Centrífugo

Un centrifugador de mesa de laboratorio. La unidad giratoria, llamada rotor, tiene agujeros fijos perforados en un ángulo (a la vertical), visible dentro del borde de plata lisa. Los tubos de muestra se colocan en estas ranuras y el motor es afilado. Como la fuerza centrífuga está en el plano horizontal y los tubos se fijan en un ángulo, las partículas tienen que viajar sólo una corta distancia antes de golpear la pared del tubo y luego deslizarse hacia abajo. Estos rotores de ángulo 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 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 asienten en el fondo del tubo, mientras que las sustancias de baja densidad ascienden hasta la parte superior. Una centrífuga puede ser un filtro muy efectivo que separa los contaminantes del cuerpo principal del fluido.

Las centrífugas a escala industrial se utilizan comúnmente en la fabricación y el procesamiento de desechos para sedimentar sólidos suspendidos o para separar líquidos inmiscibles. Un ejemplo es el separador de crema que se encuentra en las lecherías. Las centrífugas de muy alta velocidad y las ultracentrífugas capaces de proporcionar aceleraciones muy altas pueden separar partículas finas hasta 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 sacar el agua de las telas. Las centrífugas de gas se utilizan para la separación de isótopos, por ejemplo, para enriquecer el combustible nuclear en isótopos fisionables.

Historia

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 de mantequilla en funcionamiento en 1875.

Tipos

La sangre entera es a menudo separada, utilizando un centrifugado, en componentes para el almacenamiento y el transporte

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

Tipos por diseño de rotor:

• Los centrifugados de ángulo fijo están diseñados para mantener los contenedores de muestra en un ángulo constante relativo al eje central.
• Los centrifugadores cabezal (o cubo columpio), en contraste con los centrifugadores de ángulo fijo, tienen una bisagra donde se adjuntan los contenedores de muestra al rotor central. Esto permite que todas las muestras se balanceen hacia fuera a medida que el centrifugado es afilado.
• Los centrifugadores tubulares continuos no tienen vasos de muestra individuales y se utilizan para aplicaciones de alto volumen.

Tipos por uso previsto:

• Centrifugadoras de laboratorio, son instrumentos de uso general de varios tipos con capacidades distintas, pero superpuestas. Estos incluyen centrifugaciones clínicas, centrifugaciones de supervelocidad y ultracentrífugas preparativas.
• Los ultracentrífugos analíticos están diseñados para realizar análisis de sedimentación de macromoléculas utilizando los principios ideados por Theodor Svedberg.
• Los centrifugadores de hematocrito se utilizan para medir el porcentaje de volumen de glóbulos rojos en la sangre entera.
• Centrifugadoras de gas, incluyendo centrifugaciones tipo Zippe, para separaciones isotópicas en la fase de gas.

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

Por lo general, existen dos tipos de centrífugas: las centrífugas de filtración y de sedimentación. Para la filtración o la llamada centrífuga de pantalla, el tambor se perfora y se inserta con un filtro, por ejemplo, una tela filtrante, una malla de alambre o una pantalla de lotes. 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 se restringe y se puede eliminar. El tipo de eliminación depende del tipo de centrífuga, por ejemplo, manualmente o periódicamente. Los tipos comunes son:

• Centrifugadoras de pantalla/croll (centrifugas verdes, donde la aceleración centrífuga permite al líquido pasar a través de una pantalla de algún tipo, a través de la cual los sólidos no pueden ir (debido a la granulometría mayor que la brecha de pantalla o debido a la aglomeración))
• Centrifugadoras de empuje
• Centrifugadoras de pelador
• Invertir centrifugadoras de filtros
• Centrifugadoras de descarga deslizante
• Centrifugadoras péndulas
• Centrifugación de la 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 la aceleración del proceso de deposición natural de la suspensión, las centrífugas utilizan la fuerza centrífuga. Con las llamadas centrífugas de rebose, la suspensión se drena y el líquido se agrega constantemente. Los tipos comunes son:

• Centrifugadoras separadas (líquido continuo); tipos comunes son:
  • Centrifugadoras de tazón sólido
  • Centrifugadoras de placa cónica
• Centrifugadoras tubulares
• Centrifugadoras de decantador, en las que no hay separación física entre la fase sólida y líquida, sino un asentamiento acelerado debido a la aceleración centrífuga.

Aunque la mayoría de las centrífugas modernas funcionan con electricidad, se ha desarrollado una variante manual inspirada en el molinete para aplicaciones médicas en países en desarrollo.

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 alrededor de $25. 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 corte CNC OpenFuge.

Usos

Muestras colocadas en un pequeño centrifugado de laboratorio

Separaciones de laboratorio

Se utiliza una amplia variedad de centrífugas a escala de laboratorio en química, biología, bioquímica y medicina clínica 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 cubo oscilante y de ángulo fijo 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 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 muestras a granel y más grandes, respectivamente, en un instrumento a escala de laboratorio. Otra aplicación en laboratorios es la separación de 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 al agregar tampones y luego centrifugarlo durante un cierto período de tiempo. Luego se eliminan los desechos de sangre y se agrega otro tampón y se vuelve a girar 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, las proteínas se pueden eliminar y todo se puede centrifugar nuevamente y el ADN se puede aislar por completo. Las citocentrífugas especializadas se utilizan en laboratorios médicos y biológicos para concentrar células para su examen microscópico.

Separación de isótopos

Otras centrífugas, la primera es la centrífuga tipo Zippe, isótopos separados, y este tipo de centrífugas se utilizan en programas de armas nucleares y energía nuclear.

