Centrifuga da laboratorio

Le centrifughe da laboratorio sono strumenti utilizzati, in ogni laboratorio scientifico, per separare particelle in soluzione applicando un campo centrifugo artificiale tramite un sistema ruotante ad alta velocità. L’uso delle centrifughe consente di sviluppare una forza notevolmente più elevata rispetto alla forza di gravità terrestre e ciò rende possibile la separazione di particelle sospese nei liquidi o di liquidi con densità differenti. In questo modo la sedimentazione avviene più rapidamente che usando la sola forza di gravità terrestre.


Calcolo della forza centrifuga
È noto il fenomeno della sedimentazione di un corpo solido ad alta densità miscelato ad un fluido a densità più bassa. Questo fenomeno fisico è dovuto al principio di Archimede: dal momento che la massa del fluido spostato Ml è minore di quella Ms del solido che lo sposta, e ad ambedue è applicata l'accelerazione di gravità g, si avrà una forza risultante pari a (Ms - Ml) x g applicata al solido; questa forza causa appunto il movimento di sedimentazione. Se si considera poi la legge di Stokes sul moto dei solidi in mezzi viscosi, si verifica che la velocità terminale di sedimentazione della particella solida è proporzionale alla forza applicata, e quindi all'accelerazione assicurata, nella sedimentazione ordinaria, dal campo gravitazionale terrestre. Appare quindi naturale la ricerca di mezzi atti ad aumentare il valore dell'accelerazione applicata alla sospensione solido-liquido: il metodo più semplice consiste nel sostituire (o integrare) l'accelerazione di gravità con l'accelerazione centrifuga generata da un moto circolare uniforme. Le centrifughe sfruttano questo fenomeno, ottenendo accelerazioni pari o superiori a 10,000 m/s2 (o come spesso si usa dire a 1000 g). Questo ad esempio si ottiene, all'incirca, con un diametro della traiettoria di 1 metro a 7.2 rad/s.

Spesso le prestazioni di una centrifuga vengono specificate in base alla velocità massima raggiungibile. Tuttavia, la velocità esprime solo approssimativamente la forza reale che si sviluppa nel materiale centrifugato che è la causa della separazione dei prodotti. Questa forza si esprime come forza centrifuga relativa (RCF). Il valore numerico indica il multiplo di quante volte la forza centrifuga eccede l’accelerazione dovuta alla gravità “g”.
Ciò vuol dire che l’RCF raddoppia raddoppiando il raggio e si quadruplica raddoppiando la velocità. Quindi le prestazioni delle centrifughe vanno comparate solo sui valori espressi in RCF.
La formula per calcolare l’RCF è: RCF = (n/1000)2 x r x 11,18 n = giri al minuto (RPM) r = raggio in cm

Da quanto sopra detto si deduce che basta far ruotare velocemente attorno ad un asse un recipiente apposito per ottenere una stratificazione, solido nel punto più lontano dall'asse, liquido verso l'interno. Salvo casi speciali, lo scopo della centrifugazione è però la separazione, totale o quasi, tra solido e liquido: esiste quindi la necessità di estrarre separatamente la fase solida dalla fase liquida. Una classificazione può quindi essere stilata in base al tipo di

Funzionamento:
• Centrifughe senza separazione
• Centrifughe con separazione per sfioro
• Centrifughe con separazione per filtrazione

Per ciascuno di questi modelli, esiste una miriade di tipi e di varianti. Di seguito vengono descritte le sole centrifughe senza separazione. Si tralasciano qui le macchine destinate all'ultracentrifugazione, che è una operazione unitaria diversa.

Centrifughe da laboratorio senza separazione
Sono usate per accelerare la decantazione del solido, spesso in condizioni controllate, senza voler ottenere necessariamente due prodotti distinti. In ambito industriale hanno scarso interesse.
Ne sono un esempio le centrifughe usate nel laboratorio di analisi, in cui la provetta viene disposta in un apposito contenitore, e la frazione solida fatta decantare nella provetta stessa. In condizioni standard di riempimento e accelerazione, viene poi misurato il sedimento in percentuale del totale della miscela. Nei laboratori di analisi biomedica, la centrifuga serve per separare la parte acquosa di un liquido biologico dalla parte corpuscolare, ad esempio, il siero dall'ematocrito. In alcuni casi, per impedire il successivo contatto tra le sostanze separate, si usano provette contenenti un gel separatore con un peso specifico appositamente studiato per interporsi fra siero e residuo solido. Una centrifugazione standard per la separazione del sangue dura una decina di minuti a circa 3000 giri/min.



Rotori per centrifughe angolari (ad angolo fisso)
Sono solitamente usati per le alte velocità. L’angolo obliquo delle provette riduce la distanza totale del percorso delle particelle, ciò richiede una maggiore velocità nel processo di sedimentazione.

Rotori per centrifughe oscillanti (ad angolo variabile)
In fase di centrifugazione le provette assumono una posizione orizzontale, il sedimento è depositato nel centro della provetta e i limiti delle fasi si formano orizzontalmente. I rotori ad angolo variabile sono utilizzati quando bisogna centrifugare quantità più elevate di liquidi a media velocità.

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