CENTRIFUGACIÓNLa centrifugación se puede definir como una operación básica con la que se lleva a cabo la separación de las sustancias empleando la fuerza centrifuga. Existen cuatro aplicaciones principales para la centrifugación, separación de líquidos inamisibles, clarificación centrifuga, separación de lodos y filtración centrifuga. (Brennan, 1998) PRINCIPIO Los separadores centrífugos se basan en el principio común de que la rotación de un objeto en torno a un eje o punto central a una distancia radial constante desde dicho punto produce una fuerza que actúa sobre el objeto. El objeto que gira en torno al eje cambia de dirección constantemente con lo cual se produce una aceleración aun cuando la velocidad de rotación sea constante. Esta fuerza centrípeta está dirigida hacia el centro de rotación. Si el objeto se hace girar en un recipiente cilíndrico, el contenido de fluidos y sólidos desarrolla una fuerza igual y opuesta llamada fuerza centrifuga, hacia las paredes del recipiente. La fuerza giratoria vertical y la fuerza centrifuga horizontal actúan sobre el líquido y los sólidos. La fuerza centrifuga suele ser tan grande que es posible despreciar la fuerza de gravedad entonces la capa liquida asume una posición de equilibrio en su superficie casi vertical en la cual las partículas se precipitan horizontalmente hacia afuera presionándose sobre la pared vertical del tazón. (Perry, 1995) CLASIFICACIÓN DE EQUIPOS. Las centrifugas se clasifican en 3 grupos. 1. Para la separación de líquidos no miscibles. 2. Para la clarificación de líquidos y la eliminación de sólidos a bajas concentraciones (centrifugas clarificadoras). 3. Para la eliminación de sólidos (limpieza, eliminación de agua)(Fellows, 2009) SEPARADORES CENTRÍFUGOS LÍQUIDO – LÍQUIDO. La fuerza propia desarrollada en la pared de la cámara es proporcional al cuadrado del radio de la cámara. Este último factor determina corrientemente el límite superior de velocidad de la cámara. Las separadoras centrifugas se suministran en dos clases generales, máquinas de gran velocidad y diámetro pequeño y máquinas de pequeña velocidad y gran diámetro. La fuerza centrífuga desarrollada en la primera clase es en general mayor que la de los aparatos grandes. (Brennan 1998) Este tipo de centrifuga está compuesta por una cámara cilíndrica, estrecha y larga girando a gran velocidad en una montura exterior estacionaria. La cámara está suspendida normalmente de un soporte proporcionado por la base. Las dos fases se extraen de las capas anulares formadas por medio de un sistema de rebosadero circular y se descargan en una cubierta estacionaria. El control del radio de la zona neutra se consigue poniendo anillos de diferentes diámetros internos a la salida de la fase densa. Estos anillos se conocen como anillos de gravedad. Los modelos más pequeños giran a velocidades de 50000 rpm. Centrifuga de cámara tubular. Centrifuga de cámara y disco. En este tipo de centrifuga, una cámara cilíndrica, ancha y relativamente plana gira a velocidad moderada en una montura estacionaria. La cámara es en general accionada desde el fondo de la cámara a través de un tubo situado centralmente desde arriba. Los discos tienen uno o más juegos de agujeros coincidentes que forman canales por donde fluye el producto alimentado. Bajo la acción de la fuerza centrífuga la fase densa se desplaza hacia la pared de la cámara y circula hacia abajo por la parte inferior de los discos, mientras que la fase ligera se desplaza hacia el centro y fluye sobre las caras de los discos, de esta manera los líquidos son separados en capas delgadas y la distancia que cualquier gota de un liquido ha de desplazarse para se atrapada y extraída en la corriente de salida apropiada es muy pequeña. La eficiencia de separación de una centrifuga de cámara y disco es mucho mejor que la de una centrifuga de cámara de las mismas dimensiones pero sin discos girando a velocidad semejante. Los líquidos separados se extraen por medio de un sistema de vertedero y aquí también se pueden utilizar discos de gravedad diferentes en la salida de la fase densa para controlar la posición de la zona neutra. Los diámetros de la cámara varían desde 20cm a 102cm y la separación entre los discos es del orden de 0.05 – 1.3mm. una cámara típica de 30.48cm de diámetro girando a 6400 rpm desarrolla una fuerza equivalente a 7000 veces la de la gravedad. En la figura 1 se muestra el diagrama de flujo de funcionamiento de la centrifuga de discos. (Brennan, 1998) Fig. 1 Diagrama de flujo de una centrifuga