Santrifüj, sabit eksenli, dairesel dönme hareketi yapan bir alettir. Laboratuvar ekipmanlarının vazgeçilmez ve en değerli parçasıdır. Genellikle elektrikli bir motor yardımıyla çalışır. Merkezkaç kuvveti prensibi ile çalışır. Bu kuvvete, “santrifüj kuvveti” adı da verilir. Katı veya sıvı maddelerdeki parçacıkları, yer çekimi ivmesinden daha büyük bir kuvvetle ve büyük hızla döndürerek ayrıma işlemine dayanan bir prensiple çalışır. Santrifüj cihazları, motor büyüklükleri ve kullanıldıkları alana göre dakikada 10 ila 15 bin devirle çalışabilir. Ticari uygulamalar, astronomi, geoteknik modelleme, süt sanayisi, serum üretimi, süspansiyon ayrıştırma ve izotop ayırma gibi farklı işlemler için kullanılır. Santrifüjün çalışma prensibi, günlük hayatta sık karşılaştığımız “merkezkaç kuvveti”dir. Çamaşır makineleri, çocuk parklarındaki bazı oyuncaklar bu prensiple çalışır. Diğer detayları makalemizde bulabilirsiniz.
(Sütü kaymağından ayırmak için kullanılan manuel santrifüj aleti)
Tarihi
Santrifüj cihazının kökeni, 18. yüzyıla kadar uzanıyor. İngiliz askeri mühendis Benjamin Robins, sürüklenmeyi belirlemek için dönen kolu olan bir alet icat etti. Bu alete benzer bir alet, ilk olarak 1864 yılında süt ayrıştırmak için kullanılmıştır. Antonin Prandtl, sütü kaymağından ayrıştırmak için ilk manuel santrifüj cihazını icat etmiş ve kullanmıştır. Prandtl’ın kardeşi Alexander Prandtl, 1875 yılında abisinin tekniğini geliştirerek “yağ ekstraksiyon” makinesi icat etti. Laboratuvar ortamında ilk santrifüj, 1869 yılında Friedrich Miescher tarafından kullanılmıştır. İlk olarak sütü ayrıştırmak için kullanılan cihazlar zaman geliştirildi ve günümüzde modern laboratuvar uygulamalarında kullanılan önemli ve vazgeçilmez cihazlar haline geldi.
“Santrifüj” kelimesi, Fransızca “merkezkaç” anlamındaki “centrifuge” sözcüğünün Türkçe okunuşudur. Latince “merkez” anlamındaki “centrum” ve “kaçış” anlamındaki “fuga” sözcüklerinin birleştirilmesi ile türetilmiştir. “Orta yuvarlak, merkez” anlamındaki “santra” kelimesi ile de bağlantılı bir sözcüktür.
Tanım
Santrifüj aletleri, farklı yoğunluktaki katı ve sıvıların parçacıklarını yoğunluklarına göre farklı hızlarda döndürme ve birbirlerinden ayrıştırılmalarını sağlar. Olağanüstü hızdaki dönme hareketi, bir sıvı veya katıdaki hücreler, akyuvarlar, bakteriler ve izotoplar gibi parçacıkları merkezkaç kuvveti yardımıyla ayrıştırma işlemi yapar. Bir sıvı içindeki süspansiyon veya emülsiyon halindeki parçacıkları bile ayrıştırabilir. Ayırma işlemi, cihazın yüksek devirde dönmesine bağlıdır. Cihazın sağladığı dönme hareketinin sağladığı merkezkaç kuvveti, içindeki maddedeki yoğun veya daha ağır parçacıklara daha fazla kuvvet uygular ve diğer maddelerden ayrıştırır.
