جهاز الطرد المركزي هو جهاز علمي مهم يستخدم قوة الطرد المركزي لفصل المواد على أساس الكثافة، وهو أمر ضروري في مجالات مثل الكيمياء والكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية. إنها تأتي في إصدارات منخفضة وعالية وفائقة السرعة، مع كون سرعة الدوران والسعة من العوامل الرئيسية. يعد الالتزام بإجراءات السلامة الصارمة أمرًا ضروريًا أثناء التشغيل.
ستقدم المقالة أجهزة الطرد المركزي من النقاط التالية:
نظرية عمل آلة الطرد المركزي
تصنيف آلة الطرد المركزي
مكونات جهاز الطرد المركزي
المعلمات التقنية الرئيسية ومؤشرات الأداء لأجهزة الطرد المركزي
تطبيقات وصيانة أجهزة الطرد المركزي
فشل أجهزة الطرد المركزي الشائعة وطرق استكشاف الأخطاء وإصلاحها
نظرية عمل آلة الطرد المركزي
المبدأ العام
يعتمد مبدأ عمل جهاز الطرد المركزي على تطبيق قوة الطرد المركزي.
يدور جهاز الطرد المركزي بسرعة عالية، مما يتسبب في فصل المواد ذات الكثافات أو أحجام الجسيمات المختلفة في الخليط. يتم دفع الجسيمات الأكثر كثافة أو الأكبر حجمًا إلى الحافة الخارجية، بينما تظل الجسيمات الأخف أو الأصغر حجمًا أقرب إلى المركز.
ويستخدم هذا المبدأ على نطاق واسع في مجالات مختلفة مثل الطب والعلوم والصناعة.
طرق محددة
ل طريقة الطرد المركزي السرعة التفاضلية
تستخدم هذه الطريقة الاختلافات في معدلات الترسيب للجزيئات المختلفة في مجال قوة الطرد المركزي. في ظل نفس ظروف الطرد المركزي، من خلال الزيادة المستمرة في قوة الطرد المركزي النسبية، يتم ترسيب الجزيئات ذات الأحجام والأشكال المختلفة في خليط غير منتظم خطوة بخطوة. وهي تستخدم أساسا لفصل العينات العامة والخاصة، مثل العضيات والفيروسات.
ل طريقة الطرد المركزي متساوي الكثافة
تخضع العينة لهطول الأمطار بالطرد المركزي أو توازن الترسيب في وسط متدرج خامل معين. تحت تأثير قوة طرد مركزي معينة، يتم توزيع الجزيئات إلى مواقع محددة معينة في السائل المتدرج، مما يؤدي إلى فصل مناطق مختلفة.
تصنيف آلة الطرد المركزي
حسب الغرض: نوع التحضير، والنوع التحليلي، والنوع ثنائي الغرض لكل من الإعداد والتحليل
وفقًا للسرعة: أجهزة الطرد المركزي فائقة السرعة، وأجهزة الطرد المركزي الفائقة السرعة، وما إلى ذلك.
وفقًا للهيكل: يمكن تقسيمها إلى النوع العلوي، والنوع الصغير متعدد الأنابيب، ونوع مسحة الخلايا، ونوع غسيل الدم، والنوع المبرد عالي السرعة، والنوع المبرد منخفض السرعة ذو السعة الكبيرة، وأجهزة الطرد المركزي ذات التوازن التلقائي منخفضة السرعة، وما إلى ذلك.
أنواع أجهزة الطرد المركزي
جهاز طرد مركزي منخفض السرعة
يتم استخدامها بشكل متكرر في المختبرات لفرز الجسيمات الروتيني الذي يتم تشغيله بسرعة قصوى تبلغ 4000-5000 دورة في الدقيقة. هناك حالات قليلة لتنظيم درجة الحرارة وغالباً ما يتم تشغيلها في درجة حرارة الغرفة. تستخدم أجهزة الطرد المركزي هذه دلوًا متأرجحًا وأنواعًا من الدوارات ذات الزاوية الثابتة، المستخدمة لفصل البلازما والمصل، بالإضافة إلى مكونات مثل السائل النخاعي، والسوائل الجنبية والصفاقية، والبول.
