جهاز طرد مركزي

جهاز الطرد المركزي هو جهاز يستخدم قوة الطرد المركزي لإخضاع عينة لقوة ثابتة محددة، على سبيل المثال، لفصل مكونات سائلة مختلفة . ويتحقق ذلك بتدوير السائل بسرعة عالية داخل وعاء، مما يفصل السوائل ذات الكثافات المختلفة (مثل فصل القشدة عن الحليب) أو السوائل عن المواد الصلبة. ويعمل الجهاز عن طريق دفع المواد والجسيمات الأكثر كثافة إلى الخارج في الاتجاه القطري، بينما تُزاح الأجسام الأقل كثافة وتتحرك نحو المركز. في جهاز الطرد المركزي المختبري الذي يستخدم أنابيب العينات، يتسبب التسارع القطري في ترسب الجسيمات الأكثر كثافة في قاع الأنبوب، بينما تصعد المواد الأقل كثافة إلى الأعلى. ^{[ 1 ]} ويمكن أن يكون جهاز الطرد المركزي مرشحًا فعالًا للغاية لفصل الملوثات عن السائل الرئيسي.

تُستخدم أجهزة الطرد المركزي الصناعية على نطاق واسع في التصنيع ومعالجة النفايات لترسيب المواد الصلبة العالقة ، أو لفصل السوائل غير القابلة للامتزاج . ومن الأمثلة على ذلك فاصل القشدة الموجود في مصانع الألبان . أما أجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة وأجهزة الطرد المركزي فائقة التسارع، فتستطيع فصل الجزيئات الدقيقة وصولاً إلى النطاق النانوي، والجزيئات ذات الكتل المختلفة. وتُستخدم أجهزة الطرد المركزي الكبيرة لمحاكاة بيئات الجاذبية العالية أو التسارع العالي (على سبيل المثال، التدريب على تحمل التسارع العالي للطيارين التجريبيين). وتُستخدم أجهزة الطرد المركزي متوسطة الحجم في الغسالات وفي بعض حمامات السباحة لسحب الماء من الأقمشة. كما تُستخدم أجهزة الطرد المركزي الغازية لفصل النظائر ، مثل تخصيب الوقود النووي بالنظائر الانشطارية .

اخترع المهندس العسكري الإنجليزي بنيامين روبنز (1707-1751) جهازًا ذا ذراع دوارة لتحديد قوة السحب . وفي عام 1864، اقترح أنطونين براندتل فكرة جهاز طرد مركزي لفصل القشدة عن الحليب. ^{[ 2 ]} ثم قام شقيقه ألكسندر براندتل بتطبيق الفكرة عمليًا، حيث أدخل تحسينات على تصميم أخيه، وعرض آلة عاملة لاستخلاص دهن الزبدة في عام 1875. ^{[ 3 ]}

يمكن وصف جهاز الطرد المركزي بأنه جهاز مزود بوعاء يدور بسرعة عالية، ويُطبق قوة طرد مركزي على محتوياته. توجد أنواع متعددة من أجهزة الطرد المركزي، ويمكن تصنيفها حسب الاستخدام المقصود أو حسب تصميم الدوار.

الأنواع حسب تصميم الدوار: ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}

• تم تصميم أجهزة الطرد المركزي ذات الزاوية الثابتة لحمل حاويات العينات بزاوية ثابتة بالنسبة للمحور المركزي.
• تتميز أجهزة الطرد المركزي ذات الرأس المتأرجح (أو الدلو المتأرجح)، على عكس أجهزة الطرد المركزي ذات الزاوية الثابتة، بوجود مفصل يربط حاويات العينات بالدوار المركزي. وهذا يسمح لجميع العينات بالتأرجح للخارج أثناء دوران جهاز الطرد المركزي.
• لا تحتوي أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية المستمرة على أوعية عينات فردية وتستخدم في التطبيقات ذات الأحجام الكبيرة.

الأنواع حسب الاستخدام المقصود:

• أجهزة الطرد المركزي المختبرية هي أدوات متعددة الأغراض من أنواع عديدة ذات قدرات متميزة، ولكنها متداخلة. وتشمل هذه الأجهزة أجهزة الطرد المركزي السريرية، وأجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة، وأجهزة الطرد المركزي التحضيرية فائقة السرعة .
• تم تصميم أجهزة الطرد المركزي التحليلية الفائقة لإجراء تحليل الترسيب للجزيئات الكبيرة باستخدام المبادئ التي وضعها ثيودور سفيدبيرج .
• تُستخدم أجهزة الطرد المركزي لقياس الهيماتوكريت لقياس النسبة المئوية لحجم خلايا الدم الحمراء في الدم الكامل.
• أجهزة الطرد المركزي الغازية ، بما في ذلك أجهزة الطرد المركزي من نوع Zippe ، لفصل النظائر في الطور الغازي.

