ما هو جهاز الطرد المركزي؟

جهاز الطرد المركزي هو جهاز يقوم بفصل مكونات السوائل والغازات والمواد الصلبة على أساس اختلاف كثافتها بواسطة قوة الطرد المركزي. هذاويتم الفصل عن طريق الدوران السريع للدوار (الأجزاء المتحركة من النظام الكهرومغناطيسي الذي يتم وضعه في محرك كهربائي، ومولد كهربائي، ومولد كهربائي) الذي يحتوي على أنابيب العينات. تعمل قوة الطرد المركزي على دفع المواد الأثقل إلى الخارج من مركز الدوار.

يتسبب هذا الدوران في تحرك المواد والجزيئات ذات الكثافة الأعلى نحو الخارج في الاتجاه الشعاعي، وفي الوقت نفسه، يتم إزاحة المواد ذات الكثافة الأقل وتتحرك نحو المركز، ولكن في أجهزة الطرد المركزي المختبرية، يسبب التسارع الشعاعي جزيئات كثيفة النزول في الأنبوب . في بعض الأحيان يمكن أن يكون جهاز الطرد المركزي مرشحًا مناسبًا لإزالة التلوث من الجسم الرئيسي للسوائل.

مكونات الطرد المركزي

وأهم مكوناته هي المحرك الكهربائي، الدوار، الموقت، عمود الجهاز، جهاز التحكم في السرعة، المفتاح ومقياس سرعة الدوران، الذي يحدد عدد وكمية الثورات.

أساس عمل جهاز الطرد المركزي

تدور العينات حول مركز بسرعة معينة. تدخل قوة إلى العينات في الاتجاه المتعامد مع اتجاه الدوران وباتجاه خارج المركز، وهو ما يعرف بالقوة الطاردة المركزية.

توجد أجهزة الطرد المركزي في معظم المختبرات، بما في ذلك المختبرات الأكاديمية والبحثية والسريرية، والتي تستخدم لتنقية وفصل الخلايا والعضيات داخل الخلايا والبروتينات والأحماض النووية والفيروسات.

وبطبيعة الحال، هناك أجهزة طرد مركزي أخرى مصممة للتطبيقات الصناعية البحتة، ولكن في النهاية، فإن استخدامها جميعها واحد ولفصل المكونات المختلفة للمواد.

الجزء الرئيسي من جهاز الطرد المركزي هو الدوار، الذي يعتبر هيكله وسرعة دورانه معيارًا مناسبًا لتصنيف أجهزة الطرد المركزي.

أنواع أجهزة الطرد المركزي وتطبيقاتها

جهاز الطرد المركزي المختبري: غالباً ما يستخدم هذا النموذج ذو الحجم الأصغر لفصل المكونات المختلفة للمواد البيولوجية أو الكيميائية، ويتكون من دوار ذو فتحات زاوية لتخزين العينات، ونذكر أنواعه أدناه.

لأن أهم العوامل التي تؤثر على كفاءة الدوار هي سرعة الدوران القصوى  (rpm)، الحد الأقصى لنصف القطر (r _max ) والحد الأدنى لنصف القطر (r _min )، وكلها تؤثر على مقدار قوة الطرد المركزي وزمن الطرد المركزي.

k هو عامل أو معامل يربط هذه العوامل ببعضها البعض، وبمساعدته يمكن الحصول على الوقت اللازم لاستقرار العينات في أنبوب الاختبار.

جهاز طرد مركزي بزاوية دوران ثابتة : لا يحتوي هذا النموذج على أجزاء متحركة، لذا فهو يتعرض لتوتر أقل، مما يسبب المزيد من قوى الطرد المركزي ووقتًا أقل، على الرغم من أن تنوع أنابيب وحاويات العينات في هذا النموذج محدود ونسبة إلى محور الدوران. لها زاوية ثابتة حيث أن موضع الرواسب يعتمد بشكل كامل على نفس الزاوية وتتراوح هذه الزاوية بين 25 و 45 درجة، ومن الطبيعي أنه كلما زادت هذه الزاوية، ستكون الرواسب أكثر كثافة وأقل تناثرا.

جهاز طرد مركزي بزاوية دوران متغيرة: على عكس النموذج أعلاه، يأتي جهاز الطرد المركزي هذا بمجموعة متنوعة من الحاويات بأحجام مختلفة من 1 إلى 1 لتر بسبب وجود محولات أكثر تنوعًا.