de discos CLARIFICADORAS CENTRIFUGAS. Esta es una operación discontinua y cuando los sólidos aumentan en la pared de la cámara producen la contaminación del líquido que se aleja y es necesario detener la operación, desmontar la cámara y limpiarla. A medida que crece la cantidad de sólidos en el líquido de alimentación también lo hace la frecuencia con que hay que limpiar y el coste de la operación. (Brennan, 2008) Clarificadoras de cámara sólida. Cuando se precisa clarificar grandes volúmenes de líquido conteniendo pequeñas cantidades de sólidos (1-2%) con buenas características de sedimentación, se pueden utilizar cámaras cilíndricas sencillas de gran diámetro (60-180cm) sin discos. Operan discontinuamente. Centrifuga de cámara cilíndrica (multicámara). La cámara está dividida en cierto número de zonas y el líquido sigue un circuito tortuoso hasta la pared de la cámara y la portezuela de salida. Las partículas más groseras se extraen en la cámara interior ya las más finas en el exterior. Es adecuada para manejar fluidos con el 1% o menos de sólidos. Centrífuga de descarga por boquilla. Numerosas perforaciones de 3 – 4mm de diámetro están esparcidas alrededor de la cámara en su diámetro más largo. Los sólidos separados del líquido se descargan continuamente en forma de papilla en la cámara estacionaria que sirve de montura del aparato. Se pueden manejar fluidos con hasta un 25% de sólidos. CENTRIFUGAS DESLODADORAS, DECANTADORAS Y ELIMINADORAS DE AGUA. Centrífuga de cámara de tornillo La cámara de sólidos y el trasportador helicoidal (tornillo sin fin) giran en la misma dirección, los sólidos son llevados hacia un extremo de la cámara por el tornillo y descargadas mientras que los líquidos salen por el otro extremo a través de portezuelas ajustables, maneja fluidos con hasta 50% de sólidos y produce sólidos muy secos. Centrífugas de filtración Se utiliza para la eliminación de papillas que se prestan a la filtración, suspensiones de sólidos de partículas relativamente grandes o productos cristalinos que forman tortas porosas adecuadas. APLICACIONES Productos lácteos. Se utiliza en la separación de la leche para producir nata y/o leche desnatada. Con este fin se utilizan normalmente las centrífugas de cámara y disco. Normalmente se calienta la leche entre 40 y 50°C antes de la separación, para reducir la viscosidad y optimizar la diferencia de densidades entre las fases grasa y acuosa. El proceso continuo, la presencia de sólidos insolubles en la leche forman un lodo en la cámara de la centrifuga. Refinado de aceites comestibles. En las etapas iniciales del refinado del aceite, el aceite crudo se trata con agua, ácido diluido o base para eliminar fosfátidos y material mucilaginoso. En el caso del desengomado ácido, el aceite desengomado se puede lavar con agua caliente y eliminar el agua de lavado por centrifugación. El siguiente paso en el refinado de aceite es la neutralización. Se trata a los ácidos grasos libres, fosfátidos y algunos de los pigmentos con sosa caústica para formar jabón que se separa a continuación del aceite por centrifugación, utilizando centrifugas de boquilla o apretura automática. Producción de cerveza. Se pueden utilizar centrifugas de boquilla para clarificar la cerveza turbia proveniente de los tanques de fermentación y los tanques de trasvase. Para la clarificación de la cerveza y del lúpulo se usan centrifugas de apertura automática. También se pueden utilizar como alternativa a las máquinas de apertura automática para recuperar cerveza de fermentadores y fondos de tanques. Elaboración de vino. Se utilizan centrifugas de apertura automática. Las aplicaciones incluyen la clarificación del mosto tras el prensado, siempre que el contenido de sólidos sea relativamente bajo, la clarificación de los nuevos vinos tras la fermentación y antes de la filtración, la clarificación de vinos tintos antes del llenado de los barriles y facilitar la precipitación de tartratos. Procesado de zumos de fruta. Se utilizan centrifugas de apertura automática para eliminar la pulpa y controlar el nivel de pulpa que queda en lo zumos de cítricos y piña. El zumo de manzana centrifugado es turbio pero libre de partículas visibles. Hay otras múltiples aplicaciones de la centrifugación en el procesado de alimentos, como máquinas de cámara tubular para clarificar sidra y jarabes de azúcar, máquinas de boquilla y apertura automática para eliminar agua de almidones y centrifugas decantadoras para la extracción de grasas animales y vegetales, separación de