laboratorio de centrifugacion
TRANSCRIPT
I. INTRODUCCION
La separación física es un proceso que inicialmente depende de la
fuerza física que la lleva acabo. La separación física es utilizada en la
industrias de alimento desde hace años para eliminar la turbiedad de vinos y
zumos de frutas o néctares, en la separación de proteína del suero de
quesería en fracciones que poseen diferentes propiedades funcionales, en la
separación de materias extrañas en granos enteros o molidos, y en la
concentración de zumos de frutas son necesidad de aporte de calor. Las
separaciones físicas se pueden dividir en cuatro grupos: Sedimentación,
Centrifugación, Filtración, y Tamizado. En el primero de estos métodos se
separan dos líquidos inmiscibles o un líquido y un sólido, permitiendo que la
gravedad produzca un equilibrio (el material más denso caerá con respecto al
más ligero). Debido a que la sedimentación es a menudo un proceso lento, se
suele acelerar aplicando fuerzas centrifugas que aumenten la velocidad de
sedimentación, a esta operación se le denomina centrifugación o separación
centrífuga. La filtración es un tipo de separación que retiene partículas sólidas
pero permite el paso del líquido, mientras que el tamizado es la clasificación de
partículas sólidas de acuerdo con su tamaño. En este capítulo se presenta una
separación centrifuga y un análisis de tamizado.
1.1. Objetivos
- Familiarizarse con la operación de centrifugado.
- Discutir el efecto de la fuerza centrífuga.
II. MARCO TEORICO
II.1. DEFINICION DE CENTRIFUGACION
(Según Fellows, 1994), cuando un material es sometido a
rotación se genera una fuerza centrífuga cuya magnitud depende de
su masa (densidad) y del radio y la velocidad de rotación.
Cuando se somete a separación líquidos inmiscibles (por
ejemplo: emulsiones), el líquido más denso es desplazado hacia la
pared del recipiente de centrifugación ocupando, el menos denso, la
parte más próxima al eje de rotación (Figura 1). El grosor de las
capas está determinado por la densidad de los líquidos, la diferencia
de presión entre las mismas y la velocidad de rotación. La zona de
separación entre los líquidos a una determinada velocidad de
centrifugación se forma a una distancia del eje de rotación (radio rn )
en la que la presiona hidrostática de las dos capas se iguala. A esta
zona se le denomina zona neutra. La zona neutra es importante en
el diseño de la maquinaria apropiada ya que determina la posición
que deberán ocupar los conductos de carga y descarga. Esta zona
se determina mediante la siguiente fórmula:
rn2=pA rA
2−pB rB2
p A−pB. .. . .. .. . .. .. . .. .(1)
En ella, p (Kgm-3 ) representa la densidad y r(m) en radio. Los
subíndices A y B hacen referencia a las capas de líquido, densa y
ligera, respectivamente. Si el objetivo de la centrifugación consiste
en eliminar el líquido menos denso retenido en una masa del líquido
de mayor densidad (por ejemplo: desnatado de la leche) el tiempo
de permanencia en la capa externa deberá ser superior que la capa
interna. Ello se consigue reduciendo el radio de la capa externa (r1
en la figura 1) y por lo tanto, reduciendo el radio de la zona neutra.
Por el contrario si se trata de separar un líquido más denso retenido
por otro menos denso (para la eliminación del agua emulsificada en
el aceite), el radio de la capa externa (y la zona neutra) deberá
aumentarse.
Durante la clarificación por centrifugación, las partículas se
desplazan hacia la pared del bowl por acción de la fuerza centrífuga.
Si el flujo de líquidos es turbulento, la velocidad del movimiento
viene determinada por las densidades de las partículas y del líquido,
la viscosidad del líquido y la velocidad de rotación (ecuación (2)).
Earle (1983) trata de la separación en flujo turbulento.
Q=D2ω2( ps−p )V18u ln(r2/r1 )
.. . .. .. .. . .. .. . ..(2 )
En la anterior expresión (=2N/60) representa la velocidad
angular, Q = (m3/s) la velocidad de flujo volumétrico, V (m3) el
volumen del líquido en la centrifuga, D (m) el diámetro de las
partículas, ps (Kg/m3) la densidad de las partículas p(Kg/m3) la
densidad del líquido, r2 (m) el radio del bowl de la centrifuga r1 (m)
el radio del líquido y N (rev/s) la velocidad de dotación.
Para partículas de un determinado diámetro el tiempo medio
de centrifugación de una suspensión es igual al tiempo que tardan
las partículas en desplazarse por el líquido hasta alcanzar la pared
de la centrifuga:
t=VQ.. . .. .. . .. .. . .. ..(3 )
En la anterior expresión t(s) representa el tiempo de
permanencia. Por tanto, la velocidad de flujo puede ajustarse para
retener así en el líquido las partículas de un determinado tamaño.
