Centrifugeuse - Centrifuge

Une centrifugeuse de table de laboratoire. L'unité rotative, appelée le rotor , a des trous fixes percés à un angle (par rapport à la verticale), visibles à l'intérieur de la jante argentée lisse. Des tubes d'échantillons sont placés dans ces fentes et le moteur est tourné. Comme la force centrifuge est dans le plan horizontal et que les tubes sont fixés à un angle, les particules n'ont à parcourir qu'une courte distance avant de heurter la paroi du tube puis de glisser vers le bas. Ces rotors angulaires sont très populaires en laboratoire pour une utilisation de routine.

Une centrifugeuse est un appareil qui utilise la force centrifuge pour séparer divers composants d'un fluide. Ceci est réalisé en faisant tourner le fluide à grande vitesse dans un récipient, séparant ainsi les fluides de densités différentes (par exemple la crème du lait) ou les liquides des solides. Il agit en faisant en sorte que les substances et les particules plus denses se déplacent vers l'extérieur dans la direction radiale. Dans le même temps, les objets moins denses sont déplacés et se déplacent vers le centre. Dans une centrifugeuse de laboratoire qui utilise des tubes à échantillons, l'accélération radiale provoque la sédimentation des particules plus denses au fond du tube, tandis que les substances de faible densité montent vers le haut. Une centrifugeuse peut être un filtre très efficace qui sépare les contaminants du corps principal du fluide.

Les centrifugeuses à l'échelle industrielle sont couramment utilisées dans la fabrication et le traitement des déchets pour sédimenter les solides en suspension ou pour séparer les liquides non miscibles. Un exemple est l' écrémeuse trouvée dans les laiteries . Les centrifugeuses et ultracentrifugeuses à très grande vitesse capables de fournir des accélérations très élevées peuvent séparer des particules fines jusqu'à l'échelle nanométrique et des molécules de masses différentes. Les grandes centrifugeuses sont utilisées pour simuler des environnements à forte gravité ou à accélération (par exemple, formation à haute vitesse pour les pilotes d'essai). Des centrifugeuses de taille moyenne sont utilisées dans les machines à laver et dans certaines piscines pour extraire l'eau des tissus. Centrifugeuses à gaz sont utilisés pour la séparation des isotopes , par exemple pour enrichir le combustible nucléaire pour les isotopes fissiles .

Histoire

L'ingénieur militaire anglais Benjamin Robins (1707-1751) a inventé un appareil à bras tourbillonnant pour déterminer la traînée . En 1864, Antonin Prandtl a proposé l'idée d'une centrifugeuse laitière pour séparer la crème du lait. L'idée a ensuite été mise en pratique par son frère, Alexander Prandtl, qui a apporté des améliorations à la conception de son frère et a exposé une machine d'extraction de matière grasse fonctionnelle en 1875.

Les types

Le sang total est souvent séparé, à l'aide d'une centrifugeuse, en composants pour le stockage et le transport

Une centrifugeuse peut être décrite comme une machine avec un récipient à rotation rapide qui applique une force centrifuge à son contenu. Il existe plusieurs types de centrifugeuses, qui peuvent être classées par utilisation prévue ou par conception de rotor :

Types par conception de rotor :

• Les centrifugeuses à angle fixe sont conçues pour maintenir les conteneurs d'échantillons à un angle constant par rapport à l'axe central.
• Contrairement aux centrifugeuses à angle fixe, les centrifugeuses à tête pivotante (ou à godet pivotant) ont une charnière où les conteneurs d'échantillons sont fixés au rotor central. Cela permet à tous les échantillons de basculer vers l'extérieur lorsque la centrifugeuse tourne.
• Les centrifugeuses tubulaires continues n'ont pas de récipients à échantillons individuels et sont utilisées pour des applications à grand volume.

Types par utilisation prévue :

• Les centrifugeuses de laboratoire sont des instruments à usage général de plusieurs types avec des capacités distinctes, mais qui se chevauchent. Il s'agit notamment des centrifugeuses cliniques, des centrifugeuses à grande vitesse et des ultracentrifugeuses préparatives .
• Les ultracentrifugeuses analytiques sont conçues pour effectuer une analyse de sédimentation de macromolécules en utilisant les principes conçus par Theodor Svedberg .
• Les centrifugeuses à hématocrite sont utilisées pour mesurer le pourcentage en volume de globules rouges dans le sang total.
• Centrifugeuses à gaz , y compris les centrifugeuses de type Zippe , pour les séparations isotopiques en phase gazeuse.

