Centrifugation

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. L'appareil utilisé est une machine tournante à grande vitesse appelée centrifugeuse. Cette technique ne fait pas partie des opérations unitaires en génie des procédés.

Un des principaux appareils qui sert à la centrifugation est la centrifugeuse. Cet appareil est destiné à imprimer une accélération, grâce à un mouvement de rotation. Elle permet notamment d'accélérer la décantation de mélanges liquides ou colloïdaux. L'essoreuse à salade en est une : sous l'effet de la rotation, une accélération, ou force centrifuge, est appliquée au contenu. Les feuilles de laitue sont bloquées par les parois du panier perforé et l'eau est éjectée sur les parois du récipient. Le corps dense est ainsi séparé du corps moins dense. Ces appareils trouvent des applications technologiques et industrielles très importantes en biologie, en dessiccation de boues, dans l'industrie nucléaire ainsi que dans la formation des astronautes et l'entraînement 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 centrifugation[1]. 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 forces[2] :

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_c avec γ_c = 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 »[3]. Les valeurs utilisées en centrifugation sont d'environ 400 à 10 000 g, ce qui correspond à des vitesses de rotation de l'ordre de 2 000 à 10 000 tr/min suivant le rayon des rotors[4].

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 :

V_{s}={\frac {2r^{2}g\Delta \rho }{9\eta }}

Cette loi permet de calculer la vitesse de sédimentation des particules. Dans cette équation, la composante v_s 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[5].

Applications

La centrifugation est utilisée dans trois principaux domaines :

la séparation de différentes espèces les unes des autres :
- dans le quotidien : essorage de la salade (ex. : essoreuse à salade), essorage du linge (ex. : machine à laver), extraction du jus des fruits et légumes[6],
- dans l'environnement : dessiccation des boues pour le traitement des eaux usées,
- dans l'industrie alimentaire : séparation de la crème du lait (écrémage)[7], 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),
- dans les laboratoires : 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 léger ²³⁵U ;
l'analyse chimique :
- centrifugation analytique ;
la 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.

En 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 200 000 g, et qui nécessite de ce fait des vitesses de rotations de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute[8].

Pour l'enrichissement de l’uranium

L’un des usages les plus connus de la centrifugation est l’enrichissement de l’uranium. Étant donné que l’uranium à l’état de minéral contient moins d'un pour cent d'uranium 235, l’isotope fissile, il est nécessaire de le séparer de son isotope stable, l’uranium 238. La légère différence en masse des deux isotopes, due aux trois neutrons supplémentaires de l'uranium 238, permet une séparation par centrifugation. Tout d’abord, l’uranium est transformé en hexafluorure d’uranium, un composé de l’uranium qui est gazeux à une température légèrement plus élevée que la température ambiante. L’hexafluorure d’uranium est ensuite soumis à une centrifugation, durant laquelle l’isotope plus léger de l’uranium a tendance à se diffuser vers le centre de la centrifugeuse. A contrario, l’isotope plus lourd a tendance à se diffuser vers les parois de la centrifugeuse. Un conduit au centre de la centrifuge et un autre sur les parois extraient donc l’hexafluorure respectivement appauvri et enrichi. Ce procédé est répété en cascade jusqu’à ce qu’un degré de pureté désiré soit atteint concernant la concentration d’isotope fissile par rapport à l’isotope non-fissile[5].

Vin et bière

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 filtration de finition en vue d'une mise en bouteilles. Elle permet d'éliminer rapidement une grande partie des particules et des micro-organismes en suspension responsables de faux-goûts éventuels (odeurs soufrées) et de déviations microbiologiques.

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, un colloïde) 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 parties ayant une densité différente.

Essoreuse décantatrice * 1 : collecteur des buées, avec des ouvertures (bleu) * 2 : ouvertures de décharge du solide * 3 : ouvertures de décharge du liquide * 4 : vis sans fin * 5 : rotor (rouge) * 8 : carcasse fermée

Sur l'image ci-dessus, la carcasse est stationnaire et solidaire avec la base de l'appareil. Le collecteur des buées 1/4 et le rotor 5 tournent, et cela dispose les parties solides, ayant une densité élevée, sur la surface intérieure du rotor 5; à vitesses différentes. ceci permet 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 projetée vers la sortie 3.

En cuisine

Des centrifugeuses électriques sont utilisées en cuisine, y compris par des particuliers, pour extraire le jus des fruits et des légumes. Elle est aussi utilisée pour essorer la salade.
L'écrémeuse-centrifugeuse sert à récupérer la crème du lait.

