CENTRIFUGATION

Lorsque la décantation de particules sous l'effet du champ de pesanteur est inefficace ou trop lente, on a alors recours au procédé de centrifugation. Pour cela, on substitue au champ de pesanteur terrestre un champ de forces centrifuges infiniment plus grand, soit de 500 000 à 1 million de fois l'accélération de la pesanteur (g = 9,81 m . s^-2). Les centrifugeuses sont couramment utilisées par les laboratoires de biologie, afin de séparer des cellules, des protéines, ou encore de purifier des virus. La séparation des isotopes 235 et 238 de l'uranium peut être réalisée à partir de l'hexafluorure d'uranium UF₆ par centrifugation. Cette manipulation est cependant peu pratiquée, en raison des contraintes exigées par l'appareillage.

Dans la vie courante, les applications de la centrifugation sont nombreuses : essorage de la salade, du linge, écrémage du lait ou encore confection de jus de fruits ou de légumes.

Particules soumises à un champ centrifuge

En l'absence d'agitation, des particules dispersées dans un fluide sont soumises, d'une part, aux forces de pesanteur qui tendent à les faire se rassembler au fond du récipient et, d'autre part, à la poussée d'Archimède qui tend à les faire remonter à la surface : le mouvement des particules dépend donc de l'intensité relative de ces forces. Si elles sont égales, les particules flottent, si la pesanteur l'emporte, les particules sédimentent, et cela d'autant plus vite que leur différence de densité avec le milieu de dispersion est grande.

Sous l'effet d'une agitation, la concentration du milieu en particules dispersées est homogénéisée et la sédimentation n'a pas lieu.

Des particules dont les dimensions sont inférieures à 2 micromètres peuvent ne pas décanter, et leurs dispersions apparaissent homogènes à l'échelle macroscopique. On a alors des solutions colloïdales ou sols. Les suspensions peuvent être des petits grains de matériaux massiques, des cellules, des virus, des bactéries, des macromolécules comme les protéines, etc. La dispersion est maintenue macroscopiquement homogène, grâce à l'agitation thermique du milieu, appelée mouvement brownien.

Il est possible de rendre l'action de l'agitation thermique négligeable devant les autres forces et de permettre aux particules de sédimenter. Il suffit pour cela d'accroître de manière considérable le champ de pesanteur en soumettant la solution à l'action d'un champ centrifuge de grande intensité, créé dans un appareil en rotation à grande vitesse.

Le flux de particules est alors la vitesse du transport de masse à travers une surface unitaire. Ce flux, noté J, est proportionnel à la concentration en particules C, à leur mobilité B et à la somme des forces appliquées Σk F_k. Il est donné par la formule :

L'inventaire des forces appliquées sur les particules Σ F_k permet de rendre compte de kleur comportement dans un champ de forces centrifuges. Différents types sont en présence :

– Des forces centrifuges F_c, qui créent la sédimentation. Elles dépendent de la vitesse angulaire de rotation ω et de la distance r à laquelle les particules de masse m se trouvent de l'axe de rotation :

– Des forces qui s'opposent à la sédimentation, par exemple : la poussée d'Archimède F_a qui dépend de la masse volumique du milieu de dispersion ρ₀ et de celle des particules ρ₁ :

– Des forces de diffusion F_d. Lorsque les particules sédimentent, leur concentration diminue à la surface pour s'accroître au fond de la cellule. Un gradient de concentration ∂c/∂r s'établit, et les substances ont tendance à migrer vers la surface pour égaliser les concentrations. D est le coefficient de diffusion :

– Des forces coulombiennes. Si les particules sont chargées électriquement, les particules[...]