II.2. FUERZAS QUE SE DESARROLLAN EN LA SEPARACION
POR CENTRIFUGACION
Los separadores centrífugos se basan en el principio común
de que la rotación de un objeto alrededor de un eje o punto central, a
una distancia radial constante desde dicho punto, produce una
fuerza que actúa sobre dicho objeto. El objeto que gira alrededor de
Figura 1 Separación de líquidos no miscibles: r1, radio del orificio de salida de la fase densa; rn, radio de la zona neutra.
un eje está cambiando de dirección constantemente, con lo cual se
produce una aceleración aun cuando la velocidad rotacional es
constante. Esta fuerza centrípeta actúa en dirección hacia el centro
de rotación.
En la figura 2 se muestra un recipiente cilíndrico o taza
girando, mientras que la alimentación de una suspensión de
partículas sólidas en un fluido penetra por el centro. Al entrar, la
alimentación es arrastrada de inmediato hacia las paredes de la
taza, tal como lo ilustra la figura 2b. La fuerza gravitacional vertical y
la fuerza centrífuga horizontal actúa sobre el líquido y sólidos. La
fuerza centrífuga suele ser tan grande, que es posible despreciar la
fuerza de gravedad. Entonces, la capa liquida asume una posición
de equilibrio con su superficie casi vertical. Las partículas se
Figura 2: Diagrama de una separación por centrifugación: (a) entrada de la suspensión de alimentación inicial, (b) sedimentación de los sólidos suspendidos en un líquido, (c) separación de dos fracciones líquidas.
sedimentan horizontalmente hacia fuera, presionándose sobre la
pared vertical de la taza.
En la figura 2 se muestra la separación de dos líquidos de
densidades diferentes en una centrifuga. El fluido más denso
ocupara la periferia, pues la fuerza centrífuga es mayor sobre el
fluido más denso (Geankoplis 1982).
II.3. ECUACIONES PARA LAS VELOCIDADES DE
SEDIMENTACION ENCENTRIFUGA.
Cuando se usa centrifuga para una sedimentación (separación
de partículas por asentamiento), una partícula de cierto tamaño puede
separarse del líquido en la taza cuando su tiempo de residencia en dicha
taza es suficiente para que la partícula llegue hasta la pared. Es posible
calcular el diámetro de la partícula más pequeña extraída, cuando se
mueve radialmente a su velocidad terminal de sedimentación. La ecuación
queda definida de la siguiente forma:
v t=ω2rD p
2 ( pp−p )18u
. .. .. . .. .. .. . .. .. (4 )
Dónde: vt es la velocidad de sedimentación en la dirección radial
en m/s, D, el diámetro de la partícula en m, pp la densidad de la partícula
en Kg/m3 , p la densidad del líquido en Kg/m3 , y es la velocidad del
líquido en Pa*s (Geankoplis 1982).
II.4. EQUIPOS DE CENTRIFUGACION.
II.4.1. Centrifuga tubular.
La tasa es alta y de poco diámetro, 100 – 150 mm. Esta
centrifugas, conocidas como súper centrifugas, desarrollan una
fuerza equivalente a unos 13,000 veces la de la gravedad. A
centrifugas muy estrechas con diámetros de 75mm y velocidades
muy altas de 60,000 rev/min, se les llama ultra centrifugas. Las
súper centrifugas tiene grandes aplicaciones en las separaciones de
emulsiones liquido- liquido.
II.4.2. Centrifugas de recipientes con discos.
La centrifuga de taza con discos se usan con frecuencia en
las separaciones liq. – liq .La alimentación penetra al compartimiento
por el fondo y se desplaza hacia arriba a través de orificio de
alimentación especiados verticalmente, llenando los espacios entre
los discos. Los orificios dividen al conjunto vertical en una sección
interior, en la que está presente la mayor parte del líquido ligero, y
una sección externa, donde predomina el líquido pesado. Esta línea
divisoria es similar a la interface de una centrifuga tubular. El líquido
pesado fluye por debajo de la superficie inferior de un disco hasta la
periferia de la taza. El líquido ligero fluye sobre la superficie superior
y hacia la salida de la zona interior. Cualquier cantidad pequeña de
sólidos pesados que pueda existir, se desplaza hacia la pared
exterior. Se requieren limpieza periódicas para extraer los sólidos
depositados. Las centrifugas de tasa con discos se usan en las
separaciones de almidón – gluten, en la concentración de látex de
caucho y en la separación de cremas (Geankoplis 1982).
II.5. APLICACIONES DE LA CENTRIFUGACION EN LA
INDUSTRIA ALIMENTARIA.
