INSTITUTO SUPERIOR TINSTITUTO SUPERIOR TÉÉCNICOCNICO

Departamento de Engenharia Departamento de Engenharia QuQuíímica emica e BiolBiol óógicagica

SeparaSepara çção e Purificaão e Purifica çção de Produtos Biolão de Produtos Biol óógicosgicos

CENTRIFUGACENTRIFUGAÇÇÃOÃO

Miguel Prazeres

Diâmetro da partícula (cm)

Vel

ocid

ade

de c

entr

ifuga

ção

(cm

/s)

Velocidade de centrifugação vs diâmetro partícula

Centrifugação

Miguel Prazeres

bioreactor

centrífuga1

centrífuga2

centrífuga3

homogenizador centrífuga diafiltraçãosolubilização

37 500 L30 g/L

9 165 Lη = 98 %

Centrífuga

N = 100θ = 42 ºR0 = 15 cmRi = 5 cm8 000 rpm

E. coli

d = 1 µmρs = 1100 kg/m3

ρ = 1000 kg/m3

µ = 10-3 Pa.s

a) t = ?

b) Concentração de células na pasta e clarificado?

Q16. Centrífuga de discos

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Centrifugação

Escherichia coli

corpos de inclusão

Miguel Prazeres

Fraccionamento de plasma humano

Miguel Prazeres

Fraccionamento de plasma humano pelo método de Cohn

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Equipamento de Centrifugação

As centrífugas de sedimentação podem ser agrupadas em:

• Centrífugas de tubos

• Centrífugas tambor

• Centrífugas de discos

• Centrífugas decantadoras

Centrífugas tubulares

Centrífuga de câmara anelar

Centrífuga de cestos

Alfa Laval

Westfalia

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Centrífugas de Tubos

� Escala laboratorial

� Descontínuas, volumes de 10 µL até 4-5 L

� Za´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

Rotor Fixo

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Centrífugas de Tubos

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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 m2);

� 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).

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Centrífugas Tambor ω

dtdr

dtdz

Ri

R0

Alimentação

( )

×

−=

i

o

22i

2o

RR

lng

ω RRLπΣ

L

Factor Sigma

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Centrífugas Tubulares

(Tubular Bowl Centrifuge)

Alimentação

ColectorColector

Rotor

Sólidos

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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 épossível a sua utilização na separação de duas fases líquidas);

� Velocidades de centrifugação na ordem dos 6000-10000 g

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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).

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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.

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Centrífugas de Discos

� Centrífugas descontínuasDescarga descontínua dos sólidos acumulados;

Utilizada para clarificação de líquidos, ∑ de 3000 a 150 000 m2;

� Centrífugas ejectoras de sólidosDescarga intermitente dos sólidos acumulados;

∑ de 5000 a 240 000 m2.Podem ser herméticas e esterilizáveis com vapor, permitindo o processamento em ambiente estéril ou de líquidos pressurizados.

� Centrífugas de válvula ejectoraDescarga contínua dos sólidos acumulados;

∑ de 4000 a 140 000 m2

Podem ser herméticas e esterilizáveis com vapor, permitindo o processamento em ambiente estéril ou de líquidos pressurizados.

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Centrífugas de Discos

Video

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Centrífugas de Discos

Descontínua Válvula EjectoraEjectora de Sólidos

Video

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Centrífugas de Discos

R1

θ

N Discosω

R2

Factor Sigma( )

tanθg3ω RRN 22

12

2 −=Σ π2

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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).

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Centrífugas Decantadoras

η)(18

4rr3rr4

r3rgω2

Σ2

1122

22

21

22

1

2

−

+++

+= llπ

Factor Sigma

L1 – Comprimento da secção cilíndrica

L2 – Comprimento de secção cónica

R1 – Raio ocupado pelo líquido

R2 – Raio interno do tambor

η – Volume ocupado pela hélice (%)

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Comparação entre Centrífugas

Baixa força centrífuga

Turbulência gerada pelo parafuso

Mais versátil e económica

Descarga contínua de sólidos

Elevada capacidade de sólidos

Exige pouca mão-de-obra

Decantadora

Difícil de limpar

Elevados custos de instalação e operação

Baixa desidratação dos sólidos

Descarga de sólidos possível

Descarga do clarificado sob pressão elimina a formação de espuma

Arrefecimento possível

Discos

Baixa capacidade de sólidos

Difícil recuperação de sólidos

Limpeza a cada 2-10 kg sólidos

Elevada força centrífuga

Elevada desidratação

Fácil de limpar

Montagem simples

Tubular

DesvantagensVantagensCentrífuga

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Escolha de uma Centrífuga

6000 – 11000Câmara Anelar-Turvo< 5%

10000 - 17000Tubular-Límpido ou

pouco turvo< 1%

4000 – 13000DiscosMoles

ViscososLímpido ou pouco turvo

0.5 – 20%

1500 – 4500DecantadoraFibrosos

PegajososLímpido10 – 60%

Valor de GCentrifugaTipo sólidosSobrenadanteSólidos

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.

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