Centrifuges
Een centrifuge is een apparaat dat gebruikt wordt om gemengde stoffen te scheiden door het in beweging brengen en het uitoefenen van een centripetale kracht op een mengsel die bestanddelen kan scheiden. Een andere toepassing is de centrifuge die wordt gebruikt om water uit het wasgoed te onttrekken. Een dergelijke centrifuge wordt in Vlaanderen een droogzwierder genoemd.
Werking
In principe is een centrifuge een motor die een as laat ronddraaien. Aan de as kunnen containers met suspensies gehangen worden. Door de draaiende beweging ontstaat een kunstmatig buitenwaarts gericht zwaartekrachtveld. Voor de beschouwing met een "kunstmatig" zwaartekrachtveld (in een als stilstaand beschouwde oplossing) met een ronddraaiende kosmos betreden we het terrein van de Algemene Relativiteitstheorie en gaan onderstaande formules van Christiaan Huygens eigenlijk niet op, maar dit heeft geen praktische consequenties.
Het blijft ook mogelijk om de scheiding te zien als een gevolg van de grotere traagheid van de zwaardere bestanddelen die daardoor meer aan de buitenkant van de draaiende centrifuge blijven, terwijl de lichtere minder trage bestanddelen makkelijker naar binnen toe worden versneld. De zwaardere deeltjes zullen naar de buitenkant van de centrifuge bewegen, de lichtere naar de binnenkant. (De centrifuge die dient voor het drogen van wasgoed, heeft een zeefvormige container. De waterdeeltjes uit het wasgoed kunnen de zeef passeren; het wasgoed kan dit echter niet.) Het kunstmatige zwaartekrachtveld is afhankelijk van het toerental en de afstand tot de as volgens de formule:
- r = de afstand tot de as
- m = de massa
- ω = de hoeksnelheid in radialen/seconde
- f = het aantal omwentelingen per seconde
- T = de omwentelingstijd
De sterkte van het zwaartekrachtsveld is dus afhankelijk van het kwadraat van het toerental en lineair afhankelijk van de grootte van de centrifuge. het zwaartekrachtsveld is ook veel minder homogeen dan het aardse zwaartekrachtsveld, het is dicht bij de as kleiner dan aan de buitenkant. Relatief zwaardere deeltjes (macromoleculen, colloïdale deeltjes, zware isotopen) zullen door dit zwaartekrachtsveld naar de buitenkant van de centrifuge gewongen worden. Aangezien dit veld sterker is dan het aardse veld zullen ze sneller sedimenteren en wordt bij scheiding van isotopen in een gasmengsel en van macromoleculen in oplossing minder hinder ondervonden van diffusie.
Toepassingen
Er zijn verschillende soorten centrifuges in gebruik, voor verschillende doeleinden.
In de chemie, biologie en biochemie dient een centrifuge om suspensies te scheiden. Als de bestanddelen een verschillend soortelijk gewicht hebben, zullen ze zich in een kunstmatig zwaartekrachtveld scheiden. Op deze wijze is het mogelijk bloedplasma van bloedcellen en bloedplaatjes te scheiden, of neergeslagen eiwitten in een oplossing snel te laten bezinken. Vaak worden ook waterige oplossingen geschud met koolwaterstoffen die wateronoplosbaar zijn om de vetoplosbare bestanddelen uit de waterfase te halen. Daarna kan de koolwaterstofoplossing weer afgecentrifugeerd worden.
In de zuivelindustrie en voedingsmiddelenindustrie worden centrifuges ook op grote schaal toegepast om mengsels te scheiden. Denk bijvoorbeeld aan het ontvetten van melk. Ook bij het raffineren van plantaardige olie worden centrifuges gebruikt. Zeer snel roterende centrifuges, de zogenaamde ultracentrifuges, worden gebruikt om macromoleculen te laten sedimenteren. Uit de sedimentatiesnelheden kunnen de moleculaire gewichten geschat worden. Dergelijke ultracentrifuges zijn in 1925 uitgevonden door Theodor Svedberg, die daar in 1926 de Nobelprijs voor kreeg. Ultracentrifuges worden ook gebruikt om isotopen van stoffen te scheiden. Een dergelijke centrifuge kan gebruikt worden om uranium te verrijken voor gebruik als nucleaire brandstof, of nog verder te verrijken tot splijtstof.
Zeer grote centrifuges worden gebruikt door straaljagerpiloten en astronauten om te oefenen met G-krachten. Een dergelijke centrifuge treft men ook wel eens op de kermis aan. Het betreft dan een draaiende ton waarin mensen tegen de wand geplakt blijven.