يمكن تصنيف أجهزة الطرد المركزي الصناعية وفقًا لنوع فصل الجزء عالي الكثافة عن الجزء منخفض الكثافة.

عمومًا، يوجد نوعان من أجهزة الطرد المركزي: أجهزة الطرد المركزي الترشيحية وأجهزة الطرد المركزي الترسيبية. في جهاز الطرد المركزي الترشيحي، أو ما يُسمى بجهاز الطرد المركزي ذي الشاشة، تكون الأسطوانة مثقبة ويُوضع بداخلها مرشح، مثل قماش ترشيح أو شبكة سلكية أو غربال. يتدفق المعلق عبر المرشح والأسطوانة ذات الجدار المثقب من الداخل إلى الخارج. بهذه الطريقة، يتم احتجاز المواد الصلبة ويمكن إزالتها. يعتمد نوع الإزالة على نوع جهاز الطرد المركزي، فقد تكون يدوية أو دورية. من الأنواع الشائعة:

• مرشحات الزيت الطاردة المركزية
• أجهزة الطرد المركزي ذات الشاشة/اللفافة (أجهزة الطرد المركزي ذات الشاشة، حيث يسمح التسارع المركزي للسائل بالمرور عبر شاشة من نوع ما، والتي لا تستطيع المواد الصلبة المرور من خلالها (بسبب حجم الحبيبات الأكبر من فجوة الشاشة أو بسبب التكتل))
• أجهزة الطرد المركزي الدافعة
• أجهزة طرد مركزي مقشرة
• أجهزة الطرد المركزي ذات المرشحات العاكسة
• أجهزة الطرد المركزي ذات التفريغ المنزلق
• أجهزة الطرد المركزي البندولية
• أجهزة الطرد المركزي للترسيب

في أجهزة الطرد المركزي، يكون جدار الأسطوانة صلبًا (غير مثقوب). يُستخدم هذا النوع من أجهزة الطرد المركزي لتنقية المعلقات. ولتسريع عملية الترسيب الطبيعي للمعلقات، تستخدم أجهزة الطرد المركزي قوة الطرد المركزي. أما في أجهزة الطرد المركزي ذات التدفق الزائد، فيتم تصريف المعلق وإضافة سائل جديد باستمرار. ومن الأنواع الشائعة: ^{[ 8 ]}

• أجهزة الطرد المركزي الفاصلة (للسوائل المستمرة)؛ ومن أنواعها الشائعة:
  • أجهزة الطرد المركزي ذاتية التنظيف
  • أجهزة الطرد المركزي ذات الألواح المخروطية
• أجهزة الطرد المركزي الأنبوبية
• أجهزة الطرد المركزي ذات القوارير ، والتي تسمى أيضًا أجهزة الطرد المركزي ذات الوعاء الصلب ، والتي لا يوجد فيها فصل مادي بين الطور الصلب والسائل، بل ترسيب متسارع بسبب التسارع المركزي.
• أجهزة الطرد المركزي ذات السلة : شائعة الاستخدام في الصناعات الكيميائية والصيدلانية، وخاصة لفصل المواد الصلبة عن السائلة. تشمل الأنواع الرئيسية ما يلي:
• أجهزة الطرد المركزي ذات السلة ذات التفريغ العلوي : تتم إزالة الكعكة يدويًا من الأعلى بعد انتهاء الدورة. ^{[ 9 ]}
• أجهزة الطرد المركزي ذات السلة ذات التفريغ السفلي : توفر تفريغًا تلقائيًا للمواد الصلبة من خلال الجزء السفلي، مما يحسن الكفاءة ويقلل من المناولة اليدوية. ^{[ 10 ]}
• جهاز طرد مركزي رأسي ذو سلة رفع أكياس : يتميز بكيس ترشيح قابل للإزالة، مما يسمح بتفريغ المواد الصلبة بسهولة وأمان مع الحد الأدنى من التلامس البشري، مما يعزز النظافة وسلامة المشغل. ^{[ 11 ]}

على الرغم من أن معظم أجهزة الطرد المركزي الحديثة تعمل بالكهرباء، فقد تم تطوير نسخة يدوية مستوحاة من لعبة الدوامة لاستخدامها في التطبيقات الطبية في البلدان النامية. ^{[ 12 ]}

