Centrifugación

CENTRIFUGACIÓN Es una operación unitaria en donde se tiene por objeto separar elementos de una mezcla (sean sólidos de líquidos o líquidos de líquidos) debido a la diferencia de densidad, por efecto de la aceleración centrífuga. Aumentando el efecto de sedimentación por gravedad.

A través de este procedimiento se separan materiales de diferente densidad aplicando una fuerza superior a la de la gravedad.

En bioprocesados suele utilizarse para:

- separar células del caldo de fermentación - eliminar desechos celulares - recoger precipitados - preparar medios de filtración

En general, requiere un equipamiento más costoso que para filtración, pero es un procedimiento más efectivo en aquellos casos en los cuales se tienen partículas más pequeñas.

**FUNDAMENTOS**

Para que se de la centrifugación debe existir un fuerte campo impulsor, el cual fuerza a las moléculas a desplazarse a través del medio en que se encuentren con una aceleración mayor a la gravedad. Esta aceleración se denomina aceleración centrífuga.**Aceleración Centrífuga.-** es la aceleración que adquieren los cuerpo por efecto de una fuerza centrífuga. La fuerza centrífuga es una fuerza inercial (ficticia) que resulta de la inercia de los cuerpos al moverse entorno a su eje, ya que estos tienden a seguir una trayectoria lineal o tangencial a la curva que describen, por lo cual junto con la fuerza centrípeda (hacia el centro) aparentemente mantienen a la partícula en el movimiento circular.

La fuerza centrífuga se expresa matemáticamente de la siguiente manera: por lo cual entonces la aceleración centrífuga es igual a:

Por lo cual la **aceleración centrífuga** puede ser tantas veces la gravedad que también es una aceleración, y de esta manera se puede facilitar y agilizar los procesos de sedimentación por gravedad en la que se basa la centrifugación. En otras palabras se imprime una fuerza gravitatoria mas alta que la de la tierra, para provocar que las partículas mas densas se depositen en el fondo de una medio y las partículas menos densas que el medio se agrupen en la parte superior. También hay que señalar que la **aceleración centrífuga** según la ecuación deducida depende de la velocidad angular, es decir que el número de revoluciones durante la centrifugación acelera el proceso.

__Teoría:__

Cuando una partícula de sólido se mueve a través de un medio continuo, su velocidad se ve afectada por 2

fuerzas:

- Por un lado la partícula se acelera por la fuerza resultante de la diferencia que existe entre su densidad y la del medio en el cual está sumergida.

- Por otro lado, existe una fuerza de reacción a la acción anterior que tiende a detener el movimiento de

la partícula.

Por ej. el caso mas sencillo es el de una esfera, en la cual podemos ver que la fuerza de empuje viene dada por:

FB = [ π d3 /6 ρs - ρ ] a

Donde: d: es el diámetro de la esfera ρs: densidad de la esfera ρ: es la densidad del fluido a: aceleración de la partícula

Por su parte, la fuerza que se opone al movimiento de la partícula viene definida por la ley de Stokes:

FD = 3π d μ v

Donde: μ: es la viscosidad del medio v: es la velocidad de la partícula

Se considera que las aproximaciones anteriores se cumplen para esferas pequeñas:

d ρ v / μ < 1

La relación anterior habitualmente se cumple para los fluidos biológicos.

Entonces, Cuando la partícula comienza a moverse en la solución, lo hace a baja velocidad y la FD es pequeña. Luego la partícula se acelera hasta que las fuerzas se igualen:

FB = FD

De allí podemos conocer su velocidad, donde la aceleración (a) será g en la sedimentación y w2r en la centrifugación.

Algunos aspectos de interés:

La efectividad del proceso depende de la velocidad que alcanza la partícula dentro de la centrífuga, en comparación con lo que ocurriría bajo influencia de la gravedad.

La relación de velocidades de la partícula en la centrífuga respecto de aquella observada con gravedad se conoce como efecto centrífugo o número g:

Z = w2 r / g

La fuerza desarrollada en una centrífuga es Z veces la de la fuerza de gravedad.

__Centrífugas Industriales:__ poseen factores de Z desde 300 a 16000.

__Centrífugas de Laboratorio:__ pueden alcanzar valores de Z de 500000

En una centrífuga, la sedimentación se produce cuando las partículas que se alejan del centro de rotación colisionan con las paredes de la cesta.

