Centrífugo

Dispositivo que utiliza la fuerza centrífuga para separar fluidos.

Centrífuga de sobremesa de laboratorio. La unidad giratoria, llamada rotor , tiene orificios fijos perforados en ángulo (con respecto a la vertical), visibles dentro del borde plateado liso. Los tubos de muestra se colocan en estas ranuras y el motor gira. Como la fuerza centrífuga está en el plano horizontal y los tubos están fijados en ángulo, las partículas tienen que viajar solo una corta distancia antes de chocar con 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 especificada, 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 las sustancias y partículas más densas se muevan hacia afuera en dirección radial. Al mismo tiempo, los objetos que son menos densos se desplazan y se mueven hacia el 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 del 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 crema que se encuentra en las lecherías . Las centrífugas y ultracentrífugas de muy alta velocidad capaces de proporcionar aceleraciones muy altas pueden separar partículas finas hasta la nanoescala y moléculas de diferentes masas. Las centrífugas grandes se utilizan 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 agua de las telas. Las centrífugas de gas se utilizan para la separación de isótopos , como para enriquecer el combustible nuclear para isótopos fisionables .

Historia

Una centrífuga de laboratorio accionada manualmente del siglo XIX.

El ingeniero militar inglés Benjamin Robins (1707-1751) inventó un aparato de brazo giratorio para determinar la resistencia al avance . En 1864, Antonin Prandtl propuso la idea de una centrífuga para productos lácteos que separara la nata de la leche. ^[2] La idea fue posteriormente puesta en práctica por su hermano, Alexander Prandtl, quien realizó mejoras al diseño de su hermano y exhibió una máquina de extracción de grasa butírica en funcionamiento en 1875. ^[3]

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: ^{[4] [5] [6] [7]}

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

Tipos según el uso previsto:

• Las centrífugas de laboratorio son instrumentos de uso general de varios tipos con capacidades distintas, pero superpuestas. Entre ellas se incluyen las centrífugas clínicas, las centrífugas de supervelocidad y las 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.

Las centrífugas industriales también pueden clasificarse según el tipo de separación de la fracción de alta densidad de la de baja densidad.

En general, existen dos tipos de centrífugas: las centrífugas de filtración y las centrífugas de sedimentación. En la centrífuga de filtración, también llamada centrífuga de tamiz, el tambor está perforado y se le inserta un filtro, por ejemplo, una tela filtrante, una malla de alambre o una rejilla. La suspensión fluye a través del filtro y del tambor con la pared perforada desde el interior hacia el exterior. De esta manera, el material sólido queda atrapado y puede eliminarse. El tipo de eliminación depende del tipo de centrífuga, por ejemplo, manual o periódica. Los tipos más comunes son:

• Filtros de aceite centrífugos
• Centrífugas de tamiz/desplazamiento (Centrífugas de tamiz, donde la aceleración centrífuga permite que el líquido pase a través de un tamiz de algún tipo, a través del cual los sólidos no pueden pasar (debido a una granulometría mayor que el espacio entre tamices o debido a la aglomeración))
• Centrífugas de empuje
• Centrífugas peladoras
• Centrífugas de filtro inversor
• Centrífugas de descarga deslizante
• Centrífugas de péndulo
• Centrífugas de sedimentación

En las centrífugas, el tambor es una pared sólida (no perforada). Este tipo de centrífuga se utiliza para la purificación de una suspensión. Para acelerar el proceso de deposición natural de la suspensión, las centrífugas utilizan la fuerza centrífuga. En las denominadas centrífugas de rebose, la suspensión se vacía y el líquido se añade constantemente. Los tipos más comunes son: ^[8]

• Centrífugas separadoras (líquido continuo); los tipos más comunes son:
  • Centrífugas autolimpiantes
  • Centrífugas de recipiente sólido
  • Centrífugas de placas cónicas
• Centrífugas tubulares
• Centrífugas decantadoras , en las que no hay 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 accionada manualmente inspirada en la perinola para aplicaciones médicas en países en desarrollo. ^[9]

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 accionadas manualmente para volúmenes mayores 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 aproximadamente $25. ^[10] Otros diseños de hardware abierto utilizan accesorios impresos en 3D personalizados con motores eléctricos económicos para fabricar centrífugas de bajo costo (por ejemplo, la Dremelfuge que usa una herramienta eléctrica Dremel ) o OpenFuge cortada con CNC . ^{[11] [12] [13] [14]}

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 gama de diferentes rotores de cangilones de ángulo fijo y oscilantes capaces de transportar diferentes cantidades de tubos de centrífuga y clasificados para velocidades máximas específicas. Los controles varían desde simples temporizadores eléctricos hasta modelos programables capaces de controlar las tasas de aceleración y desaceleración, las velocidades de funcionamiento y los 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, utilizando una centrífuga, en componentes para su almacenamiento y transporte.

