INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICOT Departamento de Engenharia Química e Biológica Separação e Purificação de Produtos Biológicos CENTRIFUGAÇÃO
Centrifugação Velocidade de centrifugação vs diâmetro partícula Velocidade de centrifugação (cm/s) Diâmetro da partícula (cm)
Q16. Centrífuga de discos centrífuga 1 bioreactor centrífuga 2 homogenizador centrífuga solubilização diafiltração centrífuga 3 E. coli Centrífuga 37 500 L 30 g/l η = 98 % 9 165 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 8 000 rpm a) t =? b) Concentração de células na pasta e clarificado?
Centrifugação corpos de inclusão Escherichia coli
Fraccionamento de plasma humano
Fraccionamento de plasma humano pelo método de Cohn
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
Centrífugas de Tubos Rotor Fixo Escala laboratorial Descontínuas, volumes de 10 µl até 4-5 L Z a s até 38 000 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
Centrífugas de Tubos
Centrífugas Tambor Vaso exterior estacionário; Tambor cilíndrico interior rotativo (13 000 a 18 000 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).
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
Centrífugas Tubulares (Tubular Bowl Centrifuge) Colector Rotor Colector Sólidos Alimentação
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 6000-10000 g
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).
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.
Centrífugas de Discos Centrífugas descontínuas Descarga descontínua dos sólidos acumulados; Utilizada para clarificação de líquidos, de 3000 a 150 000 m 2 ; Centrífugas ejectoras de sólidos Descarga intermitente dos sólidos acumulados; de 5000 a 240 000 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 140 000 m 2 Podem ser herméticas e esterilizáveis com vapor, permitindo o processamento em ambiente estéril ou de líquidos pressurizados.
Centrífugas de Discos Video
Centrífugas de Discos Descontínua Ejectora de Sólidos Válvula Ejectora Video
Centrífugas de Discos N Discos ω R 1 θ R 2 ( 2 2 2πN R R ) 2 1 Factor Sigma Σ = 3gtanθ ω 2
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).
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 2 2 2 2πω 3r2 r 1 + = l 1 + g 4 l 2 2 r2 + 3r2r1 + 4r 8 2 1 (1 η)
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
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 1500 4500 0.5 20% Límpido ou pouco turvo Moles Viscosos Discos 4000 13000 < 1% Límpido ou pouco turvo - Tubular 10000-17000 < 5% Turvo - Câmara Anelar 6000 11000