De las expresiones anteriores podemos ver que la velocidad de la partícula puede aumentarse en una centrífuga por: - ↑ de w - ↑ de d - ↑ (ρs - ρ) - ↓ μ

Además, el tiempo de exposición de la fuerza centrífuga también influirá para que las partículas alcancen las paredes:

- en continuo, el t lo ↑ disminuyendo el caudal. - En un sistema discontinuo se lo deja funcionando más tiempo.

**TIPOS DE CENTRIFUGACIÓN**

En la práctica existen diferentes tipos de centrifugación, útiles para diferentes tipos de uso, los principales tipos son:

Este tipo de centrifugación se basa en la separación de partículas debido a su tamaño, masa y densidad. Sin embargo no se puede separar partículas con poca diferencia en sus densidades, ya que las mismas precipitan juntas. Razón por la cual suele utilizarse centrifugaciones secuenciales a diferentes velocidades para lograr separaciones mas eficientes. Es una técnica muy utilizada en la separación de organelos y grandes biomoléculas, sin embargo es inútil para separar partículas a nivel molecular. Las partículas a separar se separan por la diferencia en la velocidad de sedimentación a causa de la diferencia de masa de cada una. La muestra se coloca encima de un gradiente de densidad preformado. Por la fuerza centrífuga las partículas sedimentan a distinta velocidad a traves del gradiente de densidad según su masa. Se debe tener en cuenta el tiempo de centrifugación ya que si se excede, todas las moléculas podrían sedimentar en el fondo del tubo de ensayo.
 * Centrifugación Diferencial**
 * Centrifugación Zonal o de velocidad de sedimentación**.



**Centrifugación Isopícnica**

La alimentación ingresa a través de la boquilla inferior. Al girar la cesta, las partículas que ascienden colisionan contra las paredes Para separarse del líquido los sólidos deben moverse a una velocidad suficiente como para alcanzar la pared de la cesta durante el tiempo de residencia del líquido en la máquina.
 * Centrífuga tubular**

El líquido de alimentación se recoge en la parte superior de la cesta mientras que los sólidos colisionados en la pared se recogen por separado.

El uso de estas centrífugas suele estar destinado principalmente a procesos que requieren elevadas fuerzas centrífugas (entre 13000 y 16000 veces la fuerza de la gravedad).

__Trayectorias de las partículas__: El análisis de esta centrífuga dependerá fundamentalmente de encontrar la posición de la partícula como función del tiempo. Se asume que la partícula está a una distancia z del fondo de la centrífuga, y a una distancia r del eje de r del eje de rotación.

Su uso es muy común en la centrifugación de bioprocesados. Poseen láminas cónicas de metal (discos) apiladas una encima de la otra con separaciones entre ellas de aproximadamente 0.3 mm. Los discos giran con la cesta y su función consiste en dividir el líquido en finas capas.
 * Centrífuga de Discos**

Los sólidos van golpeando con la parte inferior de los discos y resbalan hacia el fondo de la cesta. Al mismo tiempo, el líquido más ligero fluye hacia adentro por la parte superior de los discos y se descarga en la parte superior de la cesta.

Generalmente desarrollan fuerzas de entre 5000 y 15000 veces la fuerza de gravedad.

__Trayectorias de las partículas.__ En este caso la geometría es un poco más compleja.

El filtro es un cilindro poroso de radio R0. La solución de alimentación es enviada hacia la pared interior del cilindro a través de una rotación intensa.
 * Filtración centrífuga**

__Aspectos a tener en cuenta en el análisis:__ Nuevamente, la velocidad del flujo a través de la torta es proporcional a la caída de presión (Δp). Pero, dado que la superficie de la torta no es totalmente plana, la caída de presión varía con el radio. Además, la velocidad a través de la torta no es constante, sino que es más alta hacia el centro de la misma.

