vignette|Centrifugeuse utilisée au laboratoire pour les opérations de séparation courante. 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. Cette technique ne fait pas partie des opérations unitaires en génie chimique.
Les centrifugeuses utilisées à cette fin sont des machines tournant à grande vitesse afin d'imprimer une accélération importante à leur contenu. Elles permettent notamment d'accélérer la décantation de suspensions liquides ou la sédimentation de particules colloïdales.
L'essoreuse à salade en est l'exemple le plus commun : sous l'effet de la rotation, une accélération, ou force centrifuge, est appliquée à son contenu. Les feuilles de laitue sont retenues par les parois du panier perforé tandis que l'eau est éjectée au travers. Les corps denses sont ainsi séparés des corps plus légers. Ces appareils trouvent des applications technologiques et industrielles très variées en biologie, en dessiccation de boues, dans l'industrie nucléaire, en géotechnique, en métallurgie, ainsi que pour les tests et l'entraînement des astronautes et des pilotes militaires.
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 centrifugationBernard Veynachter et Pascal Pottier, Centrifugation et décantation, Techniques de l'ingénieur, F2730, mars 2007. 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 forcesKane Sternheim, Physique, 1984, InterÉditions : right 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 avec γ = 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 »Michel Robatel et Philippe Borel, Centrifugation, généralités. Théorie. Techniques de l'ingénieur, A5550, Mai 1989. Les valeurs utilisées en centrifugation sont d'environ 400 à , ce qui correspond à des vitesses de rotation de l'ordre de suivant le rayon des rotorsM. Seguin, B.Villeneuve, B.Marcheterre, R.Gagnon, Physique 1 Mécanique, Besson, , ..
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 :
Cette loi permet de calculer la vitesse de sédimentation des particules. Dans cette équation, la composante vs est la vitesse de sédimentation, r est le rayon de la particule en solution, Δρ est la différence de densité entre la particule et le milieu où la particule est contenue, g est l’accélération due à la force centrifuge dans la centrifugeuse, η est la viscosité de la solution Kirk, Raymond E. Encyclopedia of Chemical Technology, , New York: Wiley, 1991..
Applications La centrifugation est essentiellement utilisée dans quatre grands domaines : Technique de séparation : au quotidien : essorage du linge, essoreuse à salade, extraction du jus des fruits et légumes, dans l'environnement : dessiccation des boues issues du traitement des eaux usées, dans l'industrie alimentaire : séparation de la crème du lait (écrémage)50 millions de consommateurs, , octobre 1995., 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), au laboratoire : 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 fertile ; Analyse chimique et caractérisation des suspensions : centrifugation analytique : méthode d’analyse des suspensions avec caractérisation rhéologique et granulométrique ; Accélération de masses importantes en macrocentrifugeuse : études géotechniques : test sur modèle physique à échelle réduite, applications militaires : test de systèmes d'armes exposés à des conditions extrêmes, applications aérospatiales : test et entraînement des astronautes et des pilotes militaires ; 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.
Biologie
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 , et qui nécessite de ce fait des vitesses de rotation de plusieurs dizaines de milliers de tours par minuteJean Lemerle, L'ultracentrifugation et ses applications en chimie minérale, L'Actualité chimique, , Paris, mars 1974..
Clarification du vin et de la bière vignette|Centrifugeuse industrielle utilisée pour la mise au propre des vins après fermentation alcoolique. La centrifugation peut être utilisée pour clarifier rapidement les vins ou les bières après fermentation alcoolique ou avant la filtration finale pour la mise en bouteille. Elle permet d'éliminer rapidement une grande partie des particules et des micro-organismes en suspension responsables de faux-goûts éventuels (odeurs soufrées) et d'effets microbiologiques indésirables.
Usages alimentaires Des centrifugeuses électriques sont utilisées dans l'industrie alimentaire pour extraire le jus des fruits et des légumes. En cuisine, chez les particuliers, on en utilise couramment pour essorer la salade. L'écrémeuse-centrifugeuse sert à séparer la crème du lait et donne également comme sous-produit le lactosérum appauvri en graisses et souvent encore appelé petit lait.