Les centrifugeuses industrielles peuvent par ailleurs être classées selon le type de séparation de la fraction à haute densité de celle à faible densité.

Généralement, il existe deux types de centrifugeuses : les centrifugeuses à filtration et à sédimentation. Pour la filtration ou la soi-disant centrifugeuse à tamis, le tambour est perforé et est inséré avec un filtre, par exemple un tissu filtrant, un treillis métallique ou un tamis. La suspension s'écoule à travers le filtre et le tambour à paroi perforée de l'intérieur vers l'extérieur. De cette manière, le matériau solide est retenu et peut être retiré. Le type de retrait dépend du type de centrifugeuse, par exemple manuellement ou périodiquement. Les types courants sont :

• Centrifugeuses à tamis /scroll (centrifugeuses à tamis , où l'accélération centrifuge permet au liquide de passer à travers un tamis quelconque, à travers lequel les solides ne peuvent pas passer (en raison de la granulométrie plus grande que l'espace du tamis ou en raison de l'agglomération))
• Centrifugeuses pousseuses
• Centrifugeuses éplucheuses
• Centrifugeuses à filtre inversé
• Centrifugeuses à décharge coulissante
• Centrifugeuses pendulaires
• Centrifugeuses à sédimentation

Dans les centrifugeuses, le tambour est une paroi pleine (non perforée). Ce type de centrifugeuse est utilisé pour la purification d'une suspension. Pour accélérer le processus de dépôt naturel de la suspension, les centrifugeuses utilisent la force centrifuge. Avec les centrifugeuses dites à débordement, la suspension est évacuée et le liquide est ajouté en permanence. Les types courants sont :

• Centrifugeuses de séparation (liquide continu); les types courants sont :
  • Centrifugeuses à bol solide
  • Centrifugeuses à plaques coniques
• Centrifugeuses tubulaires
• Décanteurs centrifuges , dans lesquels il n'y a pas de séparation physique entre la phase solide et liquide, mais plutôt une décantation accélérée due à l'accélération centrifuge.

Bien que la plupart des centrifugeuses modernes soient alimentées électriquement, une variante manuelle inspirée du tourbillon a été développée pour des applications médicales dans les pays en développement.

De nombreuses conceptions ont été partagées pour des centrifugeuses gratuites et open source pouvant être fabriquées numériquement . Les conceptions matérielles open source pour centrifugeuse manuelle pour de plus grands volumes de fluides avec une vitesse radiale de plus de 1750 tr/min et plus de 50 N de force centrifuge relative peuvent être complètement imprimées en 3-D pour environ 25 $. D'autres conceptions de matériel ouvert utilisent des appareils imprimés en 3D personnalisés avec des moteurs électriques peu coûteux pour fabriquer des centrifugeuses à faible coût (par exemple, la Dremelfuge qui utilise un outil électrique Dremel ) ou une découpe CNC OpenFuge.

Les usages

Échantillons placés dans une petite centrifugeuse de laboratoire

Séparations de laboratoire

Une grande variété de centrifugeuses de laboratoire est utilisée en chimie, biologie, biochimie et médecine clinique pour isoler et séparer les suspensions et les liquides non miscibles. Ils varient considérablement en termes de vitesse, de capacité, de contrôle de la température et d'autres caractéristiques. Les centrifugeuses de laboratoire peuvent souvent accepter une gamme de différents rotors à angle fixe et à godets pivotants capables de transporter différents nombres de tubes à centrifuger et conçus pour des vitesses maximales spécifiques. Les commandes varient de simples minuteries électriques à des modèles programmables capables de contrôler les taux d'accélération et de décélération, les vitesses de fonctionnement et les régimes de température. Les ultracentrifugeuses font tourner les rotors sous vide, éliminant la résistance de l'air et permettant un contrôle précis de la température. Les rotors zonaux et les systèmes à flux continu sont capables de traiter des volumes d'échantillons en vrac et plus importants, respectivement, dans un instrument à l'échelle du laboratoire. Une autre application dans les laboratoires est la séparation du sang. Le sang se sépare en cellules et protéines (GR, GB, plaquettes, etc.) et en sérum. La préparation d' ADN est une autre application courante pour la pharmacogénétique et le diagnostic clinique. Les échantillons d'ADN sont purifiés et l'ADN est préparé pour la séparation en ajoutant des tampons, puis en le centrifugant pendant un certain temps. Les déchets sanguins sont ensuite retirés et un autre tampon est ajouté et centrifugé à nouveau à l'intérieur de la centrifugeuse. Une fois les déchets sanguins retirés et un autre tampon ajouté, le culot peut être suspendu et refroidi. Les protéines peuvent ensuite être éliminées et le tout peut être à nouveau centrifugé et l'ADN peut être complètement isolé. Des cytocentrifugeuses spécialisées sont utilisées dans les laboratoires médicaux et biologiques pour concentrer les cellules en vue d'un examen microscopique.

