Centrífugo

Dispositivo que utiliza fuerza centrífuga para separar fluidos.

Una centrífuga de mesa de laboratorio. La unidad giratoria, llamada rotor , tiene orificios fijos perforados en ángulo (con respecto a la vertical), visibles dentro del borde plateado liso. Se colocan tubos de muestra en estas ranuras y se hace girar el motor. Como la fuerza centrífuga está en el plano horizontal y los tubos están fijos en ángulo, las partículas tienen que viajar sólo una corta distancia antes de golpear la pared del tubo y luego deslizarse hacia el fondo. Estos rotores angulares son muy populares en el laboratorio para uso rutinario.

Una centrífuga es un dispositivo que utiliza la fuerza centrífuga para someter una muestra a una fuerza constante específica, por ejemplo, para separar varios componentes de un fluido. Esto se logra haciendo girar el fluido a alta velocidad dentro de un recipiente, separando así fluidos de diferentes densidades (por ejemplo, crema de leche) o líquidos de sólidos. Funciona haciendo que sustancias y partículas más densas se muevan hacia afuera en dirección radial. Al mismo tiempo, los objetos menos densos son desplazados y trasladados al centro. En una centrífuga de laboratorio que utiliza tubos de muestra, la aceleración radial hace que las partículas más densas se depositen en el fondo del tubo, mientras que las sustancias de baja densidad suben a la parte superior. ^[1] Una centrífuga puede ser un filtro muy eficaz que separa los contaminantes del cuerpo principal de fluido.

Las centrífugas a escala industrial se utilizan comúnmente en la fabricación y el procesamiento de residuos para sedimentar sólidos suspendidos o para separar líquidos inmiscibles . Un ejemplo es el separador de nata que se encuentra en las lecherías . Las centrífugas y ultracentrífugas de muy alta velocidad , capaces de proporcionar aceleraciones muy elevadas, pueden separar partículas finas hasta la nanoescala y moléculas de diferentes masas. Se utilizan centrifugadoras grandes para simular entornos de alta gravedad o aceleración (por ejemplo, entrenamiento de alta G para pilotos de prueba). Las centrífugas de tamaño mediano se utilizan en lavadoras y en algunas piscinas para extraer el agua de los tejidos. Las centrífugas de gas se utilizan para la separación de isótopos , como por ejemplo para enriquecer el combustible nuclear en isótopos fisibles .

Historia

Una centrífuga de laboratorio de manivela del siglo XIX.

El ingeniero militar inglés Benjamin Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia . En 1864, Antonin Prandtl propuso la idea de una centrífuga láctea para separar la nata de la leche. Posteriormente, la idea fue puesta en práctica por su hermano, Alexander Prandtl, quien mejoró el diseño de su hermano y exhibió una máquina de extracción de grasa láctea en funcionamiento en 1875. ^[2]

Tipos

Una máquina centrífuga puede describirse como una máquina con un recipiente que gira rápidamente y que aplica fuerza centrífuga a su contenido. Existen varios tipos de centrífugas, que pueden clasificarse según el uso previsto o el diseño del rotor:

Tipos por diseño de rotor: ^{[3] [4] [5] [6]}

• Las centrífugas de ángulo fijo están diseñadas para mantener los recipientes de muestra en un ángulo constante con respecto al eje central.
• Las centrífugas de cabezal oscilante (o de cubo oscilante), a diferencia de las centrífugas de ángulo fijo, tienen una bisagra donde se fijan los recipientes de muestra al rotor central. Esto permite que todas las muestras oscilen hacia afuera a medida que gira la centrífuga.
• Las centrífugas tubulares continuas no tienen recipientes de muestra individuales y se utilizan para aplicaciones de gran volumen.

Tipos por uso previsto:

• Las centrífugas de laboratorio son instrumentos de uso general de varios tipos con capacidades distintas, pero superpuestas. Estos incluyen centrífugas clínicas, centrífugas de alta velocidad y ultracentrífugas preparativas .
• Las ultracentrífugas analíticas están diseñadas para realizar análisis de sedimentación de macromoléculas utilizando los principios ideados por Theodor Svedberg .
• Las centrífugas de hematocrito se utilizan para medir el porcentaje de volumen de glóbulos rojos en la sangre completa.
• Centrífugas de gas , incluidas las centrífugas tipo Zippe , para separaciones isotópicas en fase gaseosa.

Por otra parte, las centrífugas industriales pueden clasificarse según el tipo de separación de la fracción de alta densidad de la de baja densidad.