Essoreuse décantatrice ou décanteur centrifuge
La centrifugation industrielle utilise des machines particulières pour la séparation de phase. L'un des modèles les plus communs est l'essoreuse décantatrice ou le décanteur centrifuge. Un mélange liquide-solide (par exemple, une suspension colloïdale) est déposé dans un récipient perforé de multiples orifices, la taille de ceux-ci étant suffisamment grande pour laisser passer le liquide et assez petite pour empêcher le passage du solide. Ce type d'appareil peut aussi servir à séparer les mélanges constitués de fractions ayant une densité différente.
Sur la figure ci-contre, la carcasse de l'appareil est stationnaire et solidaire avec la base de celui-ci. Le collecteur de boues 1/4 et le rotor 5 tournent, ce qui permet aux particules solides, ayant une densité élevée, de se déposer sur la surface interne du rotor 5 à des vitesses différentes. Cela permet également un mouvement axial du solide qui est donc entrainé par la vis sans fin vers les ouvertures 6, d'où le solide est projeté vers la sortie 2. La fraction liquide se déverse par les ouvertures 7 et est également éliminée vers la sortie 3.
Enrichissement de l’uranium
L’un des usages les plus connus de l'ultracentrifugation en phase gazeuse comme méthode de séparation isotopique est l’enrichissement de l'uranium Uranium Enrichment ; Coming Full Circle, Oak Ridge National Laboratory's Communications and External Relations.. Étant donné que l’uranium à l’état naturel contient seulement 0,7 % d', l’isotope fissile, il est nécessaire de le séparer de l'isotope non fissile, l’. La légère différence en masse des deux isotopes, due aux trois neutrons supplémentaires de l', permet une séparation par ultracentrifugation. Tout d’abord, le concentré d’uranium () est transformé en hexafluorure d'uranium (), un composé gazeux à une température légèrement supérieure à la température ambiante. L’hexafluorure d’uranium chauffé est injecté à l'état gazeux dans une centrifugeuse, dont le rotor tourne à très grande vitesse dans un caisson sous vide. Sous l'effet de l'accélération centrifuge énorme produite, les molécules d' contenant l’isotope le plus léger de l’uranium (U) ont tendance à diffuser vers le centre de la centrifugeuse. A contrario, celles contenant l’isotope le plus lourd (U) ont tendance à migrer vers les parois externes de la centrifugeuse et à s'y accumuler. Divers procédés permettent d'optimiser le rendement de la séparation. Un conduit au centre de la centrifugeuse et un autre situé près de ses parois extraient l’hexafluorure d'uranium respectivement enrichi et appauvri en U. Ce procédé est répété en cascade jusqu’à ce que le rapport isotopique () souhaité soit atteint. À cette fin, les centrifugeuses sont montées en série et en parallèle, par milliers d’unités. À mesure de leur passage d'une centrifugeuse à l'autre, la teneur en augmente. L' appauvri est renvoyé au début de la cascade pour être retraité.
Études sur modèle réduit en macrogravité Outre les opérations de séparation, de sédimentation des solides ou de clarification des liquides, des centrifugeuses géantes sont utilisées afin de pouvoir modéliser les interactions entre un modèle réduit et des forces extérieures et des contraintes ultimes : séismes, cyclones... Une soixantaine d'instruments de ce type sont exploités dans le monde. Deux sont implantés en France, l'un à usage civil au laboratoire de géotechnique de l'IFSTTAR près de Nantes, l'autre au CESTA en Gironde pour tester le comportement et la résistance de systèmes d'armes exposés à des conditions extrêmes.
Centrifugeuses géotechniques vignette|Macrocentrifugeuse géotechnique de l'IFSTTAR à Nantes dans sa grande chambre blindée, à la paroi circulaire en béton armé. À l'extrémité du bras, à droite, la nacelle carénée et son ogive aérodynamique servant à embarquer les expériences.