**Ultracentrifugación**


 * RENDIMIENTO DE UNA CENTRIFUGA**

El rendimiento de centrífugas de diferente tamaño puede evaluarse utilizando un parámetro conocido como FACTOR SIGMA (Σ). Físicamente Σ representa el área de la sección transversal de un dispositivo que opera bajo gravedad con las mismas características de sedimentación que una centrífuga. Para dos centrífugas continuas, Σ se relaciona con la velocidad de alimentación del material: Σ = Q / 2vg Donde Q es el caudal volumétrico de alimentación y vg la velocidad terminal de las partículas en un campo gravitatorio. Si dos centrífugas cumplen con la misma efectividad:

Las ecuaciones necesarias para el cálculo de Σ dependen del diseño de la centrífuga. Para una centrífuga de discos: Donde:

R0 el radio exterior del disco R1 el radio interior del disco g es la aceleración de la gravedad θ es el ángulo

Para una centrífuga de cesta tubular la siguiente expresión posee una precisión del 4%: Donde l es la longitud de la cesta, R1 el radio de la sup. del líquido y R0 el radio de la pared interior de la cesta.

Dado que R1 y R0 son aprox. iguales en una centrífuga tubular:

donde R es ahora el radio medio. **APLICACIONES DE LA CENTRIFUGACIÓN**

La separación centrífuga es desde hace más de un siglo una de las operaciones unitarias más importantes en procesos claves de las industrias químicas, farmacéuticas, tratamiento de efluentes, purificación de aceites combustibles y lubricantes y suspensiones en general. En el campo de la tecnología de la separación mecánica las separadoras y decantadoras se catalogan dentro de las centrifugadoras, se emplean para la concentración de sólidos, clarificación de suspensiones y separación de mezclas de líquidos con eliminación simultánea de sólidos.

El equipo de centrifugación es más caro que el de filtración, sin embargo, la centrifugación es más efectiva cuando se utilizan partículas pequeñas que son difíciles de filtrar. La centrifugación del caldo de fermentación produce un lodo de células concentrado y espeso que contiene más líquido que la torta filtrante.

Esencialmente la centrifugación es una decantación selectiva de los componentes insolubles de una mezcla bajo condiciones de gravedad artificial. En la industria existe una gran variedad de centrífugas las cuales pueden ser clasificadas de muy diversas formas, a continuación se realiza una clasificación de un pequeño grupo de centrífugas conocidas como sedimentadoras y se realiza esta clasificación tomando como referencia la cantidad de sólidos a la entrada de la centrífuga.

Basados en la centrifugación, existen distintos aparatos para efectuar las separaciones espedíficas:


 * 1.- Centrífugas:** las centrífugas para separación de sólidos de un líquido son realmente filtros centrifugos, los cuales consisten en una cesta filtrante cilindrica, la misma que está sometida a unrépido giro, sobre cuyas paredes interiores se lanza la suspensión. El líquido atraviesa la pared, retirándose el sólido de la pared en forma manual o automática. La separación de dos líquidos de distinta densidad e inmiscibles puede llevarse a cabo asimismo e otras centrífugas de diseño apropiado



Las centrifugas industriales generan grandes cantidades de calor debidas al rozamiento, por lo que es necesario disponer de una buena ventilación o refrigeración.

Hay ciertos aerosoles que se forman por las centrifugas de giro rápido que pueden generar infecciones y reacciones alérgicas en los trabajadores, siendo necesario instalar cabinas aislantes para la realización de ciertos trabajos.

La centrifugación es más efectiva cuando las partículas que se desean separar son grandes, la viscocidad del líquido baja y la diferencia de densidad entre las partículas y el fluido elevada. La separación se favorece también utilizando radios grandes de la centrifugación y elevada velocidad del giro.

En la centrifugación de sólidos biológicos como las células, las partículas son muy pequeñas , la viscosidad del medio puede ser relativamente alta y la densidad de las partículas muy similar al fluido de suspensión. Estos inconvenientes se superan en laboratorio fácilmente mediante centrifugas que operan a elevadas velocidades.

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Existen ciertos inconvenientes como:
 * 1) Problemas a nivel industrial cuando deben tratarse grandes cantidades de material.
 * 2) La capacidad de las centrífugas no pueden aumentar indefinidamente con un simple aumento del tamaño del equipo, ya que la tensión mecánica aumenta en proporción al (radio)2, disminuyendo las velocidades que deben cumplirse para mantener las normas de seguridad.
 * 3) Se ve restringida la velocidad operación debido a las necesidades de de una descarga continua del material.