Generalmente, existen dos tipos de centrífugas: las centrífugas de filtración y las de sedimentación. Para la filtración o la llamada centrífuga de tamiz, el tambor está perforado y se inserta un filtro, por ejemplo una tela filtrante, una red de alambre o un tamiz. La suspensión fluye a través del filtro y el tambor con la pared perforada desde el interior hacia el exterior. De esta manera el material sólido queda sujeto y puede retirarse. El tipo de eliminación depende del tipo de centrífuga, por ejemplo manualmente o periódicamente. Los tipos comunes son:

• Centrífugas de criba/desplazamiento (Centrífugas de criba, donde la aceleración centrífuga permite que el líquido pase a través de una criba de algún tipo, a través de la cual los sólidos no pueden pasar (debido a una granulometría mayor que el espacio de la criba o debido a la aglomeración))
• Centrífugas de empuje
• Centrífugas peladoras
• Centrífugas de filtro inversor
• Centrífugas de descarga deslizante
• Centrífugas pendulares
• Centrífugas de sedimentación

En las centrífugas el tambor es una pared maciza (no perforada). Este tipo de centrífuga se utiliza para la purificación de una suspensión. Para acelerar el proceso natural de deposición de la suspensión, las centrífugas utilizan la fuerza centrífuga. En las denominadas centrífugas de rebose se drena la suspensión y se añade líquido constantemente. Los tipos comunes son: ^[7]

• Centrífugas separadoras (líquido continuo); Los tipos comunes son:
  • Centrífugas de tazón sólido
  • Centrífugas de placas cónicas
• Centrífugas tubulares
• Centrífugas decanter , en las que no existe separación física entre la fase sólida y líquida, sino una sedimentación acelerada debido a la aceleración centrífuga.

Aunque la mayoría de las centrífugas modernas funcionan con electricidad, se ha desarrollado una variante manual inspirada en la perinola para aplicaciones médicas en países en desarrollo. ^[8]

Se han compartido muchos diseños de centrífugas gratuitas y de código abierto que se pueden fabricar digitalmente . Los diseños de hardware de código abierto para centrífugas manuales para grandes volúmenes de fluidos con una velocidad radial de más de 1750 rpm y más de 50 N de fuerza centrífuga relativa se pueden imprimir completamente en 3D por unos 25 dólares. ^[9] Otros diseños de hardware abierto utilizan dispositivos impresos en 3D personalizados con motores eléctricos económicos para fabricar centrífugas de bajo costo (por ejemplo, la Dremelfuge que utiliza una herramienta eléctrica Dremel ) o OpenFuge cortado por CNC . ^{[10] [11] [12] [13]}

Usos

Separaciones de laboratorio

Muestras colocadas en una pequeña centrífuga de laboratorio.

En química, biología, bioquímica y medicina clínica se utiliza una amplia variedad de centrífugas a escala de laboratorio para aislar y separar suspensiones y líquidos inmiscibles. Varían ampliamente en velocidad, capacidad, control de temperatura y otras características. Las centrífugas de laboratorio a menudo pueden aceptar una variedad de diferentes rotores de ángulo fijo y de cubo oscilante capaces de transportar diferentes números de tubos de centrífuga y clasificados para velocidades máximas específicas. Los controles varían desde simples temporizadores eléctricos hasta modelos programables capaces de controlar tasas de aceleración y desaceleración, velocidades de funcionamiento y regímenes de temperatura. Las ultracentrífugas hacen girar los rotores al vacío, lo que elimina la resistencia del aire y permite un control exacto de la temperatura. Los rotores zonales y los sistemas de flujo continuo son capaces de manejar volúmenes de muestra a granel y mayores, respectivamente, en un instrumento a escala de laboratorio. ^[1]

La sangre entera a menudo se separa mediante una centrífuga en componentes para su almacenamiento y transporte.

Una aplicación en los laboratorios es la separación de sangre. La sangre se separa en células y proteínas (eritrocitos, leucocitos, plaquetas, etc.) y suero. La preparación de ADN es otra aplicación común de la farmacogenética y el diagnóstico clínico. Las muestras de ADN se purifican y el ADN se prepara para la separación agregando tampones y luego centrifugándolo durante un cierto período de tiempo. Luego se eliminan los desechos de sangre y se agrega otro tampón y se vuelve a centrifugar dentro de la centrífuga. Una vez que se eliminan los desechos de sangre y se agrega otro tampón, el sedimento se puede suspender y enfriar. Luego se pueden eliminar las proteínas, centrifugar todo nuevamente y aislar completamente el ADN. En laboratorios médicos y biológicos se utilizan citocentrífugas especializadas para concentrar células para su examen microscópico. ^[14]

Separación de isótopos

Otras centrífugas, siendo la primera la centrífuga tipo Zippe , isótopos separados , ^[15] y este tipo de centrífugas se utilizan en programas de energía nuclear y armas nucleares .