Séparation isotopique

D'autres centrifugeuses, la première étant la centrifugeuse de type Zippe , séparent les isotopes , et ces types de centrifugeuses sont utilisés dans les programmes d'énergie nucléaire et d'armes nucléaires .

Aéronautique et astronautique

La centrifugeuse de 20 g du NASA Ames Research Center

Les centrifugeuses humaines sont des centrifugeuses exceptionnellement grandes qui testent les réactions et la tolérance des pilotes et des astronautes à des accélérations supérieures à celles rencontrées dans la gravité terrestre .

Les premières centrifugeuses utilisées pour la recherche humaine ont été utilisées par Erasmus Darwin, le grand-père de Charles Darwin. La première centrifugeuse humaine à grande échelle conçue pour la formation aéronautique a été créée en Allemagne en 1933.

L' US Air Force à Brooks City Base, Texas exploite une centrifugeuse humaine en attendant l'achèvement de la nouvelle centrifugeuse humaine en construction à Wright-Patterson AFB , Ohio. La centrifugeuse de la base de Brooks City est exploitée par l' École de médecine aérospatiale de l'armée de l'air des États-Unis dans le but de former et d'évaluer les futurs pilotes de chasse pour le vol à haute vitesse dans les avions de chasse de l'armée de l'air.

L'utilisation de grandes centrifugeuses pour simuler une sensation de gravité a été proposée pour de futures missions spatiales de longue durée. L'exposition à cette gravité simulée empêcherait ou réduirait la décalcification osseuse et l'atrophie musculaire qui affectent les individus exposés à de longues périodes de chute libre.

Centrifugeuse non humaine

Au centre technologique de l'Agence spatiale européenne (ESA) ESTEC (à Noordwijk, Pays-Bas), une centrifugeuse de 8 mètres de diamètre est utilisée pour exposer des échantillons dans les deux domaines des sciences de la vie et des sciences physiques. Cette centrifugeuse à grand diamètre (LDC) a commencé à fonctionner en 2007. Les échantillons peuvent être exposés à un maximum de 20 fois la gravité terrestre. Avec ses quatre bras et ses six nacelles pivotantes librement, il est possible d'exposer simultanément des échantillons avec différents niveaux de g. Les gondoles peuvent être fixées à huit positions différentes. En fonction de leurs emplacements, on pourrait par exemple effectuer une expérience à 5 et 10 g dans le même cycle. Chaque gondole peut contenir une expérience de maximum 80 kg. Les expériences réalisées dans cette installation allaient du poisson zèbre, des alliages métalliques, du plasma, des cellules, des liquides, des planaires, des drosophiles ou des plantes

Séparateur centrifuge industriel

Le séparateur centrifuge industriel est un système de filtration de liquide de refroidissement permettant de séparer les particules du liquide de refroidissement d'usinage de type liquide. Il est généralement utilisé pour la séparation des particules non ferreuses telles que le silicium, le verre, la céramique et le graphite, etc. Le processus de filtrage ne nécessite aucune pièce de consommation comme les sacs filtrants, ce qui protège la terre des dommages.

Modélisation géotechnique de la centrifugeuse

La modélisation géotechnique par centrifugation est utilisée pour les tests physiques de modèles impliquant des sols. L'accélération centrifuge est appliquée à des modèles réduits pour mettre à l'échelle l'accélération gravitationnelle et permettre d'obtenir des contraintes à l'échelle prototype dans des modèles réduits. Problèmes tels que les fondations des bâtiments et des ponts, les barrages en terre, les tunnels et la stabilité des pentes, y compris les effets tels que les charges explosives et les secousses sismiques.

