zentrifugo

SARRERA DESBERDINA:

Zentrifugagailu

Zentrifugatzailea lagin bat errotazioan jarri eta indar zentrifugoaren bidez haren osagaien dekantazio edo sedimentazio prozesua azkartzen duen makina edo tresna da. Funtsean, dentsitate ezberdineko substantziak (izan likidoak, gasak edo esekiduran dauden solidoak) bereizteko erabiltzen da. Errotore baten bidez abiadura angeluar handian biratzean, makinak grabitatearen indarra milaka aldiz biderkatzen du, partikula trinkoenak errotorearen kanpoalderantz bultzatuz eta arinenak erdialderantz utziz.^[1] Mota ezberdinetakoak daude, betiere beren helburu zehatzen arabera, hasi laborategietako mikrozentrifugatzaile txikietatik eta uranioa aberasteko erabiltzen diren industria-mailako gas-zentrifugatzaile erraldoietaraino.
Zentrifugazioaren printzipioa antzinatik ezagutzen bazen ere, makinaren garapen teknologikoa XIX. mendean hasi zen. Hasierako garapen nagusia elikagaien industrian gertatu zen. 1864an, Antonin Prandtl asmatzaile alemaniarrak esnearen gain-esnea banantzeko lehen zentrifugatzaile mekanikoa asmatu zuen. Handik gutxira, 1879an, suediar jatorriko Gustaf de Laval ingeniariak prozesu hori hobetu eta komertzializatu zuen, esnekien industria erabat irauliz.^[2]
Tresna hauen erabilera laborategi zientifikoetara igaro zen biologia eta medikuntza garatzen hasi zirenean. 1880ko hamarkadan, Friedrich Miescher biologoak, DNAren aurkitzaileak, eskuz eragindako zentrifugatzaile primitibo bat erabili zuen zelulen nukleoak isolatzeko.
Mende baten buruan, zentrifugazioaren arloko mugarri zientifikorik garrantzitsuena Suediako Uppsalako Unibertsitatean eman zen, Theodor Svedberg kimikariaren eskutik. 1920ko hamarkadan, Svedbergek lehen ultrazentrifugatzailea asmatu zuen. Makina honek izugarrizko errotazio-abiadurak har zitzakeen, 100.000 g-ko (grabitatearen indarra halako ehun mila) azelerazioa gaindituz.^[3] Gailu horri esker, proteinak eta polimeroak beren pisu molekularraren arabera banatzea lortu zuen. Asmakizun eta aurkikuntza horrengatik, Svedbergek Kimikako Nobel Saria jaso zuen 1926an, eta gaur egun sedimentazio-tasa neurtzeko unitateari bere izena eman zaio (Svedberg unitatea edo S).
Geroago, 1930eko hamarkadan, Jesse Beams fisikari estatubatuarrak huts-sistemak integratu zituen zentrifugatzaileetan, airearen marruskadurak sortzen zuen beroketa ekiditeko eta are abiadura handiagoak lortzeko. Teknologia hori ezinbestekoa izan zen Bigarren Mundu Gerran, Manhattan Proiektuaren barruan gas-zentrifugatzaileak garatzeko isotopo erradioaktiboak bereizteko asmoz.^[4]
Zentrifugatzaile baten funtzionamendua mekanika newtondarrean eta zinematika errotazionalean oinarritzen da. Esekiduran dagoen partikula bat errotazioan jartzean, higiduraren ardatzarekiko kanporantz jotzeko joera agertzen du, inertziaren ondorioz. Nahiz eta hizkera arruntean "indar zentrifugo" deitzen diogun, fisikan onartzen da indar hori erreferentzia-sistema ez-inertzial baten ikuspegitik soilik existitzen dela (indar fiktizioa da). Benetako indarra, partikula zirkuluan mantentzen duena, indar zentripetua da.^[5]
Zentrifugatzaile baten errendimendua neurtzeko erabiltzen den magnitude nagusia Ezaugarri Zentrifugo Erlatiboa da (ingelesez, RCF edo Relative Centrifugal Force). Magnitude horrek adierazten du grabitatearen azelerazio estandarra (${\displaystyle g}$) halako zenbat den ezartzen den azelerazio zentrifugoa. Formulazio matematikoan honela adierazten da:
${\displaystyle RCF={\frac {r\cdot \omega ^{2}}{g}}}$
Non:
Laborategietan oso zaila da abiadura angeluarra radianetan zuzenean neurtzea. Horregatik, ekuazio hori minutu bakoitzeko bira edo erreboluzioen arabera (RPM) berridazten da. Konstante guztiak batuz, ekuazio praktiko hau lortzen da laborategiko lanerako:^[6]
${\displaystyle RCF=1,118\times 10^{-5}\cdot r\cdot (RPM)^{2}}$
Molekula bat edo partikula bat fluido batean zentrifugatzen denean zenbat denbora beharko duen hondora (kondera) joateko zehazteko, Stokesen legea erabiltzen da. Sedimentazio-abiadura (${\displaystyle v}$) honako ekuazio honen bidez kalkulatzen da:^[7]
${\displaystyle v={\frac {d^{2}(\rho _{p}-\rho _{l})\omega ^{2}r}{18\mu }}}$