Santrifüj Parçaları
Laboratuvarlarda kullanılan santrifüj, yüksek devire sahiptir. Elektrik motoru, elektronik sistem, kafes, çevirme mili, rotor, kapak ve bir odadan oluşur. Rotor, cihazda dönen birimdir. Ayrıca, motorun voltaj desteğini değiştirerek hızını ayarlayan potansiyometreler bulunur. Rotorun hızı potansiyometre ile sağlanır; ancak yüksek hızda dönme sırasında tüplerin ağırlığına bağlı olarak rotorun hızı değişebilir. Rotorun üzerinde kovalar veya tüp seleleri bulunur. İşlem sırasında tüplerin kırılmasını önlemek için yumuşak yastıkçıklar yer alır. Tüplerin büyüklüklerine uygun bölümler vardır. Büyük santrifüj cihazları, doğru akımlı elektrik motorları ile yüksek dönme momenti sağlar. Küçük cihazlarda, alternatif akımlı elektrik motorları kullanılır. Kutuplaşmış akımın geri dönmesi fren görevi görür ve motorun yavaşlaması sağlanabilir. Cihazdaki takometreler, dönüş hızını veya dakikadaki devrini gösterir.
Çalışma Prensibi
Santrifüj cihazları, içerisindeki karışımların veya bileşiklerin çökelme prensibine göre ayrılmasını sağlar. Karışımdaki ağır maddeler, merkezkaç kuvveti yardımıyla tüpün altı kısmına çökelir (pellet). Diğer bir ifadeyle dairesel hareketin dışına doğru kayar. Daha hafif maddeler ise, tüpün üst kısmında toplanır. Yani, dairesel hareketin merkezine doğru yol alır. Süspansiyonlar ve emülsiyonların ayrıştırılması için ideal bir cihazdır. Bu işleme bir örnek verecek olursak; santrifüj cihazına konulan kandaki pıhtı cihazın altında, yağlar ortasında ve serum en üst kısmına toplanarak kolaylıkla ayrıştırılabilir.
Santrifüjün içinde karışımların konulacağı seleler vardır. Santrifüj işlemi için özel tüpler kullanılır. Bu tüpler, cihazın içine simetrik olarak yerleştirilir. Cihazın devri ve kaç dakika döneceği, içindeki maddeye göre değişebilir. Uygun devir ve dakika ayarlanarak işlem yapılır. Farklı veya sabit açılı santrifüj cihazları bulunur. Farklı açılı santrifüjlerdeki tüpler cihaz çalışmadan dik konumdayken, motor çalışmaya başlayınca yatay pozisyona yaklaşır. Bazı tasarımlarda da tüpler eğimli yataklara yerleştirilir. Bu modelde dönme esnasında tüpler açılarını korur yani sabit açılıdır.
Bir santrifüj, bir nesneyi sabit bir eksen etrafında rotasyona uğratan, eksene dik bir kuvvet uygulayan elektrik motoru ile çalışır. Parçacıkların yoğunluğu, şekli, uygulanan kuvvet ve ortamın yoğunluğu çökme hızını etkiler. Başka bir ifadeyle; tüpte bulunan maddelerin yoğunlukları ve büyüklüklerine göre çökme hızı değişir. Santrifüjün kütlesi; santrifüj kuvvetinin derecesi, çökelen parçacıkların kütlesi, dönmenin açısal hızı, ayrılan parçacıkların merkezdeki dönme eksenine olan uzaklığı gibi faktörlerin bir formülasyonu ile ortaya çıkar.
Cihaz çalışırken düz ve sağlam bir zeminde bulundurulması gerekiyor. Tüpler yerleştirilirken de dengeli olması önemli bir ayrıntı. Dengesiz tüpler veya uygun olmayan zemin cihazın titreşim yapmasına yol açar. Bu durum, bazı tehlikeli sonuçlar doğurabilir. Kimyasal maddeler için ayrıştırma işleminde santrifüjü kullanan kişiler, gözlük, eldiven, önlük ve maske gibi koruyucu malzemeler kullanmalı.
Santrifüj Çeşitleri ve Türleri
Santrifüj cihazları, kullanıldığı alanlara göre farklılık gösterir. Aynı tekniğe dayalı farklı uygulamaları vardır. Aralarındaki temel farklar dönüş hızı (devri) ve rotor tasarımlarıdır.
