Descubre qué es la centrifugación y cómo se utiliza en la ciencia y la medicina para separar mezclas, purificar muestras y analizar componentes celulares. Aprende sobre los diferentes tipos de centrifugadoras y cómo funcionan para separar los componentes de una muestra. Explora la importancia de la centrifugación en campos como la biotecnología, la microbiología y la investigación médica.
Qué es la centrifugación y por qué se usa
El término centrífuga puede referirse a una máquina que alberga un contenedor que gira rápidamente para separar su contenido por densidad (sustantivo) o al acto de usar la máquina (verbo). El moderno dispositivo rastrea sus orígenes a un aparato de brazo giratorio diseñado en el siglo XVIII por el ingeniero Benjamin Robins para determinar la resistencia. En 1864, Atonin Prandtl aplicó la técnica para separar la leche y la crema. Su hermano refinó la técnica e inventó una máquina de extracción de grasa de mantequilla en 1875. Mientras que las centrifugadoras todavía se usan para separar los componentes de la leche, su uso se ha expandido a muchas otras áreas de la ciencia y la medicina. Las centrífugas se usan con mayor frecuencia para separar diferentes líquidos y partículas sólidas de los líquidos, pero se pueden usar para gases. También se utilizan para otros fines que la separación mecánica.
Cómo funciona una centrifugadora
Una centrífuga recibe su nombre de la fuerza centrífuga, la fuerza virtual que tira de los objetos que giran hacia afuera. La fuerza centrípeta es la fuerza física real en el trabajo, tirando de los objetos que giran hacia adentro. Girar un balde de agua es un buen ejemplo de las fuerzas en el trabajo. Si el balde gira lo suficientemente rápido, el agua se jala hacia él y no se derrama. Si el cubo se llena con una mezcla de arena y agua, el centrifugado produce centrifugación. De acuerdo con el principio de sedimentación, tanto el agua como la arena en el cubo se arrastrarán hacia el borde exterior del cubo, pero las densas partículas de arena se depositarán en el fondo, mientras que las moléculas de agua más livianas se desplazarán hacia el centro.
La aceleración centrípeta esencialmente simula una mayor gravedad, sin embargo, es importante tener en cuenta que la gravedad artificial es un rango de valores, dependiendo de lo cerca que esté un objeto del eje de rotación, no de un valor constante. El efecto es mayor cuanto más lejos llega un objeto porque recorre una mayor distancia para cada rotación.
Tipos y usos de las centrífugas
Todos los tipos de centrífugas se basan en la misma técnica, pero difieren en sus aplicaciones. Las principales diferencias entre ellos son la velocidad de rotación y el diseño del rotor. El rotor es la unidad giratoria en el dispositivo. Los rotores de ángulo fijo mantienen las muestras en un ángulo constante, los rotores de cabezales giratorios tienen una bisagra que permite que los recipientes de muestras giren hacia afuera a medida que aumenta la velocidad de giro y las centrífugas tubulares continuas tienen una cámara en lugar de cámaras de muestras individuales.
Las centrífugas y ultracentrífugas de muy alta velocidad giran a una velocidad tan alta que pueden usarse para separar moléculas de diferentes masas o incluso isótopos de átomos. Por ejemplo, se puede usar una centrífuga de gas para enriquecer uranio, ya que el isótopo más pesado se extrae más que el más ligero. La separación de isótopos se utiliza para la investigación científica y para producir combustible nuclear y armas nucleares.
Las centrifugadoras de laboratorio también giran a altas velocidades. Pueden ser lo suficientemente grandes para estar de pie en un piso o lo suficientemente pequeños para descansar en un mostrador. Un dispositivo típico tiene un rotor con orificios perforados en ángulo para sostener los tubos de muestra. Debido a que los tubos de muestra están fijos en un ángulo y la fuerza centrífuga actúa en el plano horizontal, las partículas se mueven una pequeña distancia antes de golpear la pared del tubo, lo que permite que el material denso se deslice hacia abajo. Si bien muchas centrífugas de laboratorio tienen rotores de ángulo fijo, también son comunes los rotores de cubeta oscilante. Estas máquinas se utilizan para aislar componentes de líquidos y suspensiones inmiscibles. Los usos incluyen la separación de componentes de la sangre, el aislamiento del ADN y la purificación de muestras químicas.
Las centrifugadoras de tamaño mediano son comunes en la vida diaria, principalmente para separar rápidamente los líquidos de los sólidos. Las lavadoras utilizan la centrifugación durante el ciclo de centrifugado para separar el agua de la ropa, por ejemplo. Un dispositivo similar hace girar el agua de los trajes de baño.
Se pueden usar centrifugadoras grandes para simular la gravedad alta. Las máquinas son del tamaño de una habitación o edificio. Las centrífugas humanas se utilizan para entrenar pilotos de prueba y realizar investigaciones científicas relacionadas con la gravedad. Las centrífugas también se pueden utilizar como «atracciones» en los parques de atracciones. Mientras que las centrífugas humanas están diseñadas para alcanzar hasta 10 o 12 gravedad, las máquinas no humanas de gran diámetro pueden exponer muestras hasta 20 veces la gravedad normal. El mismo principio puede ser usado algún día para simular la gravedad en el espacio.
Las centrifugadoras industriales se utilizan para separar componentes de coloides (como la crema y la mantequilla de la leche), en la preparación química, limpieza de sólidos del fluido de perforación, materiales de secado y tratamiento de agua para eliminar los fangos. Algunas centrífugas industriales dependen de la sedimentación para la separación, mientras que otras separan la materia mediante una pantalla o filtro. Las centrífugas industriales se utilizan para fundir metales y preparar productos químicos. La gravedad diferencial afecta la composición de la fase y otras propiedades de los materiales.
Técnicas relacionadas
Si bien la centrifugación es la mejor opción para simular la alta gravedad, existen otras técnicas que se pueden usar para separar materiales. Estos incluyen filtración, tamizado, destilación, decantación y cromatografía. La mejor técnica para una aplicación depende de las propiedades de una muestra y su volumen.