La separación centrifuga se utiliza con los siguientes fines:
a. para obtener nata y/o leche desnatada.
b. Para separar el lacto suero o la mazada de nata dulce.
c. Para estandarizar la leche y los productos lácteos al
contenido graso deseados.
También se aplica para depurar la leche esencialmente para
eliminar las partículas de suciedad, leucocitos, etc. Otro proceso
basado en la separación centrifuga es la “bactofugación” que se
utiliza en algunos casos para eliminar de la leche las bacterias y sus
esporas.
III. MATERIALES Y METODOS
III.1. MATERIALES
- Centrífuga de laboratorio.
- Conjunto de tubos de centrifuga.
- Leche.
III.2. METODO
1. Aprender el manejo de la operación de centrifugación.
2. Preparar la centrifuga, el conjunto de tubos de centrifuga y
la leche.
3. Llenar los tubos de centrifuga hasta los 2/3 de su
capacidad.
4. Colocar el conjunto de tubos en la centrifuga y cerrar la
tapa.
5. Centrifugar durante 10 minutos a 3000 r.p.m.
6. Cuando la centrifuga se haya parado por completo abrir la
tapa y sacar los tubos.
7. Medir la altura de la nata y leche desnatada, apuntando el
resultado del experimento.
8. Repetir las etapas utilizando la centrifugación de 5000,
7000, 10000 r.p.m.
IV. RESULTADOS Y DISCUSION
CUADRO Nº1: Centrifugación a 3000 rpm/ 10 min.
3000 rpm / 10 min
H nata (cm) H desnatada (cm)
T1 0.2 2
T2 0.5 1.2
T3 0.3 1.3
CUADRO Nº2: Centrifugación a 5000 rpm/ 10 min.
5000 rpm / 10 min
H nata (cm) H desnatada (cm)
T1 0.1 2
T2 0.4 1.8
T3 0.2 2
CUADRO Nº3: Centrifugación a 7000 rpm/ 10 min.
7000 rpm / 10 min
H nata (cm) H desnatada (cm)
T1 0.4 2
T2 0.3 1.9
T3 0.2 1.5
CUADRO Nº4: Centrifugación a 10000 rpm/ 10 min.
10000 rpm / 10 min
H nata (cm) H desnatada (cm)
T1 0.1 1.5
T2 0.1 1.5
T3 0.2 1.5
Determinando las velocidades en m/s:
v= rpm∗π∗∅60
Para 3000 rpm:
v1=3000∗π∗0.0160
v1=1.57m /s
Para 5000 rpm:
v1=5000∗π∗0.0160
v1=2.618m/ s
Para 7000 rpm:
v1=7000∗π∗0.0160
v1=3.67m /s
Para 10000 rpm:
v1=10000∗π∗0.0160
v1=5.24m /s
GRAFICO 1: Se muestra la curva de la h (altura) vs velocidad de
la nata de la leche realizada en la práctica con la centrifugadora.
1.57 2.618 3.67 5.24velocidad(m/s)
0
0.0005
0.001
0.0015
0.002
0.0025
0.003
0.0035
Nata
Nata
h (a
ltura
de
la n
ata
en cm
)
GRAFICO 2: Se muestra la curva de la h vs velocidad de la
desnatada de la leche realizada en la práctica con la centrifugadora.
1.57 2.618 3.67 5.24velocidad(m/s)
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
Desnatada
Desnatada
h ( a
ltura
de
la d
esna
tada
en
cm )
V. CONCLUSION
- Se familiarizo la operación de centrifugado obteniendo resultados
con tres repeticiones, midiendo la altura de la nata y desnatada
correspondiente a la leche.
- Se determinó que cuanto más era la velocidad la separación era
mayor de las dos fases de la leche. Aunque algunos datos no fueron
tomados bien ya que una ligera variación que se observa en la
gráfica 1, donde y = -0.000x + 0.003 y R² = 0.499
Esto se dio debido a una mala toma de medición de la altura de nata
de la leche, ya que la muestra se encontraba inclinada debido al
movimiento centrifuga.
VI. BIBLIOGRAFIA
1. FELLOWS, P. 1994. Tecnología del Proceso de los Alimentos, Principios y
Prácticas. Editorial. Acribia, S.A. España. Pág. 121 – 123.
2. EARLE, R. L., 1983. Operaciones Básicas Aplicadas a la Tecnología de los
Alimentos. 2da. Edición. Editorial Acribia, S.A. (1988).
3. GEANKOPLIS, CH. 1982. Proceso de Transporte y Operaciones Unitarias.
Editorial Continental. México. Pág. 676 – 683.
4. WALSTRA, P. 2001. Ciencia de la Leche y Tecnología de los Productos
Lácteos. Editorial Acribia, S.A. Zaragoza. España. Pág. 243 – 246.