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Centrífugas

Centrífuga
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Centrifuga laboratorio.jpg
Equipo que se utiliza para separar sustancias utilizando la fuerza centrífuga.

Centrífugas. Es una máquina que pone en rotación una muestra para separar por fuerza centrífuga sus componentes o fases (generalmente una sólida y una líquida), en función de su densidad.

Fundamentos teóricos

La fuerza centrífuga relativa (F.C.R.) es la fuerza requerida para que se produzca la separación. Las unidades de esta fuerza se expresan en número de veces el valor de la gravedad (X•g) y se calcula mediante la siguiente fórmula:

F.C.R= 1,118 10-5•r•n2

Siendo 1,118•10-5 una constante. r= radio de giro o la distancia horizontal (cm) desde el eje de rotación hasta el fondo del tubo. n= velocidad de rotación expresada en revoluciones por minuto (r.p.m.).

El radio de giro es por lo tanto un factor determinante, junto con la velocidad de giro, en el cálculo de la FCR y es específica para cada rotor. El rotor o cabezal es el dispositivo que gira y en el que se colocan los tubos y pueden ser de dos tipos:

Rotor angular: Los tubos se insertan en orificios en el interior de rotores macizos con un ángulo fijo. El caso extremo es el de los rotores verticales en los que el tubo se sitúa paralelo al eje de giro. Empleado habitualmente en la sedimentación de partículas de alta densidad como son bacterias, células o levaduras y en la separación isopícnica de macromoléculas (ácidos nucleicos, etc). La ventaja de este tipo de rotores es que normalmente permiten una sedimentación más rápida de las sustancias y, puesto que todos sus componentes son fijos, el riesgo de fallos mecánicos se reduce.

Rotor oscilante: Los tubos se colocan en un dispositivo (cestilla) que, al girar el rotor, se coloca en disposición perpendicular al eje de giro. Así, los tubos siempre giran situados perpendicularmente al eje de giro. Su uso se centra básicamente en la separación de partículas por gradiente de densidad y proporciona una gran versatilidad dado el posible empleo de muy diversos tamaños de tubo en un mismo cabezal.

Técnicas de centrifugación

Centrifugación diferencial: Es la técnica de centrifugación más común y se utiliza sobre todo para la sedimentación de células, precipitados y para la purificación parcial de fracciones celulares. La separación de partículas se basa en sus diferentes tamaños y/o densidades. En condiciones suaves de centrifugación, las partículas más grandes o más densas se precipitan. Cuando el sobrenadante de la primera centrifugación se centrifuga nuevamente en condiciones de mayor tiempo y F.C.R., las partículas más densas sedimentan nuevamente. Así, mediante la aplicación al sobrenadante de condiciones crecientes de centrifugación, vamos separando los distintos componentes de la muestra inicial.

Centrifugación en gradiente de densidad: Es un método más complejo que el anterior y permite no sólo la separación de varios o incluso todos los componentes de una muestra sino también determinaciones analíticas. La muestra se coloca sobre una base líquida (solución de sacarosa, cloruro de cesio, Ficoll, Percoll) cuya densidad aumenta desde la parte superior a la parte inferior. Durante la centrifugación, cada componente se mueve hasta llegar a una posición en la que su densidad es la misma que la del líquido que le rodea y se detiene. De esa manera, cuando termina la centrifugación aparecen diferenciadas una serie de bandas de las cuales las más cercanas a la base del tubo contienen las partículas más densas.

La clasificación y selección del tipo de centrífuga viene dada por el valor de la F.C.R. (Fuerza Centrífuga Relativa), específico para cada una de ellas a una velocidad de giro determinada, de modo que es necesario conocer el valor de la F.C.R. que debe ser aplicado a cada muestra para elegir el tipo de centrífuga más adecuado.

Aplicaciones

Una aplicación típica consiste en acelerar el proceso de sedimentación, dividiendo el plasma y el suero en un proceso de análisis de laboratorio.

Se utiliza para determinar el grupo sanguíneo mediante una toma de muestra capilar. En este caso la máquina utilizada se denomina microcentrífuga. Es muy usada en laboratorios de control de calidad, de fabricas que elaboran zumos a base de citricos, para controlar el nivel de pulpa fina de estos, separando la pulpa fina del zumo exprimido.

