Centrifugación
La centrifugación es una técnica que separa los componentes de una mezcla según su densidad al someterla a la aceleración de un rotor que gira a gran velocidad.
La centrifugación es una técnica de separación que hace girar una mezcla a gran velocidad para que sus componentes se distribuyan según su densidad: lo más denso es empujado hacia el exterior y lo más ligero queda cerca del eje. Se utiliza a diario en laboratorios clínicos, en la industria láctea y en la investigación biológica, y sustituye con ventaja a la sedimentación natural, que puede tardar horas o días.
¿Qué es la centrifugación?
El término procede del latín centrum (centro) y fugere (huir), «que huye del centro». Consiste en someter una muestra a una aceleración mucho mayor que la de la gravedad mediante un rotor que gira alrededor de un eje. Las partículas más densas que el medio que las rodea se desplazan hacia el fondo del tubo; las menos densas, hacia el centro.
Conviene precisar un detalle de física: la «fuerza centrífuga» no es una fuerza real en un sistema inercial. Es la fuerza aparente que se percibe desde el sistema que rota. Visto desde fuera, lo que ocurre es que la muestra tiende a seguir una línea recta por inercia y la pared del tubo la obliga a describir una circunferencia. El efecto práctico es el mismo: las partículas «caen» hacia el exterior.
Fórmulas y unidades
La aceleración centrípeta que experimenta una partícula a una distancia r del eje, con velocidad angular ω, es:
En centrifugación se expresa en múltiplos de la gravedad terrestre mediante la fuerza centrífuga relativa (RCF o «g»):
donde r es el radio en centímetros y n las revoluciones por minuto (rpm). Por eso dos centrífugas a las mismas rpm pueden dar valores de g muy distintos si sus rotores tienen distinto radio. En protocolos científicos se recomienda indicar siempre la RCF y no solo las rpm.
La rapidez con que sedimenta una partícula esférica pequeña se estima con la ley de Stokes:
Aquí d es el diámetro de la partícula, ρp su densidad, ρm la del medio y η la viscosidad. Cuanto mayor es el tamaño, la diferencia de densidades o la aceleración, más rápida es la separación.
| Magnitud | Símbolo | Unidad (SI) |
|---|---|---|
| Velocidad angular | ω | rad/s |
| Radio del rotor | r | m |
| Aceleración | a | m/s² |
| Frecuencia de giro | n | rpm (1 rpm = 2π/60 rad/s) |
| Viscosidad | η | Pa·s |
Tipos de centrifugación
- Centrifugación diferencial: se aplican velocidades crecientes por etapas. En cada una sedimentan las partículas más grandes y densas, y el líquido sobrenadante pasa a la etapa siguiente. Es el método clásico para aislar núcleos, mitocondrias o microsomas de una célula triturada.
- Centrifugación en gradiente de densidad: el tubo contiene un medio cuya densidad aumenta hacia el fondo (sacarosa, cloruro de cesio). Cada componente se detiene en la zona donde su densidad iguala la del medio. Meselson y Stahl la emplearon en 1958 para demostrar que la replicación del ADN es semiconservativa.
- Ultracentrifugación: usa rotores al vacío que alcanzan decenas de miles de rpm y aceleraciones de cientos de miles de g. Permite separar virus, ribosomas y macromoléculas. El sueco Theodor Svedberg, que la desarrolló, recibió el Nobel de Química en 1926.
- Centrifugación industrial: decantadoras, separadoras de discos y cestas que procesan grandes caudales de forma continua.
Partes de una centrífuga
Una centrífuga de laboratorio consta de un motor, un rotor (de ángulo fijo o de cubetas oscilantes), los tubos o portamuestras, una cámara refrigerada en muchos modelos y sistemas de seguridad que bloquean la tapa mientras gira. Los tubos deben colocarse siempre en posiciones opuestas y con la misma masa: un rotor desequilibrado a alta velocidad vibra con tanta energía que puede destruir el equipo.
Aplicaciones
- Medicina y análisis clínicos: separar el plasma o el suero de las células sanguíneas, medir el hematocrito u obtener plasma rico en plaquetas.
- Industria alimentaria: descremar la leche (el principio de la descremadora centrífuga de De Laval, de finales del siglo XIX), clarificar zumos y vinos, o extraer aceites.
- Biología molecular: aislar ADN, proteínas y orgánulos.
- Tratamiento de aguas y residuos: deshidratar lodos de depuradora.
- Uso doméstico: el centrifugado de la lavadora y la centrifugadora de ensalada expulsan el agua de forma mecánica; las gotas salen despedidas por los agujeros del tambor.
- Otros usos: el enriquecimiento de uranio emplea cascadas de centrifugadoras de gas, y los astronautas se entrenan en grandes centrifugadoras humanas que simulan aceleraciones elevadas.
Ejercicios resueltos
1. Una centrífuga con un radio de rotor de 10 cm gira a 4 000 rpm. Calcula la fuerza centrífuga relativa.
RCF = 1,118 × 10⁻⁵ · r · n² = 1,118 × 10⁻⁵ · 10 · 4 000² = 1,118 × 10⁻⁵ · 10 · 1,6 × 10⁷ ≈ 1 789 g.
2. Una muestra está a 8,0 cm del eje y el rotor da 3 000 rpm. ¿Qué aceleración soporta?
Primero ω = 3 000 · 2π / 60 ≈ 314,2 rad/s. Luego a = ω² · r = 314,2² · 0,080 ≈ 7,9 × 10³ m/s², es decir, unas 805 veces la gravedad (a / 9,81).
3. Si se duplican las rpm manteniendo el rotor, ¿cómo cambia la aceleración?
Como a = ω² · r, depende del cuadrado de la velocidad angular: al duplicar las rpm la aceleración se multiplica por 2² = 4.
¿Qué es la fuerza centrífuga?
Es una fuerza aparente que se percibe desde un sistema en rotación y que «empuja» los objetos hacia fuera. Desde un sistema inercial no existe: lo que hay es la tendencia del cuerpo a seguir en línea recta y la fuerza centrípeta que lo obliga a girar.
¿Para qué sirve la centrifugación?
Para separar los componentes de una mezcla heterogénea según su densidad y tamaño, de forma mucho más rápida que por decantación. Se emplea en análisis de sangre, en la industria láctea, en biología molecular y en el tratamiento de aguas.
¿Qué diferencia hay entre rpm y g?
Las rpm indican cuántas vueltas por minuto da el rotor; los g expresan la aceleración que sufre la muestra respecto a la gravedad. Los g dependen también del radio del rotor, por lo que son la medida que permite reproducir un protocolo en distintas centrífugas.
¿Por qué hay que equilibrar los tubos de una centrífuga?
Porque un reparto desigual de masa provoca vibraciones intensas a alta velocidad, que pueden dañar el rotor y el equipo e incluso causar accidentes.
¿Qué es una ultracentrífuga?
Una centrífuga que opera en vacío y a velocidades muy altas, con aceleraciones de cientos de miles de g, capaz de separar partículas minúsculas como virus, ribosomas o macromoléculas.
Referencias
- Tipler, P. A. y Mosca, G. Física para la ciencia y la tecnología. Reverté.
- Serway, R. A. y Jewett, J. W. Física para ciencias e ingeniería. Cengage Learning.
- Nelson, D. L. y Cox, M. M. Lehninger. Principios de bioquímica. Omega.
Conceptos relacionados: movimiento, fuerza, masa y frecuencia.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2024). «Centrifugación». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/centrifugacion/