جهاز طرد مركزي عالي السرعة
يمكن أن يعمل بمعدلات أسرع إلى حد ما تتراوح بين 15.000 و30.000 دورة في الدقيقة، ويحتوي على جهاز لتنظيم درجة الحرارة وسرعة العملية للتحليل النقدي للجزيئات البيولوجية الدقيقة. تستخدم أجهزة الطرد المركزي هذه ثلاثة دوارات: زاوية ثابتة، ودلو متأرجح، وعمودي. يتم استخدامها لتنقية الحمض النووي والحمض النووي الريبي (DNA)، والتجزئة تحت الخلوية، وعزل المكونات الخلوية مثل الميتوكوندريا.
جهاز طرد مركزي فائق
وهو عبارة عن جهاز طرد مركزي متطور للغاية ومتطور يمكنه فصل الجزيئات الصغيرة التي لا تستطيع أجهزة الطرد المركزي التقليدية فصلها بمعدل سريع. يمكن أن تتراوح سرعات دوار أجهزة الطرد المركزي الفائقة من 60.000 إلى 150.000 دورة في الدقيقة. يتم تشغيل العينات في مجموعات أو كأنظمة تدفق مستمر وتكون أكبر. لا غنى عن أجهزة الطرد المركزي الفائقة في مجال البيولوجيا الجزيئية والكيمياء الحيوية لتنقية الأحماض النووية والبروتينات.
مكونات جهاز الطرد المركزي
مقدمة الدوار
الدوار هو المكون الأساسي لجهاز الطرد المركزي المستخدم لفصل العينات، وتعتمد سرعته على مادة الدوار وقوته. تستخدم أجهزة الطرد المركزي منخفضة السرعة عادةً سبائك ألومنيوم قوية وخفيفة الوزن وفائقة الصلابة، بينما تستخدم أجهزة الطرد المركزي الفائقة سبائك التيتانيوم. بشكل عام، بالنسبة لأجهزة الطرد المركزي من نفس النوع، تدور الدوارات الأخف وزنًا وذات القدرات الأصغر بسرعات أعلى، بينما تدور الدوارات الأثقل بسرعات أقل. غالبًا ما يكون لأجهزة الطرد المركزي أشكال دوارة مختلفة، يعكس كل منها مجالات مختلفة لقوة الطرد المركزي ومسافات الترسيب. يعد الاختيار الصحيح للدوارات بناءً على متطلبات الفصل أمرًا بالغ الأهمية في التطبيقات العملية.
الأنواع الشائعة من الدوارات
الدوارات ذات الزاوية الثابتة : تمسك هذه الدوارات الأنابيب بزاوية تتراوح من 14 إلى 40 درجة إلى الوضع الرأسي بحيث تنتقل الجسيمات لمسافة قصيرة بينما تتحرك بشكل قطري إلى الخارج وتستخدم في الطرد المركزي التفاضلي.
دوارات الدلو المتأرجحة : تتأرجح هذه الدوارات، جنبًا إلى جنب مع أنابيب الطرد المركزي، إلى وضع أفقي أثناء وقت التسارع بحيث تنتقل الجزيئات لمسافة أطول، مما يسهل فصل المادة الطافية عن الحبيبة بشكل أسهل. يتم استخدام هذه الأنواع من المحركات في الطرد المركزي المتدرج الكثافة.
الدوارات العمودية : تمسك الأنابيب بشكل عمودي، أي موازية للمحور الحركي، وتتحرك الجسيمات لمسافات أقصر مع فترات أقصر للانفصال. يتم استخدامه لفصل التدرج isopycnic والكثافة.
المعلمات التقنية الرئيسية ومؤشرات الأداء لأجهزة الطرد المركزي
1. السرعة القصوى: أعلى سرعة دوران يمكن تحقيقها بواسطة دوار الطرد المركزي، وتقاس بعدد الدورات في الدقيقة.