Aeronáutica y astronáutica

La centrífuga de 20 g en el Centro de Investigación Ames de la NASA

Las centrífugas humanas son centrifugadoras excepcionalmente grandes que ponen a prueba las reacciones y la tolerancia de pilotos y astronautas a aceleraciones superiores a las experimentadas en la gravedad de la Tierra .

Las primeras centrífugas utilizadas para la investigación en humanos fueron utilizadas por Erasmus Darwin, el abuelo de Charles Darwin. La primera centrífuga humana a gran escala diseñada para entrenamiento aeronáutico se creó en Alemania en 1933. ^[16]

La Fuerza Aérea de EE. UU. en la base de Brooks City, Texas, opera una centrífuga humana mientras espera que se complete la nueva centrífuga humana en construcción en la Base Aérea Wright-Patterson , Ohio. La centrífuga de la base de Brooks City es operada por la Escuela de Medicina Aeroespacial de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos con el propósito de entrenar y evaluar a posibles pilotos de combate para vuelos de alta gravedad en aviones de combate de la Fuerza Aérea. ^[17]

Se ha propuesto el uso de grandes centrifugadoras para simular la sensación de gravedad para futuras misiones espaciales de larga duración. La exposición a esta gravedad simulada evitaría o reduciría la descalcificación ósea y la atrofia muscular que afectan a las personas expuestas a largos períodos de caída libre. ^{[17] [18]}

Centrífuga no humana

En el centro tecnológico ESTEC de la Agencia Espacial Europea (ESA) (en Noordwijk, Países Bajos), se utiliza una centrífuga de 8 metros (26 pies) de diámetro para exponer muestras en los campos de las ciencias biológicas y físicas. Esta centrífuga de gran diámetro (LDC) ^[19] comenzó a funcionar en 2007. Las muestras pueden exponerse a un máximo de 20 veces la gravedad de la Tierra. Con sus cuatro brazos y seis góndolas que se abren libremente, es posible exponer muestras con diferentes niveles de gravedad al mismo tiempo. Las góndolas se pueden fijar en ocho posiciones diferentes. Dependiendo de su ubicación, se podría, por ejemplo, realizar un experimento a 5 y 10 g en la misma ejecución. Cada góndola puede albergar un experimento de un máximo de 80 kilogramos (180 libras). Los experimentos realizados en esta instalación abarcaron desde pez cebra, aleaciones metálicas, plasma, ^[20] células, ^[21] líquidos, Planaria, ^[22] Drosophila ^[23] o plantas.

Separador centrífugo industrial

El separador centrífugo industrial es un sistema de filtración de refrigerante para separar partículas de refrigerante de mecanizado de molienda similar a un líquido. Generalmente se usa para la separación de partículas no ferrosas como silicio, vidrio, cerámica y grafito, etc. El proceso de filtrado no requiere ningún componente de consumo como bolsas de filtro, lo que evita daños a la tierra. ^{[24] [25]}

Modelado geotécnico de centrífugas.

El modelado geotécnico centrífugo se utiliza para pruebas físicas de modelos que involucran suelos. La aceleración centrífuga se aplica a modelos a escala para escalar la aceleración gravitacional y permitir obtener tensiones a escala de prototipos en modelos a escala. Problemas como cimientos de edificios y puentes, presas de tierra, túneles y estabilidad de taludes, incluidos efectos como cargas explosivas y sacudidas sísmicas. ^[26]

Síntesis de materiales

Las condiciones de alta gravedad generadas por la centrífuga se aplican en la industria química, la fundición y la síntesis de materiales. ^{[27] [28] [29] [30]} La convección y la transferencia de masa se ven muy afectadas por la condición gravitacional. Los investigadores informaron que el alto nivel de gravedad puede afectar eficazmente la composición de fases y la morfología de los productos. ^[27]

Aplicaciones comerciales

Máquinas centrífugas de azúcar para separar cristales de azúcar.