Aeronáutica y astronáutica

El centrifugado de 20 g en el Centro de Investigación de Ames de la NASA

Las centrífugas humanas son centrífugas 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 entrenamiento aeronáutico se creó en Alemania en 1933.

La Fuerza Aérea de los EE. UU. en la base de Brooks City, Texas, opera una centrífuga humana mientras espera la finalización de la construcción de la nueva centrífuga humana en la Base Aérea Wright-Patterson, Ohio. La centrífuga en la base de la ciudad de Brooks es operada por la Escuela de Medicina Aeroespacial de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos con el fin de capacitar y evaluar a los posibles pilotos de combate para vuelos de alta g en aviones de combate de la Fuerza Aérea.

Se ha propuesto el uso de grandes centrífugas para simular una 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 periodos de caída libre.

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 las ciencias físicas. Esta centrífuga de gran diámetro (LDC) 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 giran libremente, es posible exponer muestras con diferentes niveles g al mismo tiempo. Las góndolas se pueden fijar en ocho posiciones diferentes. Dependiendo de sus ubicaciones, se podría, p. Ejecute 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 iban desde peces cebra, aleaciones metálicas, plasma, células, líquidos, Planaria, Drosophila o plantas.

Separador centrífugo industrial

El separador centrífugo industrial es un sistema de filtración de refrigerante para separar partículas del refrigerante de mecanizado de rectificado similar a un líquido. Por lo general, se usa para la separación de partículas no ferrosas, como silicio, vidrio, cerámica y grafito, etc. El proceso de filtrado no requiere piezas de consumo como bolsas de filtro, lo que evita daños a la tierra.

Modelado geotécnico centrífugo

El modelado centrífugo geotécnico 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 que se obtengan tensiones a escala prototipo en modelos a escala. Problemas tales como cimientos de edificios y puentes, presas de tierra, túneles y estabilidad de taludes, incluidos efectos como cargas explosivas y temblores sísmicos.

Síntesis de materiales

Las condiciones de alta gravedad generadas por centrífuga se aplican en la industria química, la fundición y la síntesis de materiales. La convección y la transferencia de masa se ven muy afectadas por la condición gravitatoria. Los investigadores informaron que el nivel de alta gravedad puede afectar efectivamente la composición de fase y la morfología de los productos.

Aplicaciones comerciales

Máquinas centrífugas de azúcar para separar cristales de azúcar

• Centrifugadoras independientes para secado (lavado a mano) ropa – generalmente con una toma de agua.
• Las máquinas de lavado están diseñadas para actuar como centrifugadoras para deshacerse del exceso de agua en cargas de lavandería.
• Centrifuges se utilizan en la atracción Misión: SPACE, ubicada en Epcot en Walt Disney World, que impulsa a los pilotos utilizando una combinación de un centrifugador y un simulador de movimiento para simular la sensación de ir al espacio.
• En la mecánica del suelo, los centrifugadores utilizan la aceleración centrífuga para equiparar las tensiones del suelo en un modelo de escala a los que se encuentran en realidad.
• Los grandes centrifugos industriales se utilizan comúnmente en el tratamiento de agua y aguas residuales a lodos secos. El producto seco resultante a menudo se denomina pastel, y el agua que deja una centrifuga después de la mayoría de los sólidos han sido eliminados se llama cent.
• También se utilizan grandes centrifugadoras industriales en la industria petrolera para eliminar sólidos del fluido de perforación.
• Centrifugadoras de disco utilizadas por algunas empresas de la industria de arenas petrolíferas para separar pequeñas cantidades de agua y sólidos de betún
• Los centrifugos se utilizan para separar la crema (remove grasa) de la leche; véase Separador (leche).

Descripción matemática

Los protocolos de centrifugación suelen especificar la cantidad de aceleración que se debe aplicar 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 funcionando a la misma velocidad de rotación someterán muestras a diferentes aceleraciones. Durante el movimiento circular la aceleración es el producto del radio y el cuadrado de la velocidad angular ⋅ ⋅ {displaystyle omega }, y la aceleración relativa a "g"se llama tradicionalmente "fuerza centrífuga relativa" (RCF). La aceleración se mide en múltiplos de "g"(o × "g"), la aceleración estándar debido a la gravedad en la superficie de la Tierra, una cantidad sin dimensiones dada por la expresión:

Una centrifugadora de laboratorio del siglo XIX.

RCF=r⋅ ⋅ 2g{displaystyle {text{RCF}={frac {romega } {}{g}}} {}} {f}}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}

dónde

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

r{displaystyle textstyle r} es el radio rotacional,

⋅ ⋅ {displaystyle omega } es la velocidad angular de los radianos por unidad de tiempo

Esta relación se puede escribir como

RCF=10− − 3rmm()2π π NRPM60)2g{displaystyle {text{RCF}}={frac {10^{-3}r_{text{mm},left({frac {2pi N_{text{RPM}}{60}right)}{2}{g}}}}}}}}}}}}}}}} {f}} {f}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

o

RCF=1.118()2)× × 10− − 6rmmNRPM2{displaystyle {text{RCF}=1.118(2),times 10^{-6},r_{text{mm},N_{text{RPM}}{2}

dónde

rmm{displaystyle textstyle r_{mm}} es el radio rotacional medido en milímetros (mm), y

NRPM{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 dado. 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. Basadas en el reconocimiento automático del rotor, las centrífugas modernas tienen un botón para la conversión automática de RCF a rpm y viceversa.

Referencias y notas