grasa de carne en polvo y separación de papillas de café y té. (Brennan, 2008) FUERZAS INVOLUCRADAS Si el objeto que se hace girar es un recipiente cilíndrico, el contenido de fluidos y sólidos desarrolla una fuerza igual y opuesta, llamada fuerza centrifuga, hacia las paredes del recipiente. Esta causa la sedimentación o precipitación de las partículas a través de un lecho o torta de filtrado en el interior de una cámara de rotación perforada. En un recipiente cilíndrico o tazón giratorio y 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 tazón. La fuerza centrifuga suele ser tan grande, que es posible despreciar la fuerza de gravedad. Entonces la capa líquida asume una posición de equilibrio con su superficie casi vertical. Las partículas se precipitan horizontalmente hacia afuera, presionándose sobre la pared vertical del tazón. El fluido más denso ocupará la periferia, pues la fuerza centrifuga es mayor sobre él. En la figura 2 se muestra la entrada de la suspensión de alimentación inicial, la precipitación de los sólidos suspendidos y la separación de las fracciones líquidas. (Geankoplis 2006) Fig. 2 Separación por centrifugación Cabe destacar que también están involucradas las siguientes fuerzas: Fuerza Centrípeta: Fuerza que actúa sobre una partícula que gira en torno en un eje y dirigida hacia el centro de rotación. Fuerza de Gravedad: Fuerza de atracción vertical que generalmente es despreciable ya que es muy pequeña en comparación con la fuerza centrifuga (1000 veces mayor). Velocidad Tangencial: La centrifuga maneja velocidades angular W y puesto que la velocidad tangencial es v entonces W= v/r (Mc Cabe, 1993) DENSIDAD Y TAMAÑOS DE PARTÍCULA. Lo que define la separación de 2 partículas diferentes es su diferencia de tamaño y densidad. Si se alimenta un líquido que contiene partículas de un sólido insoluble por la parte inferior de una cámara cilíndrica que gira según su eje vertical, bajo la influencia de la fuerza centrífuga las partículas sólidas se moverán hacia la pared de la cámara. Si una partícula sólida alcanza la pared de la cámara antes de salir con el líquido, por la parte central en la parte superficial de la cámara, permanecerá esta y por lo tanto se separará el líquido. Si no se alcanza la pared de la cámara, saldrá con el líquido. En si se tiene un diámetro crítico o punto de corte, el cual determinará que partícula permanecerán en el líquido. La fracción que sale con el líquido depende del caudal de alimentación, es decir, del tiempo de residencia en la cámara. En cuanto a la densidad en la zona exterior del líquido ligero se separa definitivamente de una masa del líquido denso, mientras que en la zona interior el líquido denso se separa de manera más efectiva que el líquido ligero. Para obtener la mejor separación, la diferencia de densidades entre los líquidos debe de ser menor al 3%.(Brennan, 1998) ECUACIONES RELACIONADAS Aceleración centrifuga (ac): La aceleración de la fuerza centrífuga en un movimiento circular es: Donde: ac = aceleración causada por la fuerza centrifuga (m/s) r = distancia radial al centro de rotación (m) w = velocidad angular (rad/s) Velocidad angular (w) Donde: V = velocidad tangencial (m/s) r = radio (m) N = revoluciones por minuto (rpm) y 2π corresponde a la circunferencia dado en radianes mientras que el 60 nos convierte el valor a segundos. Fuerza centrifuga (Fc): fuerza que actúa sobre la partícula, está dada por: Donde: V = velocidad tangencial (m/s) W = velocidad angular (rad/ s) R = radio (m) BIBLIOGRAFÍA Brennan, James G. “Manual de Procesado de Alimentos”. Editorial Acribia. España. 2008. pp. 447-455 Brennan, J.G. ”Las operaciones de la Ingeniería de los Alimentos”. 3ª Edición. Acriba. España. 1998. pp 154-168. Fellows, Peter. “Food processing technology: Principles and practice”. Cambridge England Woodhead. 1996. pp 166-170. Fellows, Peter. “Tecnología del procesado de los alimentos”. 2a Edición. Editorial Acribia. España. 2009. Foust, A.S. “Principios de Operaciones Unitarias”. 2ª Edición. Compañía Editorial Continental. México. 1989. Geankoplis, C. J. “Procesos de transporte y operaciones Unitarias” 3ª Edición. Compañía Continental. México. 2006. Heldman, D.R. Singh, R.P. “Food Process Engineering”. 2ª Edition. Avi. USA. 1981. Mc. Cabe, W. L. Simith, J.C. Harriott, P. “Unit Operations of Chemical Engineering”. 5ª Edition. McGraw Hill. USA. 1993 Perry, J.H. Chilton, C.H. Kirkpatrick, S.D. “Manual del Ingeniero Químico”. Tomo V. 6ª Edición. McGraw Hill. USA. 1995.pp. 19-99,100,101,105.