En este PDF podemos encontrar como solucionar problemas de centrífugas discontinuas.



**CENTRIFUGACIÓN POR SEDIMENTACIÓN** Esta contiene un cilindro o un cono de pared sólida que gira alrededor de un eje horizontal o vertical. Por fuerza centrífuga, una capa anular de líquido de espesor fijo se sostiene contra la pared. A causa de que esta fuerza es bastante grande comparada con la de la gravedad, la superficie del líquido se encuentra esencialmente paralela al eje de rotación, independientemente de la orientación de la unidad. Las fases densas "se hunden" hacia fuera y las fases menos densas se le va ntan haci a de nt ro. Las partí culas pesadas se acumulan sobre la pared y deben retirarse continua y periódicamente.

**CENTRIFUGACIÓN POR FILTROS**

Est as ope ran como el tambor de rotaci ón de una lavad ora doméstica. La pared de la canasta está perforada y cubierta con un medio filtrante, como una tela o una rejilla fina, el líquido pasa a través dela pared impelido por la fuerza centrífuga dejando una torta de sól idos sob re el medio fil tra nte. La rapidez de filtración se incrementa con esta fuerza ycon la per mea bilidad de la tor ta sól ida. Alg uno s só lidos comp resib le s no se filtran bien en una centrífuga a causa de la deformación que sufren las partículas por la acción de la fuerza centrífuga, por lo que la per mea bilidad de la tor ta se ve re ducida consid erablemente. La cantidad de líquido que se a dh ier e a los sólidos des pués que éstos se han ce nt ri fuga do depend e ta mb ién de la fuer za centrífuga aplicada; en general, el líquido retenido es considerablemente menor que el que queda en la torta que producen otros tipos de filtros.

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 * APLICACIONES DE LA CENTRIFUGACIÓN**

INDUSTRIA DEL CUERO

En la industria del cuero tiene las siguientes características:
 * Remoción de sólidos y clarificación de los efluentes
 * Recuperación de cromo
 * Recuperación de cebo
 * Clarificación del agua de pintado

La utilización de las centrífugas en la industria del cuero representa un avance importante en cuanto a minimizar el impacto ambiental en la curtiembre y en el entorno que la rodea, los olores pueden ser prácticamente eliminados, evitando la necesidad de filtración de aire y cubiertos especiales. Para un gran número de empresas, éste fue un factor determinante al tener que decidir acerca del sistema menos contaminante para el medio ambiente

Las características que debe tener las centrífugas utilizadas en este tipo de industria son:
 * Diseñadas para poder trabajar a altas temperaturas
 * Deben poder trabajar con atmósferas deflagrantes
 * Descarga de líquidos por gravedad o utilizando bombas centrípetas ajustadas desde el exterior de la máquina

INDUSTRIA CERVECERA

En la industria cervecera, las centrífugas de discos permiten separar la turbidez del mosto, clarificar la cerveza joven, ajustar la cantidad de células de levadura en la cerveza de trigo, facilitar la filtración separando las células de levadura, así como también limpiar los líquidos que provienen de sistemas de lavado.

Productos muy blandos como los fondos de tanque o las células de levadura requieren tanto un tratamiento suave como una fuerza centrífuga muy alta para una separación óptima, las centrífugas de disco, también permite expulsar mediante precisas descargas parciales, los sólidos separados fuera de la centrífuga cuando está se encuentra funcionando a plena velocidad. VENTAJAS


 * Cierre hidro hermético del equipo que no permite el contacto entre el producto y la atmósfera, de forma que se evita la oxidación de la cerveza que tendría lugar sin la presencia de elementos mecánicos de cierre.
 * Aceleración suave gracias a un sistema especial de alimentación.
 * Mínimas pérdidas de cerveza y/o de mosto mediante precisas descargas reguladas por un sistema de control en función de la medición de la turbidez.
 * Pueden ser instaladas en los más diversos lugares de producción sin necesidad de protección acústica.

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 * REFERENCIAS**


 * Procesos de Separacion. Laboratorio de Ingenieria Quimica UNAN. []
 * Dorán P.1998. Principios de Ingeniería de los Bioprocesos. pag 237-239