En yaygın santrifüj cihazları şunlardır;
Masaüstü santrifüjler: Araştırma laboratuarlarında sık kullanılan pratik bir cihazdır. Sıvı ortamdaki maddeleri yoğunluğuna göre ayırır ve konsantre haline getirir. Ağırlıklı olarak doku kültürü, protein çalışmaları, DNA ve RNA çalışmalarında kullanılır. Yerden tasarruf sağlayan ve masaüstünde kullanılabilecek boyutlardadır. Bir doku için uygulanan santrifüj işleminde önce parçalanmamış hücreler, sonra sırasıyla hücre zarı, çekirdek, mitokondri, lizozomlar, mikrozomlar ve ribozomlar çökelir.
Düşük hızlı santrifüjler: Ağır parçacıkları çökeltmek için kullanılır. Hızları 4 – 5 bin devir civarındadır. Oda sıcaklığında kullanılabilirler. Sabit açılı veya kova tipinde açılan rotorları vardır. Tüpler, 10 ila 50 mililitre arasında değişebilir. Ağırlıklı olarak sıvılardaki ve süspansiyonlardaki hücrelerin çökeltilmesinde kullanılır.
Yüksek hızlı santrifüjler: Yüksek devirde çalışan ısı kontrollü cihazlardır. Sıcaklığın ve hız kontrolünün önemli olduğu biyolojik uygulamalarda kullanılır. Dikey, sabit açılı ve açılan rotorlar kullanılır. Sabit açılı rotorlara 0,5 ila 1,5 mililitrelik 18 adet tüp konulabilir. Küçük hacimli numuneleri veya maddeleri kısa sürede çökeltebilir. Biyolojik ve kimyasal numuneler için orta veya yüksek hızlı cihazlar kullanılır. Nükleus, kloroplast gibi hücre organelleri; nükleik asitler ve proteinler gibi makromoleküler kimyasal uygulamalarda çökeltme işlemi için ideal cihazlardır.
Ultra santrifüjler: Karmaşık yapılı, kompakt santrifüjlerdir. Hızları dakikada 10 ila 15 bin devire ulaşabilir. Yüksek hızda çalıştıkları için rotoru ısınır. Soğutulması ve sürtünmenin önlenmesi için yüksek vakumda tutulur. Çeşitli arızalara veya mil veya rotorun kırılma ihtimaline karşı içleri çelikle kaplanmıştır. Numunelerin ağırlıklarının oluşturacağı dengesizlik sonucu titreşimin zararlarını engellemek için miller esnek malzemelerden yapılmıştır. Organeller ve moleküller gibi hücre bileşenlerinin saflaştırılması ve ayrıştırılması; saflaştırılmış makromoleküllerin analitik ölçümleri gibi işlemler için kullanılır.
Klinik santrifüjler: Kan hücreleri, plazma ve serum gibi vücut sıvılarının ayrıştırılması için kullanılan cihazlardır. Kompakt santrifüjlerdir. Filtreleme, sedimantasyon ve kolon kromatografisi gibi birçok uygulama ve araştırma için klinik laboratuarlarda kullanılır.
Vakum santrifüjleri: Fonksiyonlu bir cihazdır. Numunelerin konsantre edilmesi, çözülmesi veya çözücünün ayrıştırılması gibi işlemler için kullanılır. Sıvı çökeltileri kuru duruma 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 sıvıyı buharlaştırmak ve DNA, RNA, nükleotidleri ve diğer proteinleri konsantre hale getirmek için ısı veya gazları ayrıştırır. Vakum santrifüj konsantratörleri ısıtma veya gaz ayırma yetenekleri, hız kapasitesi, ısı ve zaman ayarları ve gürültü seviyesi gibi farklılık gösterebilir.
Soğutmalı santrifüjler: Sıcaklığa duyarlı maddelerin ayrıştırılmasında kullanılır. Dönme işleminin ortaya çıkardığı ısının numunenin kimyasal yapısını bozmasını önlemek için ek bir soğutma bölümü bulunur. Canlı hücreler ve proteinlerin ayrıştırılması işlemlerinde kullanılabilen özelliktedir.