في هذا النموذج، بسبب الزاوية المتغيرة، يزداد توتر الجزء الدوار ويمارس وزنه أيضًا ضغطًا على القضبان والأخاديد، ونتيجة لذلك، ستكون قوة الطرد المركزي أقل وسيكون وقت الطرد المركزي أطول.

أثناء دوران هذه الدوارات، عندما تكون الأنابيب أفقية، يتم توجيه الجزيئات العالقة إلى نهاية الأنبوب وتترسب الرواسب على شكل طبقات مفردة وبشكل موحد. وفي نهاية العملية تعود الأنابيب إلى الوضع العمودي ويتم وضع الرواسب الموجودة في نهاية الأنبوب ويوضع عليها المحلول الصافي، ونتيجة لذلك سيكون من الأسهل تجميع وفصل هذه الرواسب عن الرواسب المتكونة على الجدار.

جهاز الطرد المركزي الدقيق:  يستخدم هذا النموذج لدراسة المواد والخلايا البيولوجية بأحجام صغيرة تتراوح بين 0.5 و2 ملم. عادةً ما تدور أجهزة الطرد المركزي الصغيرة المخصصة للتطبيقات المعملية الروتينية بسرعات تبلغ حوالي 16,000xg، بينما بالنسبة للتطبيقات الأكثر تخصصًا يمكنها الوصول إلى سرعات أعلى مثل 30,000xg.

جهاز طرد مركزي عالي السرعة:  جهاز الطرد المركزي هذا هو عكس طراز microset ويستخدم لأحجام 10 مم وما فوق. ومن مميزات هذا الجهاز المرافقة المتزامنة للدوار مع المحول مما يزيد من إمكانية الوصول إلى أنابيب المختبر.

أجهزة الطرد المركزي الصناعية: يستخدم هذا النوع في الغالب لتنقية المياه وتجفيف رطوبة المواد وفصل المكونات الغروية والتي تعتمد على ترسيب وترسيب المواد.

جهاز الطرد المركزي الفائق: يستخدم هذا الجهاز لتحليل وفحص الجزيئات البيولوجية باستخدام نفس قوة الطرد المركزي. يتمتع جهاز الطرد المركزي هذا بسرعة عالية جدًا وقادر على فصل أصغر المكونات مثل الريبوزيمات والفيروسات والبروتينات. وكأحد تطبيقات الطرد المركزي الفائق، يمكن ذكر فصل المكونات الداخلية لمصل الدم لتقليل تعكرها.

على عكس أجهزة الطرد المركزي الدقيقة، التي تفصل الجزيئات على دفعات، يمكن لأجهزة الطرد المركزي الفائقة فصل الجزيئات بشكل مستمر ومتقطع. بالإضافة إلى إمكانية التنقية، يمكن استخدام جهاز الطرد المركزي الفائق في الجامعة الأمريكية بالقاهرة لتحديد خصائص الجزيئات الكبيرة مثل الكتلة والشكل والتركيب والتشكل.

كما يعتبر نوع من هذا النموذج لتخصيب اليورانيوم خيارا مناسبا، حيث يستخدم في استخلاص وتنقية اليورانيوم من الخام ويعرف باسم جهاز الطرد المركزي الغازي أو النوى.

الطرد المركزي التفاضلي: في هذا النموذج تزداد قوة الطرد المركزي بشكل مستمر وتدريجي خلال فترة زمنية معينة، ووظيفتها فصل العضيات وأغشية الخلايا والميتوكوندريا (مستخلصات الخلايا بشكل عام).

جهاز الطرد المركزي المتدرج الكثافة: يعتبر جهاز الطرد المركزي هذا من أفضل النماذج لفصل الجزيئات، وهو حسب الشرح الذي قدمناه في الجزء الأول من المقال، هو أيضًا مقياس مناسب لقياس كثافة الجزيئات في الخليط، وأخيراً، يتم وضع الجسيمات الموجودة حسب كثافتها على طول الأنابيب.