• Centrífugas independientes para secar ropa (lavada a mano), normalmente con salida de agua.
• Las lavadoras están diseñadas para actuar como centrífugas para eliminar el exceso de agua en las cargas de ropa.
• Las centrífugas se utilizan en la atracción Mission: SPACE , ubicada en Epcot en Walt Disney World , que impulsa a los pasajeros utilizando una combinación de una centrífuga y un simulador de movimiento para simular la sensación de ir al espacio .
• En mecánica de suelos , las centrífugas utilizan la aceleración centrífuga para hacer coincidir las tensiones del suelo en un modelo a escala con las que se encuentran en la realidad.
• Las centrifugadoras industriales de gran tamaño se utilizan habitualmente en el tratamiento de agua y aguas residuales para secar lodos . El producto seco resultante a menudo se denomina torta , y el agua que sale de una centrífuga después de que se han eliminado la mayoría de los sólidos se llama concentrado .
• Las grandes centrífugas industriales también se utilizan en la industria petrolera para eliminar los sólidos del fluido de perforación .
• Centrífugas de discos utilizadas por algunas empresas de la industria de arenas bituminosas para separar pequeñas cantidades de agua y sólidos del betún.
• Las centrífugas se utilizan para separar la nata (eliminar la grasa) de la leche; ver Separador (leche) .

Descripción matemática

Los protocolos de centrifugación suelen especificar la cantidad de aceleración que se aplicará a la muestra, en lugar de especificar una velocidad de rotación , como revoluciones por minuto . Esta distinción es importante porque dos rotores con diferentes diámetros que funcionan a la misma velocidad de rotación someterán las muestras a diferentes aceleraciones. Durante el movimiento circular, la aceleración es el producto del radio y el cuadrado de la velocidad angular , y la aceleración relativa a " g " se denomina tradicionalmente "fuerza centrífuga relativa" (RCF). La aceleración se mide en múltiplos de " g " (o × " g "), la aceleración estándar debida a la gravedad en la superficie terrestre, una cantidad adimensional dada por la expresión: ${\displaystyle \omega }$

${\displaystyle {\text{RCF}}={\frac {r\omega ^{2}}{g}}}$

dónde

${\displaystyle \textstyle g}$es la aceleración gravitacional de la tierra ,

${\displaystyle \textstyle r}$es el radio de rotación,

${\displaystyle \omega }$es la velocidad angular en radianes por unidad de tiempo

Esta relación puede escribirse como

${\displaystyle {\text{RCF}}={\frac {10^{-3}r_{\text{mm}}\,\left({\frac {2\pi N_{\text{RPM}}}{60}}\right)^{2}}{g}}}$

o

${\displaystyle {\text{RCF}}=1.118(2)\,\times 10^{-6}\,r_{\text{mm}}\,N_{\text{RPM}}^{2}}$

dónde

${\displaystyle \textstyle r_{\text{mm}}}$es el radio de rotación medido en milímetros (mm), y

${\displaystyle \textstyle N_{\text{RPM}}}$es la velocidad de rotación medida en revoluciones por minuto (RPM).

Para evitar tener que realizar un cálculo matemático cada vez, se pueden encontrar nomogramas para convertir RCF en rpm para un rotor de un radio determinado. Una regla u otra regla alineada con el radio en una escala y el RCF deseado en otra escala señalarán las rpm correctas en la tercera escala. ^[31] Basadas en el reconocimiento automático del rotor, las centrífugas modernas tienen un botón para la conversión automática de RCF a rpm y viceversa.

Ver también

• Fuerza centrífuga
• Centrifugación
• factor de compensación
• extractor de miel
• Hidroextractor
• ecuación de lamm
• Coeficiente de sedimentación
• Sedimentación
• Proceso de separación : incluye lista de técnicas.

Referencias y notas

1. Mikkelsen, Susan R.; Corton, Eduardo (20 de febrero de 2004). "Métodos de centrifugación". Química Bioanalítica . Hoboken, Nueva Jersey, EE. UU.: John Wiley & Sons, Inc. doi :10.1002/0471623628.ch13. ISBN 978-0-471-54447-0.
2. Vogel-Prandtl, Johanna (14 de agosto de 2004) [1904]. Ludwig Prandtl: bosquejo biográfico, recuerdos y documentos (PDF) . Traducido por V. Vasanta Ram. El Centro Internacional de Física Teórica Trieste, Italia. págs. 10-11. Archivado (PDF) desde el original el 25 de octubre de 2017.
3. "Conceptos básicos de la centrifugación". Cole-Parmer. Archivado desde el original el 24 de febrero de 2012 . Consultado el 11 de marzo de 2012 .
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Otras lecturas

• Naesgaard et al., Modelado de licuefacción de flujo, su mitigación y comparación con pruebas de centrífuga.

enlaces externos

• Calculadora RCF y Nomograma
• Calculadora de rotor de centrifugación
• Selección de centrífugas históricas en el Laboratorio Virtual del Instituto Max Planck de Historia de la Ciencia