2. الحد الأقصى لقوة الطرد المركزي: الحد الأقصى لقوة الطرد المركزي النسبية (RCF) الناتجة عن جهاز الطرد المركزي، وتقاس بـ 'g'.
3. السعة القصوى: الحد الأقصى لحجم العينة الذي يمكن معالجته في دورة طرد مركزي واحدة، ويتم تمثيله عادةً بـ 'm×n'. (هنا، يشير 'm' إلى الحد الأقصى لعدد أنابيب الطرد المركزي التي يمكن استيعابها في وقت واحد، ويمثل 'n' الحد الأقصى لحجم العينة الذي يمكن فصله في أنبوبي طرد مركزي، ويقاس بـ 'ml'.)
4. نطاق السرعة (نطاق ضبط السرعة): النطاق القابل للتعديل لسرعات الدوار في جهاز الطرد المركزي.
5. نطاق التحكم في درجة الحرارة: نطاق درجات حرارة العينة التي يمكن التحكم فيها أثناء تشغيل جهاز الطرد المركزي.
6. جهد التشغيل: الجهد اللازم لتشغيل جهاز الطرد المركزي.
7. استهلاك الطاقة: يشير عادةً إلى الطاقة المقدرة لمحرك الطرد المركزي.
تطبيقات وصيانة أجهزة الطرد المركزي
ونظرًا لسرعة الدوران العالية وقوة الطرد المركزي الكبيرة الناتجة عن أجهزة الطرد المركزي، قد تحدث حوادث خطيرة إذا تم استخدامها بشكل غير صحيح أو افتقرت إلى الفحص والصيانة المنتظمة. ولذلك، يجب التقيد الصارم بإجراءات التشغيل والصيانة أثناء الاستخدام.
1. الحفاظ على التوازن : يجب موازنة أنابيب الطرد المركزي ومحتوياتها مسبقًا ووضعها بشكل متماثل. لا يجب أبدًا تحميل عدد فردي من الأنابيب في الدوار لضمان توزيع الحمل بالتساوي حول الدوار.
2. تحميل الحل المناسب : لا ينبغي تحميل جهاز الطرد المركزي المفتوح بمحلول زائد لمنع رميه للخارج أثناء الطرد المركزي، مما يسبب عدم توازن الدوار أو الصدأ أو التآكل.
3. الحفاظ على الملاحظة : أثناء عملية الطرد المركزي، يجب مراقبة الأدوات الموجودة على جهاز الطرد المركزي باستمرار لتحديد ما إذا كانت تعمل بشكل صحيح. في حالة حدوث أي شيء غير طبيعي، يجب إيقاف الماكينة على الفور للفحص ويجب إزالة الأعطال على الفور. ويجب ألا يستمر في العمل حتى يتم تحديد السبب الجذري.
4. التفتيش قبل كل استخدام : يجب فحص فتحات الدوار بدقة بحثًا عن أي أجسام غريبة وأوساخ للحفاظ على التوازن. يجب أيضًا فحص الدوار بحثًا عن أي علامات تلف أو تآكل.
5. انتبه إلى الأنابيب البلاستيكية : التحكم في تكرار استخدام أنابيب الطرد المركزي البلاستيكية والتحقق من مطابقة المواصفات. الأنواع المختلفة من أنابيب الطرد المركزي لها خصائص مادية مختلفة وحدود قصوى للسرعة.
6. التبريد المسبق : عند الطرد المركزي للعينات في درجات حرارة منخفضة، يكون التبريد المسبق لفترة زمنية معينة ضروريا.
7. الصيانة الدورية : ينبغي معايرة أفقية الجسم الرئيسي لجهاز الطرد المركزي مرة كل ثلاثة أشهر. عند عدم الاستخدام المنتظم، يجب البدء بسرعة منخفضة لمدة 1-2 مرات شهريًا، كل مرة لمدة 0.5 ساعة.