Mikrosantrifüjler: Laboratuvarlarda kullanılan cihazlardır. Klinik araştırma ve akademik laboratuarlarda vazgeçilmez bir araçtır. DNA, protein, kan veya diğer numuneleri ayırmak için kullanılır. Tezgâhlarda kullanılabilecek boyutlardadır. Programlanabilir kontrol sistemleri, rotor boyutu ve kapasitesi, rotor hızı ve sessiz çalışması gibi farklı modelleri vardır.
Santrifüj pompa: Sıvıların çekilmesi için kullanılan bir pompa çeşididir. En önemli kullanım alanı petrol ve su sondajlarıdır. Su tahliye işlemlerinde de kullanılmaktadır. Çark, salyangoz, difüzör ve salmastra adı verilen parçalardan oluşur. Pompa çalışırken sıvı, çark merkezine çekilir ve santrifüj kuvveti sayesinde çark çevresinde dolaşarak aktarılır.
İnsan santrifüjleri: Yüksek santrifüj simülasyonları için büyük santrifüjler kullanılabilir. Cihazlar bir oda veya bina büyüklüğündedir. İnsan santrifüjleri test pilotlarının eğitilmesi ve yerçekimi ile ilgili bilimsel araştırmalarda kullanılır. Bu tip santrifüjler lunaparklardaki büyük oyuncaklarda da kullanılabilir.
Endüstriyel santrifüjler: Kolloid bileşenlerini (sütten kaymak ve tereyağı ayırma gibi), kimyasal uygulamalar, sondaj sıvısından katıları temizleme, kurutma malzemelerini ayrıştırma ve su arıtımı gibi işlemler için kullanılır. Bazı endüstriyel santrifüjlerde ayırma işlemi için sedimantasyon veya filtre kullanılır. Endüstriyel santrifüjler, metalleri dökmek ve kimyasallar hazırlamak için de kullanılmaktadır.
Merkezkaç Kuvveti ve Merkezcil Kuvvet Arasındaki Fark Nedir?
Santrifüj cihazlarının çalışma prensibi olan merkezkaç kuvvet ile merkezcil kuvvet, birbiri ile karıştırılır; ancak birbirinden farklı iki kuvvettir. Merkezcil kuvvet, “gerçek bir kuvvet” iken, santrifüj veya merkezkaç kuvveti, “belirgin bir kuvvet” olarak tanımlanır. Başka bir tanıma göre de, bu iki kuvvet, “farklı kuvvetlerin etki ettiği ters yönde aynı kuvvet” şeklindedir. Bu kuvvetlerin teknik tanımları şöyledir;
Merkezkaç Kuvvet: Newton yasalarına uymayan ve “gerçekte olmayan” bir kuvvettir. Newton yasasına göre, bir cisme etki eden kuvvet o cisme ivme kazandırır. Hareket eden bir cisim, üzerine herhangi bir kuvvet etki etmediği sürece hareketine devam eder. Dairesel hareketle dönen bir sistemde duran cisimler, hareket başladığında dışa doğru kayma eğilimi gösterir. Yani merkezden dışa doğru ivme kazanır. Newton’a göre, bu cisme dışa doğru, ivme yönünde bir kuvvet etki eder. Gerçekte olmayan veya tanımlanamayan bu kuvvete “merkezkaç kuvveti” denir. Teknik bir ifadeyle merkezkaç kuvvet, “merkezcil kuvvetle eşit veya karşı görünen kuvvet” olarak tanımlanır.
Merkezcil Kuvvet: Dairesel hareket sırasında cismi yörüngede tutan kuvvettir. Hız vektörünün büyüklüğünü değiştirmez, yönünü değiştirir. Bu yüzden merkezcil bir ivme oluşur. Merkezcil kuvvet ile merkezcil ivmenin yönü aynı merkeze doğrudur ve çizgisel hıza diktir. Herhangi bir kuvvet dairesel harekete sebep olup merkezcil ivme oluşturuyorsa, merkezcil kuvvet meydana gelir. Teknik bir ifadeyle merkezcil kuvvet, “eğrilik veya döndürme eksenine yöneltilen eğrisel harekette bir vücuda etki eden kuvvet bileşeni” olarak tanımlanır.