Otra aplicación de las centrífugas es la elaboración de aceite de oliva. En ella las aceitunas una vez molidas y batidas se introducen en una centrífuga horizontal en la que se separa el aceite que es la fracción menos pesada del resto de componentes de la aceituna; agua, hueso, pulpa etc.

Se aplica también en el proceso de fabricación del azúcar de caña en la industria azucarera.

Historia de la centrífuga en la industria azucareras

La invención de la máquina centrífuga que purga masa cocidas azucareras ha sido atribuida a Schotter en 1848 y a Dubrunfaut, pero las autoridades en esta materia están de acuerdo en que fue David Weston quien obtuvo la patente de la centrífuga suspendida en 1852 y la introdujo al trabajo práctico azucarero en Hawai, en 1867. Hasta bien entrado el siglo actual, al tipo de máquina centrífuga que está en uso general en la actualidad se le llamaba centrífuga Weston. Fué para trabajo azucarero que se desarrollaron equipos de filtración de varios tipos, entre ellos el filtro Taylor de bolsas, de hace más de 100 años; el filtro prensa, fue sugerido por Howard alrededor de 1820, pero fue introducido con éxito por Needham en 1853; y los filtros modernos de láminas, tales como los Kelley, Sweetland y Vallez, fueron introducidos de 1910 a 1920.

Tipos de centrífugas

Existen 2 grandes tipos de centrífugas:

  1. Centrífuga De 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 levantan hacia dentro. Las partículas pesadas se acumulan sobre la pared y deben retirarse continua y periódicamente.
  1. Centrífugas De Filtro: Estas operan como el tambor de rotación de una lavadora 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 de la pared impelido por la fuerza centrífuga dejando una torta de sólidos sobre el medio filtrante. La rapidez de filtración se incrementa con esta fuerza y con la permeabilidad de la torta sólida. Algunos sólidos compresibles 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 permeabilidad de la torta se ve reducida considerablemente. La cantidad de líquido que se adhiere a los sólidos después que éstos se han centrifugado depende también de la fuerza centrífuga aplicada; en general, el líquido retenido es considerablemente menor que el que queda en la torta que producen otros tipos de filtros.

Clasificación de centrífugas

Dependiendo del mecanismo utilizado para realizar su trabajo, las centrífugas se clasifican en :

  1. Centrífugas Hidraulicas: Para este tipo de centrífuga es necesario un litro de agua por segundo para un H.P. Cuando la presión se aplica con una bomba centrífuga, ésta tiene generalmente, un rendimiento propio de 0.65 a 0.80. Las bombas bien construidas, llegan fácilmente a 0.75.

Ventajas:

  • Su conservación es simple; las piezas que más se desgastan son las boquillas, que se reemplazan fácilmente.
  • En algunos países se ha llegado a hacerlas girar muy rápidamente, aumentando la presión del agua y la potenciade las bombas.

Desventajas:

  • Tienen un alto consumo de potencia por el bajo rendimiento de la rueda Pelton.
  • El problema anterior se acentúa más si se les hace trabajar con compresoresde acción directa, que consumen de 35 a 40-Kg. por H.P.
  • Su arranque es relativamente lento.
  • Este tipo de centrífuga tiende a desaparecer, por no corresponder a las exigencias de la industria azucarera moderna.


  1. Centrífugas De Banda: Este tipo de centrífugas se reúne en baterías movidas por un eje longitudinal común que, a su vez, es mandado por un motor. Los ejes de las centrífugas son verticales y por lo tanto, la transmisión necesita poleas locas para el regreso de la banda. El eje longitudinal gira comúnmente a una velocidad de aproximadamente un tercio de la de las máquinas. El cálculo de las centrífugas de banda, se hace a partir del par y de la aceleración angular, pudiendo considerarse ésta como constante durante el período de arranque.

Ventajas:

  • Son las baratas de instalar.
  • Son simples y su conservación es fácil.
  • Causan al motor pocas cargas intempestivas y dar una marcha suave y regular.