وخلافاً للشروط المذكورة، في بعض الأحيان تنشأ رواسب غير مرغوب فيها، وسبب هذه المشكلة هو تراكم الجزيئات غير المرغوب فيها. مشكلة أخرى هي ترسيب قطرات المحلول التي تحتوي على جزيئات، وذلك بسبب الوقت الذي تكون فيه طبقة المحلول معلقة ويتحرك هذا المحلول على طبقات ذات كثافة أعلى، وفي هذه الحالة يكون المحلول إما ذو تدرج منخفض الكثافة أو لا يوجد تدرج على الاطلاق

أجهزة الطرد المركزي المبردة: هذا النموذج هو الجهاز المثالي للعينات الحساسة لدرجة الحرارة. على سبيل المثال، تستخدم أجهزة الطرد المركزي هذه في فحص الخلايا الحيوانية الحية أو البروتينات. تحتوي معظمها على دوارات ومحولات متغيرة لاستيعاب نطاق أوسع من العينات من 1 إلى عدة لترات. السرعة في هذا المثال مختلفة جدًا وقد تصل إلى xg60000 في بعض الموديلات.

أجهزة الطرد المركزي الفراغية: هذا الجهاز هو نوع أكثر تقدمًا ويمكنه استخدام كل من قوة الفراغ وقوة الطرد المركزي ودرجة الحرارة والغاز لإزالة المذيبات السائلة لنقاء العينات. (يتم استخدام آلية الفراغ مع نظام التسخين لتبخير وإزالة المذيبات) تستخدم هذه العينة لتنقية أو تحضير الجزيئات الدقيقة والبروتينات والببتيدات والأحماض النووية والمركبات الأخرى.

أجهزة الطرد المركزي لغسيل الخلايا: يستخدم هذا النموذج لغسل خلايا الدم في اختبار الكوميس أو اختبار مضاد الجلوبيولين، والذي يتم أخذه للتعرف على الأجسام المضادة الملتصقة على سطح خلايا الدم الحمراء. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم هذا الجهاز لإجراء اختبارات مثل تحديد فصيلة الدم، وتوافق الجسم قبل الحقن، وتحديد عامل Rh.

جهاز الطرد المركزي السريري: يستخدم هذا الجهاز لفصل المركبات البيولوجية المختلفة وفي العلوم الطبية مثل فحص خلايا الدم والتي لها أنواع مختلفة مثل علم الخلايا أو علم الخلايا والهيماتوكريت.

علم الخلايا: يستخدم لتكسير الخلايا ودراسة المكونات الخلوية، مثل خلايا الغشاء المخاطي للرحم.

الهيماتوكريت: يستخدم لقياس الهيماتوكريت في الدم (نسبة حجم خلايا الدم الحمراء إلى الحجم الكلي للدم).

ومن سلسلة التطبيقات الأخرى لأجهزة الطرد المركزي يمكن ذكر ما يلي:

• فصل الدهن عن الحليب
• فصل مسحوق الجبس عن الماء
• فصل الجزيئات عن تدفق الهواء
• فصل اليوريا ومكونات الدم في المختبرات

شروط صيانة أجهزة الطرد المركزي

تعتبر أجهزة الطرد المركزي من المعدات المخبرية باهظة الثمن، لذلك للحفاظ على صحتها يجب مراعاة بعض النقاط:

النقطة الأولى هي كيفية تنظيفها وتطهيرها، والتي إذا لم يتم القيام بها بشكل صحيح يمكن أن تؤدي إلى التآكل أو التآكل.

النقطة التالية هي طريقة التطهير، والتي تعني إزالة الدم أو التلوث البيئي أو المحاليل المختلفة التي تبقى في طبقات وطبقات جهاز الطرد المركزي؛ إذا لم يتم تنظيفها بشكل صحيح، بالإضافة إلى التآكل، فإنها تجلب الأمراض والمخاطر للموظفين.

وفيما يلي، ونظراً لضخامة المحتوى، نشير إلى بعض النقاط المهمة بشكل يشبه القائمة:

• لتعقيم
• تشحيم
• مع الأخذ في الاعتبار مقاومة الدوار للمادة الكيميائية
• الانتباه إلى الهباء الجوي

وأخيراً أدركنا أن جهاز الطرد المركزي هو أحد أهم الأجهزة لفصل الجزيئات والجزيئات بتنوع عالي جداً وكفاءة واسعة، ومعرفة طريقة عمل وعمل كل نوع منه ستؤدي إلى زيادة العمر والإنتاجية.

على الرغم من أن جهاز الطرد المركزي يعتبر من أفضل الطرق لفصل مكونات المواد، إلا أن هناك طرق بديلة في الصناعة مثل الترشيح، والغربلة، والتقطير، والصب، والكروماتوغرافيا، ويعتمد هذا الاختيار على خصائص العينة وحجمها.