Centrifugation

La centrifugation est un procédé de séparation des composés d'un mélange en fonction de leur différence de densité en les soumettant à une force centrifuge. Le mélange à séparer peut être constitué soit de deux phases liquides, soit de particules solides en suspension dans un fluide. L'appareil utilisé est une machine tournante à grande vitesse appelée centrifugeuse. Cette technique fait partie des opérations unitaires en génie des procédés.

Étymologie

Le mot centrifugation est construit à partir du verbe « centrifuger » qui vient du latin fugere qui signifie « fuir » et de « centre », auquel est ajouté le suffixe -ation indiquant une action, un effet physique.

Principe

La séparation des composés d'un mélange est réalisable par décantation, sous l'action de la seule gravitation mais elle nécessite parfois une longue durée pour acquérir de bons résultats et est donc souvent inefficace. Il est donc plus efficace d'utiliser la centrifugation^[1]. Au cours de cette opération de séparation, les composés dans le fluide situés à une distance r de l'axe de rotation sont soumis à différentes forces^[2] :

• La force de pesanteur descendante Fp
• La poussée d'Archimède ascendante Fa
• Une force de friction Fv
• La force centripète F'c
• La force centrifuge Fc

La séparation s'opère par l'action de la force centrifuge Fc sur les composés. Cette force centrifuge, exprimée en newtons, est donnée par la relation Fc = mγ_c avec γ_c = rω² en m/s² dont :

• La masse m du composé à séparer
• La distance r du tube à l'axe de rotation de la centrifugeuse
• La vitesse angulaire ω exprimée en radians par seconde ou en tour par minute.

Le rapport de la force centrifuge Fc sur le poids Fp est appelé intensité de la pesanteur artificielle et s'exprime en "g"^[3]. Les valeurs utilisées en centrifugation sont d'environ 400 à 10 000 g ce qui correspond à des vitesses de rotation de l'ordre 2 000 à 10 000 tr/min suivant le rayon des rotors^[4].

La centrifugation fait appel à la force centrifuge exercée sur les particules incluses dans la solution, afin de ségréguer certaines composantes. Cette séparation s’effectue selon la densité des particules. La force exercée par l’accélération à haute vitesse de la solution à séparer est régie par la loi de Stokes :

Vs = (2r^2Δρg) / 9η

Cette loi permet de calculer la vitesse de sédimentation des particules. Dans cette équation,  la composante v_s est la vitesse de sédimentation. Le r est le rayon de la particule en solution. Le Δρ est la différence de densité entre la particule et le milieu où la particule est contenue. Le ‘’g’’ est l’accélération due à la force centrifuge dans la centrifugeuse.  Le η est la viscosité de la solution^[5].

Certaines applications, comme la séparation des macromolécules biologiques (protéines, acides nucléiques), nécessitent de passer par la méthode d'ultracentrifugation mise au point par Theodor Svedberg, qui utilise des accélérations très élevées de l'ordre de 200 000 g, et qui nécessite de ce fait des vitesses de rotations de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute^[6].

L’un des usages les plus connu de la centrifugation est l’enrichissement de l’uranium. Étant donné que l’uranium à l’état de minéral ne contient que quelques pourcent d'uranium 235, l’isotope fissile, il est nécessaire de le séparer de son isotope stable, l’uranium 238. Étant donnée la légère différence en masse des deux isotopes, une séparation par centrifugation est possible. Tout d’abord, l’uranium est transformé en hexafluorure d’uranium, un composé l’uranium qui est gazeux à une température légèrement plus élevée que la température ambiante. L’hexafluorure d’uranium est ensuite soumis à une centrifugation, durant laquelle l’isotope plus ‘’léger’’ de l’uranium a tendance à se diffuser vers le centre de la centrifugeuse. À contrario,  l’isotope plus ‘’lourd’’ a tendance à se diffuser vers les parois de la centrifuge. Alors un conduit au centre de la centrifuge extrait l’hexafluorure d’uranium-235 et un conduit sur les parois évacue l’hexafluorure d’uranium-238. Ainsi, ce procédé est répété jusqu’à ce qu’un degré de pureté désiré soit atteint en termes de concentration d’isotope fissile par rapport à l’isotope non-fissile^[5].

Utilisation

La centrifugation est utilisée dans trois principaux domaines :

• la séparation de différentes espèces les unes des autres :
  • dans le quotidien : essorage de la salade (ex:essoreuse à salade), essorage du linge (ex:machine à laver), extraction du jus des fruits et légumes^[7] ;
  • dans l'environnement : dessication des boues pour le traitement des eaux usées ;
  • dans l'industrie alimentaire: séparation de la crème du lait (écrémage)^[8], élimination des particules de la bière ou du vin (clarification), extraction des huiles et des matières grasses (extraction de l'huile d'olive), extraction du miel (apiculture) ;
  • dans les laboratoires : pour récupérer un précipité, pour séparer des éléments figurés dans le sang (globules rouges, globules blancs, plaquettes en suspension dans le plasma sanguin), séparation de composés cellulaires pour étude biochimique ou moléculaire ;
  • en orpaillage : pour séparer avec une batée l'or des sables aurifères ;
  • dans le domaine du nucléaire : pour enrichir l’uranium avec l'isotope léger ²³⁵U ;
• l'analyse chimique:
  • centrifugation analytique ;
• la mise en forme des matériaux :
  • coulée par centrifugation pour les métaux et le béton ;
  • moulage par centrifugation pour les matières plastiques et les matériaux composites ;
  • enduction par centrifugation ;
  • fabrication de la barbe à papa.

Notes et références

1. ↑ Bernard Veynachter et Pascal Pottier, Centrifugation et décantation, Techniques de l'ingénieur, F2730, mars 2007
2. ↑ Kane Sternheim, Physique, 1984, InterÉditions ISBN 2-7296-0098-1 p. 330
3. ↑ Michel Robatel et Philippe Borel, Centrifugation, généralités. Théorie. Techniques de l'ingénieur, A5550, Mai 1989
4. ↑ M. Seguin, B.Villeneuve, B.Marcheterre, R.Gagnon, Physique 1 Mécanique, BESSON 4^e édition, p. 434
5. 1 2 Kirk, Raymond E. Encyclopedia of Chemical Technology. 4th ed. New York: Wiley, 1991. Print.
6. ↑ Jean Lemerle, L'ultracentrifugation et ses applications en chimie minérale, L'Actualité chimique, p. 3-28, Paris, mars 1974
7. ↑ Jean Lemerle, « CENTRIFUGATION », sur Encyclopædia Universalis (consulté le 26 juillet 2015)
8. ↑ 50 millions de consommateurs, n^o 288, octobre 1995.

Articles connexes

• Ultracentrifugeuse
• Ultracentrifugation gazeuse.
• Centrifugeuse
• Décantation
• Sédimentation

Liens externes

• http://www.snv.jussieu.fr/vie/dossiers/centrifugation/centrifugation.html
• http://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich4_5.htm
• http://www8.umoncton.ca/umcm-gauthier_didier/siitub/centrifugation.html
• http://www-reynal.ensea.fr/moto/La_force.html

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