Enrichissement du combustible nucléaire

Les centrifugeuses permettent, par un procédé sophistiqué et long de centrifugation gazeuse, de séparer grâce à la différence de vitesse de décantation centrifuge les produits de densité différente, typiquement l'hexafluorure d'uranium 238 de l'hexafluorure d'uranium 235 plus léger, en vue d'augmenter sa proportion et d'enrichir le futur combustible nucléaire, l'uranium naturel n'étant pas suffisamment riche en uranium 235 fissile[9].

Le minerai d'uranium doit d'abord être purifié puis transformé en gaz (hexafluorure d’uranium ou UF₆). Ce gaz est injecté dans une centrifugeuse, dont le rotor tourne à très grande vitesse dans un caisson sous vide. Avec le temps, les isotopes U₂₃₈ (plus lourds) se déportent puis s’agrègent contre la paroi de la centrifugeuse, tandis que les molécules d’U₂₃₅, plus légères, s’accumulent au centre. Divers procédés favorisent une bonne séparation. L'opération est renouvelée jusqu'à obtention du résultat voulu. À cette fin, les centrifugeuses sont montées en cascade, en série et en parallèle, par milliers d’unités. À mesure de leur passage d'une centrifugeuse à l'autre, la teneur en uranium 235 augmente. L'UF₆ appauvri est renvoyé au début de la cascade pour être retraité.

Le procédé a été développé dans les années 1980 aux États-Unis par le Département de l'Énergie des États-Unis (DoE), avec la construction d'une première cascade d'essai (1 300 centrifugeuses à gaz) au laboratoire d'Oak Ridge (Tennessee) et à l'usine d'enrichissement de Piketon (Ohio) qui a exploité une centaine de centrifugeuses durant neuf mois. L'idée a été abandonnée en 1986 puis relancée avec un système de séparation d'isotopes par vapeur et laser (SILVA, qui fait depuis 2000 l'objet de recherches par l'USEC). Plusieurs industriels ont développé la centrifugation gazeuse : russes et anglais (Urenco qui a créé dans les années 1990 une société ERP), allemands, néerlandais...

En recherche

Centrifugeuse utilisée en biologie.

Outre la décantation d'éléments disparates, des centrifugeuses géantes peuvent être utilisées pour mieux modéliser les interactions entre un modèle réduit et des forces extérieures : séismes, cyclones... Une soixantaine d'instruments de ce type sont exploités dans le monde (dont deux en France, un à usage civil, celui de Bouguenais au laboratoire central des ponts et chaussées de Nantes, et celui du Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine, à usage militaire, près de Bordeaux).

En aéronautique et astronautique

Les centrifugeuses sont utilisées pour la formation des astronautes et l’entraînement des pilotes militaires. Elles permettent de renforcer et de tester leur résistance aux accélérations importantes.

Centrifugeuse utilisée par la NASA pour l'étude de l'équilibre sur des astronautes.

Centrifugeuse utilisée à la NASA.

Dans la métallurgie

Tuyaux en fonte ductile obtenus par centrifugation.

Les centrifugeuses sont employées dans la métallurgie, par exemple pour la fabrication des tuyaux.

Notes et références

Cet article est partiellement ou en totalité issu de l'article intitulé « Centrifugeuse » (voir la liste des auteurs).

Bernard Veynachter et Pascal Pottier, Centrifugation et décantation, Techniques de l'ingénieur, F2730, mars 2007
Kane Sternheim, Physique, 1984, InterÉditions (ISBN 2-7296-0098-1) p. 330
Michel Robatel et Philippe Borel, Centrifugation, généralités. Théorie. Techniques de l'ingénieur, A5550, Mai 1989
M. Seguin, B.Villeneuve, B.Marcheterre, R.Gagnon, Physique 1 Mécanique, Besson, 4^e édition, p. 434.
(en) Kirk, Raymond E. Encyclopedia of Chemical Technology, 4^e édition, New York: Wiley, 1991.
Jean Lemerle, « Centrifugation », sur Encyclopædia Universalis (consulté le 26 juillet 2015)
50 millions de consommateurs, n^o 288, octobre 1995.
Jean Lemerle, L'ultracentrifugation et ses applications en chimie minérale, L'Actualité chimique, p. 3-28, Paris, mars 1974.
(en) Uranium Enrichment ; Coming Full Circle, Oak Ridge National Laboratory's Communications and External Relations.

Voir aussi

Articles connexes

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