تم نشر العديد من التصاميم المجانية والمفتوحة المصدر لأجهزة الطرد المركزي التي يمكن تصنيعها رقميًا . ويمكن طباعة تصاميم الأجهزة مفتوحة المصدر لأجهزة الطرد المركزي اليدوية، المصممة لمعالجة كميات كبيرة من السوائل بسرعة شعاعية تتجاوز 1732 دورة في الدقيقة وقوة طرد مركزي نسبية تتجاوز 50 نيوتن، بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالكامل بتكلفة تقارب 25 دولارًا أمريكيًا. ^{[ 13 ]} وتستخدم تصاميم أخرى مفتوحة المصدر تجهيزات مطبوعة ثلاثية الأبعاد مخصصة مع محركات كهربائية منخفضة التكلفة لصنع أجهزة طرد مركزي منخفضة التكلفة (مثل جهاز Dremelfuge الذي يستخدم أداة Dremel الكهربائية) أو جهاز OpenFuge المصنوع بتقنية القطع باستخدام الحاسوب (CNC ) . ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

تحدد بروتوكولات الطرد المركزي عادةً مقدار التسارع المطلوب تطبيقه على العينة، بدلاً من تحديد سرعة الدوران مثل عدد الدورات في الدقيقة . هذا التمييز مهم لأن دوارين بأقطار مختلفة يدوران بنفس سرعة الدوران سيعرضان العينات لتسارعات مختلفة. أثناء الحركة الدائرية، يكون التسارع هو حاصل ضرب نصف القطر في مربع السرعة الزاوية.${\displaystyle \omega }$ويُطلق على التسارع النسبي إلى " g " تقليديًا اسم "القوة الطاردة المركزية النسبية" (RCF). ويُقاس التسارع بمضاعفات " g " (أو ×  " g ")، وهو التسارع القياسي الناتج عن الجاذبية على سطح الأرض، وهو كمية لا بُعدية تُعطى بالصيغة التالية:

${\displaystyle {\text{RCF}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}}$

أين

${\displaystyle \textstyle g}$هو تسارع الجاذبية الأرضية ،

${\displaystyle \textstyle r}$هو نصف قطر الدوران،

${\displaystyle \omega }$هي السرعة الزاوية بالراديان لكل وحدة زمنية

يمكن كتابة هذه العلاقة على النحو التالي:

${\displaystyle {\text{RCF}}={\frac {10^{-3}r_{\text{mm}}\,\left({\frac {2\pi N_{\text{RPM}}}{60}}\right)^{2}}{g}}}$

أو

${\displaystyle {\text{RCF}}=1.118(2)\,\times 10^{-6}\,r_{\text{mm}}\,N_{\text{RPM}}^{2}}$

أين

${\displaystyle \textstyle r_{\text{mm}}}$نصف قطر الدوران مقاسًا بالملليمترات (مم)، و

${\displaystyle \textstyle N_{\text{RPM}}}$السرعة الدورانية هي السرعة التي تقيس بالدورات في الدقيقة (RPM).

لتجنب إجراء العمليات الحسابية في كل مرة، يمكن استخدام مخططات بيانية لتحويل قوة الطرد المركزي النسبية (RCF) إلى سرعة الدوران (rpm) لدوار ذي نصف قطر محدد. يُحاذى مسطرة أو أي أداة مستقيمة أخرى مع نصف القطر على أحد التدريجات، وقوة الطرد المركزي النسبية المطلوبة على تدريج آخر، مما يشير إلى سرعة الدوران الصحيحة على التدريج الثالث. ^{[ 35 ]} وبفضل خاصية التعرف التلقائي على الدوار، تحتوي أجهزة الطرد المركزي الحديثة على زر للتحويل التلقائي من قوة الطرد المركزي النسبية إلى سرعة الدوران والعكس.

• القوة الطاردة المركزية
• الطرد المركزي
• عامل التصفية
• مستخلص العسل
• مستخلص مائي
• معادلة لام
• معامل الترسيب
• الترسيب
• عملية الفصل - تتضمن قائمة بالتقنيات

• نايسجارد وآخرون ، نمذجة تسييل التدفق، وتخفيفه، ومقارنته باختبارات الطرد المركزي

• حاسبة التدفق النقدي المتبقي ومخطط بياني
• حاسبة دوار الطرد المركزي
• مجموعة مختارة من أجهزة الطرد المركزي التاريخية في المختبر الافتراضي لمعهد ماكس بلانك لتاريخ العلوم