Una aplicación en los laboratorios es la separación de la sangre. La sangre se separa en células y proteínas (RBC, WBC, plaquetas, etc.) y suero. La preparación de ADN es otra aplicación común para 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 una cierta cantidad de tiempo. Luego se eliminan los desechos de sangre y se agrega otro tampón y se centrifuga nuevamente dentro de la centrífuga. Una vez que se eliminan los desechos de sangre y se agrega otro tampón, el pellet se puede suspender y enfriar. Luego se pueden eliminar las proteínas y se puede centrifugar todo nuevamente y se puede aislar completamente el ADN. Se utilizan citocentrífugas especializadas en laboratorios médicos y biológicos para concentrar células para su examen microscópico. ^[15]

Separación de isótopos

Otras centrífugas, la primera de las cuales fue la centrífuga tipo Zippe , separan isótopos , ^[16] 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 centrifugadoras humanas son centrifugadoras excepcionalmente grandes que ponen a prueba las reacciones y la tolerancia de los pilotos y astronautas a una aceleración superior a la experimentada en la gravedad de la Tierra .

Las primeras centrífugas utilizadas para la investigación humana fueron utilizadas por Erasmus Darwin , el abuelo de Charles Darwin . La primera centrífuga humana a gran escala diseñada para el entrenamiento aeronáutico se creó en Alemania en 1933. ^[17]

La Fuerza Aérea de los Estados Unidos en la Base Brooks City, Texas, opera una centrífuga humana mientras espera la finalización de la nueva centrífuga humana que se está construyendo en la Base Wright-Patterson de la Fuerza Aérea , Ohio. La centrífuga en la Base 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 los futuros pilotos de combate para vuelos de alta gravedad en aviones de combate de la Fuerza Aérea. ^[18]

Se ha propuesto el uso de grandes centrífugas para simular la sensación de gravedad en 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 los individuos expuestos a largos periodos de caída libre. ^{[18] [19]}

Centrífuga no humana

En el centro tecnológico ESTEC (Noordwijk, Países Bajos) de la Agencia Espacial Europea (ESA), 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) ^[20] empezó 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 balancean libremente, es posible exponer muestras con diferentes niveles g 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 lb). Los experimentos realizados en esta instalación abarcaron desde peces cebra, aleaciones metálicas, plasma, ^[21] células, ^[22] líquidos, planarias, ^[23] Drosophila ^[24] o plantas.

Separador centrífugo industrial

El separador centrífugo industrial es un sistema de filtración de refrigerante para separar partículas de líquidos como el refrigerante para el mecanizado de molienda. Por lo general, se utiliza para la separación de partículas no ferrosas, como silicio, vidrio, cerámica y grafito, etc. El proceso de filtrado no requiere ninguna pieza de consumo como bolsas de filtro, lo que evita daños a la tierra. ^{[25] [26]}

Modelado geotécnico por centrifugación

El modelado centrífugo geotécnico se utiliza para la prueba física de modelos que involucran suelos. La aceleración centrífuga se aplica a modelos a escala para escalar la aceleración gravitacional y permitir que se obtengan tensiones a escala de prototipo 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 temblores sísmicos. ^[27]

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. ^{[28] [29] [30] [31]} 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 efectivamente la composición de la fase y la morfología de los productos. ^[28]

Aplicaciones comerciales

Centrífugas de azúcar para separar cristales de azúcar.

• Centrifugadoras independientes para secar ropa (lavada a mano), generalmente con salida de agua.
• Las lavadoras están diseñadas para actuar como centrífugas para eliminar el exceso de agua en las cargas de ropa.
• En la atracción Mission: SPACE , ubicada en Epcot en Walt Disney World , se utilizan centrifugadoras que impulsan a los pasajeros mediante 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 grandes centrífugas industriales se utilizan habitualmente en el tratamiento de agua y aguas residuales para secar lodos . El producto seco resultante suele denominarse torta y el agua que sale de la centrífuga después de que se han eliminado la mayoría de los sólidos se denomina concentrado .
• En la industria petrolera también se utilizan grandes centrífugas industriales para eliminar sólidos del fluido de perforación .
• Centrífugas de discos utilizadas por algunas empresas de la industria de arenas petrolíferas para separar pequeñas cantidades de agua y sólidos del betún.
• Las centrífugas se utilizan para separar la crema (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 a las muestras a diferentes aceleraciones. Durante el movimiento circular , la aceleración es el producto del radio por 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 de la Tierra, 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 a rpm para un rotor de un radio determinado. Una regla u otro borde recto alineado con el radio en una escala y el RCF deseado en otra escala, apuntará a las rpm correctas en la tercera escala. ^[32] Basándose en el reconocimiento automático del rotor, las centrífugas modernas tienen un botón para la conversión automática de RCF a rpm y viceversa.

Véase también

• Fuerza centrífuga
• Centrifugación
• Factor de limpieza
• Extractor de miel
• Hidroextractor
• Ecuación de Lamm
• Coeficiente de sedimentación
• Sedimentación
• Proceso de separación : incluye lista de técnicas

Referencias y notas

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Lectura adicional

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

Enlaces externos

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