Desventajas:

  • El desgaste de las bandas es considerable
  • Las necesidades de potencia sin ser tan altas como las de las centrífugas hidráulicas, son mayores que las de las centrífugas con mando eléctrico directo.
  • Han perdido terreno en favor de las centrífugas con mando eléctrico.
  1. Centrífugas De Mando Eléctrico: Estas máquinas se manejan con un motor eléctrico vertical, cuyo eje es continuación del eje de la centrífuga. El mando de la máquina se efectúa por medio de un embrague de fricción consistente en dos zapatas de material flexible provistas de dos balatas de fricción y convenientemente cargado. Las zapatas están fijas al eje del motor y giran dentro de un tambor que a su vez está fijo al eje de la centrífuga, resbalan al principio, arrastrando la centrífuga que gira más y más rápidamente y al fin de determinado tiempo las zapatas se adhieren completamente. La rapidez de aceleración puede modificarse considerablemente, modificando el peso de carga de las zapatas o cambiando el grueso de la banda flexible de que están hechas.

Ventajas:

  • Cada máquina centrífuga es independiente, es decir, forma una unidad separada.
  • Por esta ventaja se economizan correas y tuberías.
  • Si algún motor se descompone, sólo se para una máquina y ésta es una ventaja contra la pérdida de tiempo.
  • El motor individual es el arreglo que permite las más altas capacidades, la mejor calidad del azúcar y el uso más completo del equipo.
  • Necesidades de mano de obra son mínimas.
  • La conservación es simple; las descomposturas, las paradas y las reparaciones de los motores,son raras.

Desventajas:

  • Este tipo de centrífugas son bastante caras.
  • Su motor disminuye el factor potencia.

Clasificación teniendo en cuenta la forma de operación:

Centrífugas Baches: Las partes más importantes de este tipo de centrífugas son:

  1. Canasto: también llamado "drum". La porción cilíndrica esta perforada con hoyos de 1/8" – ¼" .La parte superior tiene un labio sólido el cual fija el espesor de la masa, normalmente oscila entre 7 y 10 pulgadas. La parte inferior es sólida con hoyos para descargar el azúcar, este hoyo puede tener una válvula para cierre durante el ciclo.
  2. Tumbador: es un mecanismo de descarga que actúa neumáticamente que posee una cuchilla que raspa el azúcar en el canasto.
  3. Eje: el canasto se une al eje central en el fondo. El eje conecta el canasto con el motor.
  4. Bearing: Toda la parte rotativa esta soportada sobre los bearings.
  5. Switch
  6. Envolvente
  7. Cedazos

Ventajas:

  • Ofrece un buen lavado de la masa cocida.
  • No ofrece rotura de cristales.
  • Produce azúcar de baja humedad.
  • Bajo consumo de energía.

Desventajas:

Centrífugas Continuas: Este tipo de centrífuga gira a velocidad constante, por tal razón usa menos controles. Esto hace que el costo de mantenimiento sea menor. El canasto es cónico con ángulos entre 30 y 34 grados. Este ángulo permite al cristal de azúcar subir y ser descargado en la parte superior del canasto debido a la fuerza centrífuga. La alimentación debe colocar el flujo de masa en el centro del canasto y producir una capa uniforme en la parte inferior del canasto. Los cedazos son similares a los de las centrífugas bache pero tienen las siguientes diferencias:

  • El cedazo debe estar fijo al canasto.
  • El tamaño de los hoyos es diferente.
  • El cedazo continuo sufre desgaste producido por el azúcar y debe ser cambiado periódicamente.
  • Debido a que el azúcar sube a través del screen, los cristales se rompen produciendo cristales de diferentes tamaños.

Ventajas:

  • Bajo requerimiento de personal para su manejo.
  • Poca necesidad de mantenimiento.
  • Bajo costo de capital y operacional.

Desventajas:

  • Alto consumo de energía eléctrica.
  • Pobre lavado de masa cocida.
  • Alta rotura de cristales.