Ekuazio horrek erakusten du sedimentazio-abiadura partikularen diametroaren karratuaren (${\displaystyle d^{2}}$) eta partikularen eta fluidoaren arteko dentsitate-diferentziaren (${\displaystyle \rho _{p}-\rho _{l}}$) zuzenki proportzionala dela. Aldiz, fluidoaren biskositatearekiko (${\displaystyle \mu }$) alderantziz proportzionala da. Funtsean, partikula handiagoak eta trinkoagoak askoz azkarrago metatzen dira zentrifugatzailearen hondoan.
Lagin zientifikoak bereizteko, zentrifugatzaileek hainbat metodologia tekniko erabiltzen dituzte biologia eta biokimika ikerketetan:^[8]
Makinaren tamainaren, diseinuaren eta helburuaren arabera, hainbat motatako zentrifugatzaileak aurki ditzakegu zientziaren zein industriaren esparruan:
Ikerkuntzan eta medikuntzan erabiltzen diren gailuak dira. Bolumen eta abiadura ezberdinetara egokitzen dira:
Ezagutzen diren zentrifugatzaile ahaltsuenak dira, 100.000 RPM baino abiadura handiagoak lor ditzaketenak (1.000.000 g baino gehiago). Abiadura izugarri horretan errotoreak airearekin duen marruskadurak metalak urtu egingo lituzkeenez, ultrazentrifugatzaileek makina osoa huts absolutuan isolatzen dute martxan daudenean. Honen bidez, birusak, erribosomak eta makromolekulak banandu daitezke.^[10]
Gas-zentrifugatzaileak printzipio bera erabiltzen duten zilindro bertikal eta luzeak dira, baina fluidoen ordez gasak bereizteko. Beren aplikazio nagusia eta ia esklusiboa energia nuklearraren sektorean dago: isotopoen banaketa. Uranio naturala gas bihurtzen da (uranio hexafluoruro gisa) eta zentrifugatzailean sartzen da. Biratzean, Uranio-238 isotopo astunena kanpoaldera joaten da, eta Uranio-235 isotopo arinena (erradioaktiboena eta fisiorako baliagarriena dena) erdialdean geratzen da. Gero, gas hori atera eta beste zentrifugatzaile batera pasatzen da, horrela milaka makinako kaskadak osatuz uranio aberastua lortzeko.^[11]
Zientziaz kanpo ere asmakizun honek baditu aplikazio ugari:
Zentrifugazioak inpaktu zuzena du ezagutza eta teknologiaren hainbat esparrutan:
Zentrifugatzaile bat tresna erabilgarria bezain arriskutsua izan daiteke behar bezala erabiltzen ez bada. Makinak abiadura handian biratzen duenez (hamar mila RPM baino gehiago), barruko indar zinetikoa ikaragarria da. Segurtasun-arau garrantzitsuena errotorea **orekatzea** da. Zentrifugatzailean hodi bat sartzen bada, aurrez aurreko posizioan pisu zehatz bereko beste hodi bat jarri behar da nahitaez. Pisua ez bada simetrikoa, makina abiadura handian bibratzen hasiko da bibrazio harmoniko suntsigarrien ondorioz. Oreka falta honek errotorea lehertzea eragin dezake, metal zatiak laborategian zehar bala gisa jaurtiz eta makina bera erabat txikituz.^[14]
Horrez gain, lagin biologikoekin (birusak, bakterio infekziosoak) lan egiten denean, hodiak ondo itxita egon behar dira eta errotoreek estalki hermetiko bereziak izan behar dituzte (aerosol-babesak). Hodi bat barruan apurtuko balitz, infekzioa laborategiko airean zabal ez dadin bermatzen dute estalki hauek.
Odolaren analisia eta transfusioak: Pertsonei odola ateratzen zaienean, hodiak laborategira eraman eta zentrifugatu egiten dira berehala. Hondora globulu gorriak (eritrozitoak) doaz; erdian, kapa oso fin eta zuri batean, leukozitoak (globulu zuriak) eta plaketak geratzen dira; eta goiko aldean plasma izeneko likido horixka geratzen da, proteinez eta antigorputzez betea. Banaketa hori ezinbestekoa da odol-analisiak egiteko eta transfusio espezifikoak prestatzeko.
Biologia molekularra eta genetika: DNAren edota RNAren erauzketa egiteko prozesu kimikoetan zentrifugazio etengabea eskatzen da, zeluletako mintzak eta gainerako zabor organikoa garbitu eta azido nukleiko puruak lortzeko. PCR probak egiteko urrats tekniko garrantzitsuenetako bat da.^[13]
Energia Nuklearra: Arestian aipatutako gas-zentrifugatzaileen bidez lortutako uranio aberastua ezinbestekoa da zentral nuklearretako erreaktoreak elikatzeko. Teknologia hau oso sentikorra da nazioarte mailan, maila militarreko arma nuklearrak garatzeko ezkutuko bidea ere izan baitaitekeenez, Nazioarteko Energia Atomikoaren Agentziak (IAEA) zorrozki zaindutako teknologia da.