Centrifugación
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La centrifugación es un método para separar compuestos de una mezcla en función de su diferencia de densidad al someterlos a la fuerza centrífuga . La mezcla a separar puede constar de dos fases líquidas o de partículas sólidas suspendidas en un fluido . El aparato utilizado es una máquina rotativa de alta velocidad denominada centrífuga . Esta técnica no forma parte de las operaciones unitarias en la ingeniería de procesos .
Etimología
La palabra centrifugación se construye a partir del verbo “centrifugar” que proviene del latín fugere que significa “huir” y del “centro”, al que se agrega el sufijo -ation que indica una acción, un efecto físico.
Principio
La separación de los compuestos de una mezcla se puede llevar a cabo por sedimentación , únicamente bajo la acción de la gravedad, pero a veces requiere mucho tiempo para obtener buenos resultados y, por lo tanto, a menudo es ineficaz. Por tanto, es más eficaz utilizar la centrifugación. Durante esta operación de separación, los compuestos en el fluido ubicados a una distancia r del eje de rotación están sometidos a diferentes fuerzas:
- La fuerza descendente de la gravedad Fp
- El impulso ascendente de Arquímedes Fa
- Una fuerza de fricción Fv
- La fuerza centrípeta F'c
- La fuerza centrífuga Fc
La separación se produce por la acción de la fuerza centrífuga Fc sobre los compuestos. Esta fuerza centrífuga, expresada en newtons , viene dada por la relación Fc = mγ c con γ c = rω² en m / s² incluyendo:
- La masa m del compuesto que se va a separar
- La distancia r del tubo al eje de rotación de la centrífuga
- La velocidad angular ω en radianes por segundo o rpm.
La relación entre la fuerza centrífuga Fc y el peso Fp se denomina intensidad de la gravedad artificial y se expresa en " g ". Los valores utilizados en la centrifugación son aproximadamente de 400 a 10.000 g , lo que corresponde a velocidades de rotación del orden de 2.000 a 10.000 rev / min según el radio de los rotores.
La centrifugación utiliza la fuerza centrífuga ejercida sobre las partículas incluidas en la solución, para segregar ciertos componentes. Esta separación se produce según la densidad de las partículas. La fuerza ejercida por la aceleración a alta velocidad de la solución a separar se rige por la ley de Stokes :
Esta ley permite calcular la velocidad de sedimentación de las partículas. En esta ecuación, el componente v s es la velocidad de sedimentación, r es el radio de la partícula en solución, Δρ es la diferencia de densidad entre la partícula y el medio donde está contenida la partícula, g es la aceleración debida a la fuerza centrífuga en centrífuga, η es la viscosidad de la solución.
Aplicaciones
La centrifugación se utiliza en tres áreas principales:
- la separación de diferentes especies entre sí:
- en la vida cotidiana: centrifugar la ensalada ( por ejemplo: centrifugadora de ensaladas ), centrifugar la ropa (por ejemplo: lavadora ), extraer jugo de frutas y verduras;
- en el medio ambiente: desecación de lodos para el tratamiento de aguas residuales;
- en la industria alimentaria : separación de nata de leche ( desnatado ), eliminación de partículas de cerveza o vino ( clarificación ), extracción de aceites y grasas ( extracción de aceite de oliva ), extracción de miel ( apicultura );
- en laboratorios: para recuperar un precipitado , para separar elementos representados en la sangre ( glóbulos rojos , glóbulos blancos , plaquetas suspendidas en plasma sanguíneo ), separación de compuestos celulares para estudio bioquímico o molecular;
- en lavado de oro : separar el oro de las arenas auríferas con una sartén ;
- en el campo nuclear: enriquecer uranio con el isótopo ligero 235 U ;
- análisis químico:
- la conformación de materiales:
- colada centrífuga de metales y hormigón;
- moldeo centrífugo para plásticos y materiales compuestos;
- revestimiento por centrifugación ;
- haciendo algodón de azúcar .
En biologia
Ciertas aplicaciones, como la separación de macromoléculas biológicas ( proteínas , ácidos nucleicos ), requieren el uso del método de ultracentrifugación desarrollado por Theodor Svedberg , que utiliza aceleraciones muy elevadas del orden de 200.000 gy que requiere, por tanto, velocidades de rotación de varias decenas de miles. de revoluciones por minuto.
Para el enriquecimiento de uranio
Uno de los usos más conocidos de la centrifugación es el enriquecimiento de uranio . Dado que el uranio como mineral contiene menos del uno por ciento de uranio 235 , el isótopo fisible , es necesario separarlo de su isótopo estable, el uranio 238 . La ligera diferencia de masa de los dos isótopos, debido a los tres neutrones adicionales del uranio 238 , permite la separación por centrifugación. Primero, el uranio se transforma en hexafluoruro de uranio , un compuesto de uranio que es gaseoso a una temperatura ligeramente superior a la temperatura ambiente. A continuación, el hexafluoruro de uranio se somete a centrifugación, durante la cual el isótopo más ligero de uranio tiende a difundirse hacia el centro de la centrífuga. Por el contrario , el isótopo más pesado tiende a difundirse hacia las paredes de la centrífuga. Por tanto, un conducto en el centro de la centrífuga y otro en las paredes extraen el hexafluoruro, empobrecido y enriquecido respectivamente. Este proceso se repite en cascada hasta que se alcanza el grado de pureza deseado en la concentración de isótopo fisible en relación con el isótopo no fisionable.
Notas y referencias
- Bernard Veynachter y Pascal Pottier, Centrifugación y decantación , Técnicas de ingeniería, F2730, marzo de 2007
- Kane Sternheim, Physique, 1984, InterÉditions ( ISBN 2-7296-0098-1 ) p. 330
- Michel Robatel y Philippe Borel, Centrifugación, general. Teoría. Técnicas de ingeniería, A5550, mayo de 1989
- El señor Seguin B.Villeneuve, B.Marcheterre, R.Gagnon, Mecánica Física 1 , Besson, 4 ª edición, p. 434 .
- (en) Kirk, Raymond E. Encyclopedia of Chemical Technology , 4 ª edición, Nueva York: Wiley, 1991.
- Jean Lemerle, " Centrifugation " , en Encyclopædia Universalis (consultado el 26 de julio de 2015 )
- 50 millones de consumidores, n o 288, octubre de 1995.
- Jean Lemerle, Ultracentrifugación y sus aplicaciones en química mineral , L'Actualité Chimique, p. 3-28 , París, marzo de 1974.