Dependiendo de sí la centrífuga o su parte giratoria tenga una pared sólida, una pared perforada o una combinación de ambas, estas se clasifican en:

  • Tipo botella
  • Tubulares
  • Tipo disco
  • Tipo vacuum

Centrífuga Tipo Botella: Es un separador tipo lote, el cual es usado primordialmente para investigaciones, pruebas o controles. La separación toma lugar en un tubo de ensayo o en un envase tipo botella, el cual es simétricamente montado en una vara vertical. La vara de una centrífuga de este tipo esta usualmente dirigida por un motor eléctrico, turbo-gas, o por un mecanismo de tren dirigido manualmente localizado encima o debajo del rotor. En la mayoría de los casos, las botellas son sostenidas por envases de metal bastante fuertes, de tal modo que su eje sea perpendicular al eje de rotación, y algunas centrífugas tipo botella, los tubos de ensayo o botellas están inclinadas a un ángulo de 37° al eje de rotación, a fin de reducir la distancia a la que el material debe ser colocado.

Este tipo de centrífugas es un equipo estándar para la mayoría de los laboratorios biológicos, químicos o médicos. Son usados para separar materiales sólidos en suspensión o para clarificar líquidos cuando las precipitaciones no suceden en un tiempo razonable en el campo gravitatorio.

Centrífugas Tubulares: Las centrífugas tubulares son usadas mayormente para la separación continua de líquidos de otros líquidos o de partículas muy finas de líquidos. En general, son usadas cuando se requieren altos requerimientos de centrifugación. El tazón rotatorio de una centrífuga tubular consiste en un largo tubo hueco.

Para separación continua, el material a centrifugar es introducido en el extremo cerca del eje. En muchos casos la separación no es completa y se debe pasar el material varias veces a la máquina.

Estas centrífugas son movidas por un motor de alta velocidad o una turbina de aire o vapor. La sedimentación toma lugar como un fluido que fluye desde un extremo del tubo al otro. Cuando el material consiste en pequeñas partículas o moléculas y la concentración es muy baja, el material sólido es usualmente dejado depositarse en la pared. En este caso, la maquina es operada como una centrífuga por lote.

Las centrífugas tubulares se usan en un sinnúmero de aplicaciones, tales como: purificación de vacunas ( vacunas no centrifugadas contienen gran cantidad de materiales no esenciales y dañinos; purificación de aceites de lubricación e industriales; clarificación y purificación de productos alimenticios tales como aceites esenciales, extractos y jugos de fruta; separación de líquidos inmiscibles que no pueden ser separados por gravedad.

Centrífugas Tipo Disco: Consiste en una pila de discos delgados en forma de conos. La sedimentación toma lugar en dirección radial en el espacio entre los conos adyacentes. La centrífuga tipo disco usualmente opera en forma continua. Estas centrífugas son usadas para separación de líquidos en los cuales el sólido o componentes inmiscibles que están en bajas concentraciones. Son usadas para la purificación de aceites combustibles, para el aprovechamiento de aceites usados de motores, y para refinación de aceites vegetales.

Centrífugas Tipo Canasta: Estas centrífugas son llamadas a menudo "centrífugas filtro o clarificadores". Tienen una pared perforada y un rotor tubular cilíndrico. En la mayoría de los casos para pared externa la centrífuga consiste en una fina malla metálica o una serie de mallas soportadas por una pesada malla gruesa, la cual a su vez es soportada por un plato. El líquido pasa a través de la malla, y las partículas muy largas se depositan en esta. Estas centrífugas son empleadas en la manufactura de caña de azúcar, en el secado de ropa en lavadoras caseras y en el lavado y secado de diferentes tipos de cristales y materiales fibrosos.

Centrífugas tipo vacuum: En estas centrífugas, el rotor gira en aire o algún otro gas a presión atmosférica. La fricción gaseosa en el rotor giratorio aumenta a un promedio relativamente alto, tal así que la energía requerida por el motor aumenta también. Esto da como resultado que la temperatura del rotor aumenta drásticamente, algunas veces excediendo el punto de ebullición del agua.

Estas centrífugas pueden ser usadas para la determinación de pesos moleculares de prácticamente todas las sustancias en solución. En centrífugas modernas, los conductores de aire han sido reemplazados por conductores con motores eléctricos más eficientes. Las centrífugas tipo vacuum son utilizadas para purificar muchos materiales biológicos que no pueden ser fácilmente separados por otros métodos

Fuentes

  • Proceso Industrial – Centrífugas Autor: Ingrid Ramirez
  • Centrífuga.Wikipedia, la enciclopedia libre
  • Centrífuga. Quirumed

Enlaces externos