INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO

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1 INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOT Departamento de Engenharia Química e Biológica Separação e Purificação de Produtos Biológicos CENTRIFUGAÇÃO

2 Centrifugação Velocidade de centrifugação vs diâmetro partícula Velocidade de centrifugação (cm/s) Diâmetro da partícula (cm)

3 Q16. Centrífuga de discos centrífuga 1 bioreactor centrífuga 2 homogenizador centrífuga solubilização diafiltração centrífuga 3 E. coli Centrífuga L 30 g/l η = 98 % L d = 1 µm ρ s = 1100 kg/m 3 ρ = 1000 kg/m 3 µ = 10-3 Pa.s N = 100 θ = 42 º R 0 = 15 cm R i = 5 cm rpm a) t =? b) Concentração de células na pasta e clarificado?

4 Centrifugação corpos de inclusão Escherichia coli

5 Fraccionamento de plasma humano

6 Fraccionamento de plasma humano pelo método de Cohn

7 Equipamento de Centrifugação As centrífugas de sedimentação podem ser agrupadas em: Centrífugas de tubos Centrífugas tambor Centrífugas tubulares Centrífuga de câmara anelar Centrífuga de cestos Centrífugas de discos Centrífugas decantadoras Alfa Laval Westfalia

8 Centrífugas de Tubos Rotor Fixo Escala laboratorial Descontínuas, volumes de 10 µl até 4-5 L Z a s até Gs para volumes pequenos Rotores basculantes (atingem a posição horizontal com aumento da rotação) ou de ângulo fixo (35 a 50º) Podem funcionar sob vácuo (redução da força de atrito) e com controlo de temperatura. Rotor Basculante

9 Centrífugas de Tubos

10 Centrífugas Tambor Vaso exterior estacionário; Tambor cilíndrico interior rotativo ( a rpm); A altura do tambor é 5 a 7 vezes o diâmetro ( de 1500 a 4000 m 2 ); A alimentação é feita pela base através de uma conduta fixa; O clarificado é recolhido pelo topo; Os sólidos depositados são descarregados periodicamente de forma manual (após a interrupção do funcionamento da centrífuga).

11 Centrífugas Tambor ω R 0 R i dz dt dr dt L Alimentação Factor Sigma Σ = ( 2 2 R R ) π L o R g ln R i o i ω 2

12 Centrífugas Tubulares (Tubular Bowl Centrifuge) Colector Rotor Colector Sólidos Alimentação

13 Centrífugas Câmara Anelar (Chamber Bowl Centrifuge) Variante às centrífugas tubulares. Máximo de 6 cilindros coaxiais de diâmetros crescentes, rodando em torno de um eixo comum. Cada espaço anelar corresponde a uma diferente aceleração; A alimentação é efectuada pelo topo, tal como a recolha do clarificado; Opera descontinuamente, Só podem ser utilizadas na clarificação de suspensões (não é possível a sua utilização na separação de duas fases líquidas); Velocidades de centrifugação na ordem dos g

14 Centrífugas de Cestos (Basket Centrifuge) Outra variante às centrífugas tubulares. Menor razão altura/diâmetro ( 0,75); Descarga mecânica dos sólidos sedimentados; Operam descontinuamente; Baixa velocidade de centrifugação (700 g).

15 Centrífugas de Discos Tambor com cones metálicos (50-200) igualmente espaçados (0,5 a 2 mm), denominados discos ou pratos, rodando no interior de um vaso estacionário; A inclinação dos discos relativamente ao eixo de rotação é de 35-50º; A suspensão (ou a emulsão) é introduzida através de um canal central e distribuída pelo espaço entre os discos; O clarificado é recolhido pelo topo; Os sólidos sedimentados são projectados ao longo da face inferior dos discos, em direcção à parede do vaso.

16 Centrífugas de Discos Centrífugas descontínuas Descarga descontínua dos sólidos acumulados; Utilizada para clarificação de líquidos, de 3000 a m 2 ; Centrífugas ejectoras de sólidos Descarga intermitente dos sólidos acumulados; de 5000 a m 2. Podem ser herméticas e esterilizáveis com vapor, permitindo o processamento em ambiente estéril ou de líquidos pressurizados. Centrífugas de válvula ejectora Descarga contínua dos sólidos acumulados; de 4000 a m 2 Podem ser herméticas e esterilizáveis com vapor, permitindo o processamento em ambiente estéril ou de líquidos pressurizados.

17 Centrífugas de Discos Video

18 Centrífugas de Discos Descontínua Ejectora de Sólidos Válvula Ejectora Video

19

20 Centrífugas de Discos N Discos ω R 1 θ R 2 ( 2 2 2πN R R ) 2 1 Factor Sigma Σ = 3gtanθ ω 2

21 Centrífugas Decantadoras Centrífugas tubulares modificadas, compostas por secções cilíndricas e cónicas; Os sólidos depositados nas paredes são removidos por acção de um parafuso que roda a uma velocidade 0,5 a 5% inferior à velocidade do vaso Operam continuamente; Algumas permitem a lavagem dos sólidos (em contracorrente), descarregando-os com diferentes teores de humidade; Utilizadas para suspensões de elevado teor de sólidos ( 60%) contendo partículas de tamanho médio ou elevado (> 5 mm).

22 Centrífugas Decantadoras L 1 Comprimento da secção cilíndrica L 2 Comprimento de secção cónica R 1 Raio ocupado pelo líquido R 2 Raio interno do tambor η Volume ocupado pela hélice (%) Factor Sigma Σ πω 3r2 r 1 + = l 1 + g 4 l 2 2 r2 + 3r2r1 + 4r (1 η)

23

24 Comparação entre Centrífugas Centrífuga Vantagens Desvantagens Tubular Discos Decantadora Elevada força centrífuga Elevada desidratação Fácil de limpar Montagem simples Descarga de sólidos possível Descarga do clarificado sob pressão elimina a formação de espuma Arrefecimento possível Mais versátil e económica Descarga contínua de sólidos Elevada capacidade de sólidos Exige pouca mão-de-obra Baixa capacidade de sólidos Difícil recuperação de sólidos Limpeza a cada 2-10 kg sólidos Difícil de limpar Elevados custos de instalação e operação Baixa desidratação dos sólidos Baixa força centrífuga Turbulência gerada pelo parafuso

25 Escolha de uma Centrífuga Uma amostra da suspensão a processar é centrifugada por poucos minutos num centrífuga de laboratório. A percentagem de volume ocupado pelas várias fracções e a transparência do sobrenadante, a natureza dos sólidos e o tipo de interface obtida dão uma indicação da centrífuga industrial a usar. Sólidos Sobrenadante Tipo sólidos Centrifuga Valor de G 10 60% Límpido Fibrosos Pegajosos Decantadora % Límpido ou pouco turvo Moles Viscosos Discos < 1% Límpido ou pouco turvo - Tubular < 5% Turvo - Câmara Anelar

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