فشل أجهزة الطرد المركزي الشائعة وطرق استكشاف الأخطاء وإصلاحها
الإخفاقات الشائعة
1. المحرك لا يعمل
2. فشل المحرك في الوصول إلى السرعة المقدرة
3. تلف الدوار
4. فشل الفريزر في بدء التشغيل أو ضعف أداء التبريد
5. الاهتزاز المفرط أو الضوضاء غير العادية الصادرة عن جسم جهاز الطرد المركزي
طرق استكشاف الأخطاء وإصلاحها
للمحرك لا يعمل
1. ضوء مؤشر الطاقة الرئيسي غير مضاء: تحقق مما إذا كان المصهر قد احترق، وتأكد من وجود اتصال جيد بين سلك الطاقة والقابس والمقبس.
2. ضوء مؤشر الطاقة الرئيسي مضاء ولكن المحرك لا يمكن أن يبدأ:
(1) تحقق مما إذا كان مفتاح النطاق أو المقاوم المتغير الخزفي تالفًا، أو إذا كانت أسلاك التوصيل الخاصة بهما مفصولة.
(2) تحقق من وجود توصيلات منفصلة أو ذات دائرة قصيرة داخليًا في ملف المجال المغناطيسي.
3. تحقق من قيم مقياس مضخة التفريغ ومؤشر ضغط الزيت.
لفشل المحرك في الوصول إلى السرعة المقدرة
1. تلف عمود الإدارة أو انسداده. وينبغي تنظيفها واستبدالها على الفور.
2. قم بتنظيف العاكس والفرش لضمان الاتصال الجيد، أو استبدالهما.
3. تحقق من وجود أي دوائر قصيرة أو دوائر مفتوحة في ملفات الدوار.
لأضرار الدوار
1. يمكن لرؤوس الدوار أن تمزق أنابيب الطرد المركزي بسبب عوامل مثل التعب المعدني، السرعة الزائدة، الإجهاد الزائد، التآكل الكيميائي، الاختيار غير المناسب، الاستخدام غير المتوازن أثناء التشغيل، وفشل التحكم في درجة الحرارة، مما يؤدي إلى تسرب العينة وتلف رأس الدوار. يحتوي المحرك الكهربائي على محامل علوية وسفلية تتطلب تشحيمًا دوريًا (كل ستة أشهر أو سنويًا).
2. يجب أن يكون المشغلون ماهرين في الإجراءات التشغيلية، وأن يختاروا بشكل صحيح أنابيب الطرد المركزي ورؤوس الدوار المناسبة، وأن يلتزموا بعوامل السلامة وفترات الضمان لاستخدام رأس الدوار.
في حالة فشل تشغيل الفريزر أو ضعف أداء التبريد
1. انقطاع التيار الكهربائي، تحقق من سلك الطاقة والصمامات بشكل منفصل.
2. يؤدي الجهد المنخفض إلى تشغيل أجهزة السلامة التي تمنع الفريزر من البدء.
3. عندما ينخفض جهد الطاقة إلى 180 فولت إلى 190 فولت، لا يمكن للفريزر أن يبدأ التشغيل، مما يؤثر على كفاءة التبريد.
4. يمكن أن يؤثر ضعف أداء التهوية أيضًا على كفاءة التبريد.
في حالة الاهتزاز المفرط أو الضوضاء غير العادية الصادرة عن جسم جهاز الطرد المركزي
1. وزن أنابيب الطرد المركزي غير متوازن، ويتم وضعها بشكل غير متماثل.
2. هناك أجسام غريبة في فتحات الدوار، أو أن الحمل غير متوازن، أو يتم استخدام أكمام أنبوبية غير مؤهلة.
3. صامولة التثبيت في الطرف العلوي من عمود الدوار مفككة، مما يسبب احتكاك أو ثني عمود الدوار.
4. عدم وجود دوار المحرك في مركز المجال المغناطيسي سوف يولد ضوضاء.
5. مسامير تثبيت نوابض التخميد الموجودة على القاعدة مفكوكة، أو أن أحد النوابض مكسور.
6. الدوار نفسه تالف.