Synthèse de matériaux

Les conditions de haute gravité générées par la centrifugeuse sont appliquées dans l'industrie chimique, le moulage et la synthèse de matériaux. La convection et le transfert de masse sont fortement affectés par la condition gravitationnelle. Les chercheurs ont signalé que le niveau de gravité élevée peut affecter efficacement la composition des phases et la morphologie des produits.

Applications commerciales

Centrifugeuses à sucre pour séparer les cristaux de sucre

• Centrifugeuses autonomes pour le séchage des vêtements (lavés à la main) – généralement avec une sortie d'eau.
• Les machines à laver sont conçues pour agir comme des centrifugeuses pour éliminer l'excès d'eau dans les charges de linge.
• Des centrifugeuses sont utilisées dans l'attraction Mission: SPACE , située à Epcot à Walt Disney World , qui propulse les cavaliers à l'aide d'une combinaison d'une centrifugeuse et d'un simulateur de mouvement pour simuler la sensation d'aller dans l' espace .
• En mécanique des sols , les centrifugeuses utilisent l'accélération centrifuge pour faire correspondre les contraintes du sol dans un modèle à l'échelle à celles trouvées dans la réalité.
• Les grandes centrifugeuses industrielles sont couramment utilisées dans le traitement de l' eau et des eaux usées pour sécher les boues . Le produit sec résultant est souvent appelé gâteau , et l'eau quittant une centrifugeuse après que la plupart des solides ont été éliminés est appelée centrat .
• De grandes centrifugeuses industrielles sont également utilisées dans l' industrie pétrolière pour éliminer les solides du fluide de forage .
• Centrifugeuses à disques utilisées par certaines entreprises de l' industrie des sables bitumineux pour séparer de petites quantités d'eau et de solides du bitume
• Les centrifugeuses sont utilisées pour séparer la crème (éliminer la graisse) du lait; voir Séparateur (lait) .

Description mathématique

Les protocoles de centrifugation spécifient généralement la quantité d' accélération à appliquer à l'échantillon, plutôt que de spécifier une vitesse de rotation telle que le nombre de tours par minute . Cette distinction est importante car deux rotors de diamètres différents fonctionnant à la même vitesse de rotation soumettront les échantillons à des accélérations différentes. Lors d' un mouvement circulaire, l'accélération est le produit du rayon et du carré de la vitesse angulaire , et l'accélération relative à " g " est traditionnellement appelée " force centrifuge relative " (RCF). L'accélération est mesurée en multiples de " g " (ou × " g "), l'accélération standard due à la gravité à la surface de la Terre, une quantité sans dimension donnée par l'expression :${\displaystyle \omega }$

Centrifugeuse de laboratoire à manivelle du XIXe siècle.

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

où

${\displaystyle \textstyle g}$est l' accélération gravitationnelle de la Terre ,

${\displaystyle \textstyler}$ est le rayon de rotation,

${\displaystyle \omega }$est la vitesse angulaire en radians par unité de temps

Cette relation peut s'écrire

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

ou

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

où

${\displaystyle \textstyle r_{\text{mm}}}$ est le rayon de rotation mesuré en millimètres (mm), et

${\displaystyle \textstyle N_{\text{RPM}}}$est la vitesse de rotation mesurée en tours par minute (RPM).

Pour éviter d'avoir à effectuer un calcul mathématique à chaque fois, on peut trouver des nomogrammes pour convertir RCF en rpm pour un rotor d'un rayon donné. Une règle ou une autre règle alignée avec le rayon sur une échelle, et le RCF souhaité sur une autre échelle, indiquera le régime correct sur la troisième échelle. Basées sur la reconnaissance automatique du rotor, les centrifugeuses modernes disposent d'un bouton pour la conversion automatique de RCF en rpm et vice versa.

Voir également

• Force centrifuge
• Centrifugation
• Facteur de compensation
• Extracteur de miel
• Hydroextracteur
• Équation de Lamm
• Coefficient de sédimentation
• Sédimentation
• Processus de séparation — comprend une liste de techniques

Références et notes

Lectures complémentaires

• Naesgaard et al. , Modélisation de la liquéfaction des flux, de son atténuation et comparaison avec des essais en centrifugeuse

Liens externes

• Calculateur RCF et Nomographe
• Calculatrice de rotor de centrifugation
• Sélection de centrifugeuses historiques dans le laboratoire virtuel de l' Institut Max Planck pour l'histoire des sciences