابيب في طبقات.
اقرأ ايضاً: كيف يعمل الخلاط الكهربائي؟
العوامل المؤثرة في سرعة الترسيب
تترسب الجسيمات أو تسقط في قاع الأنبوب بوتيرة تتناسب مع مقدار قوة الطرد المركزي المطبقة عليها. بالإضافة إلى ذلك، تتأثر سرعة الترسيب بالعوامل التالية:
- كثافة العينات: تترسب الجسيمات الأعلى كثافة بسرعة أكبر من الجسيمات الأقل كثافة بعد انفصالها، حيث تحتاج الجزيئات الصغيرة إلى سرعات أعلى. على سبيل المثال، تحتاج الخلايا البكتيرية لسرعات دوران أعلى بجهاز الطرد المركزي مقارنة بخلايا الكائنات الثديية.
- درجة حرارة: كلما زادت درجة الحرارة انخفض استقرار العينة، لذا تحتاج بعض أجهزة الطرد المركزي للتبريد.
- سرعة الدوران: كلما زادت سرعة الدوران، زادت قوة الطرد المركزي.
- اللزوجة: تنفصل الجزيئات المعلقة في المحاليل اللزجة بمعدل أبطأ من المحاليل ذات اللزوجة المنخفضة.
- مسافة إزاحة الجسيمات: تزداد قوة قوى الطرد المركزي مع زيادة المسافة بين الجسيمات ومركز الدوران.
اقرأ أيضاً: ما هو الإندوموتور وكيف يعمل؟
مكونات جهاز الطرد المركزي
على الرغم من تعدد أشكال وأنواع جهاز الطرد المركزي، فإنها بشكل عام تتألف من المكونات التالية:
- المحرك: هو الجزء المسؤول عن تقديم الطاقة الميكانيكية للدوران.
- الدوار: هو الجهاز الحركي الذي يمسك أنابيب العينات، ويدور بسرعة المحرك.
- منظم السرعة: مهمته تحديد عدد الدورات في الدقيقة.
- مستشعر السرعة: لتنبيهك في حال وجود خطأ في عدد الدورات.
- مستشعر الباب: للتنبيه عن الباب غير المغلق.
- مستشعر عدم الاتزان: يجب أن يحتوي الجهاز على عينات متقابلة متساوية، وفي حال وجود عدم توازن في تحميل العينات، سيعرض الجهاز خطأً على الشاشة.
أنواع أجهزة الطرد المركزي واستخداماتها
تتعدد أنواع أجهزة الطرد المركزي، وفقاً لحجمها وقدرتها الاستيعابية، والتي تتناسب مع استخداماتها، ومنها:
أجهزة الطرد المركزي الصغيرة
هي الأجهزة المصممة للمساحة الصغيرة، وتناسب العينات الصغيرة حتى 0.2 ملي لتر مثل خلايا الخميرة وكريات الدم الحمراء والأحماض النووية والبروتينات.
أجهزة الطرد المركزي المبردة
تحتاج العينات التي تتأثر بالحرارة إلى جهاز طرد بسرعات قصوى محددة مع الحفاظ على درجة حرارة ثابتة، تتراوح عادة بين 20- 40 درجة مئوية، ما يجعلها مثالية لتحليل الأحماض النووية وتفاعل البوليميراز المتسلسل، والأجسام المضادة، وجميع المواد التي تترسب بسرعة مثل خلايا الخميرة والبلاستيدات الخضراء.
أجهزة الطرد المركزي المبردة عالية السرعة
هي أجهزة طرد مركزي بأحجام وقدرات تخزين عالية، يمكنها أن تدور بسرعة دوران كافية لتجميع الحطام الخلوي والكائنات الدقيقة وعضيات الخلية الكبيرة والبروتينات.
اقرأ أيضاً: كيف يعمل القطار الكهربائي؟
أجهزة الطرد المركزي الفائق
تستخدم بسرعتها الفائقة لفصل الجزيئات التي تختلف عن بعضها بعضاً اختلافات بسيطة في الوزن، مثل البروتينات والأحماض النووية.
إذاً وعلى الرغم من البساطة التي يبدو عليه تصميم جهاز الطرد المركزي، فإنه يفعل ما تفعله الجاذبية بشكل طبيعي، ولكن بشكل أسرع. فإن كنت لا ترغب في انتظار الجاذبية لتعمل بسحرها، يمكنك الاعتماد على جهاز الطرد المركزي.