CENTRIFUGATION

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 U⁶ 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 k F^k . Il est donné par la formule:

L’inventaire des forces appliquées sur les particules F^k permet de rendre compte de k leur 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 諸 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 福⁰ et de celle des particules 福¹:

– 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 煉c / 煉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 de charge positive migrent différemment de celles de charge négative; ainsi se crée un champ électrique. Ces forces peuvent être rendues négligeables par addition d’un électrolyte.

Le flux résultant est donc égal à:

Cette équation générale peut être résolue en tenant compte des conditions expérimentales particulières. Si le système est maintenu très longtemps en rotation à vitesse constante, il arrive un instant où le flux résultant est nul. On est alors à l’équilibre de sédimentation. Au-delà de cet instant, quel que soit le temps de rotation, la répartition des particules à l’intérieur de la cellule n’est plus modifiée. Connaissant la concentration C des particules à plusieurs distances de l’axe de rotation r , on peut déterminer la masse molaire M des particules par:

où T est la température de la dispersion et R la constante des gaz parfaits.

Si l’expérience est réalisée à grande vitesse, la diffusion est négligeable devant les autres forces. Les particules sédimentent alors librement, appauvrissant la dispersion en surface pour créer une zone de solvant pur sans particule. La frontière entre la zone de solvant pur et la dispersion est appelée front de sédimentation. Elle se déplace vers le fond, d’autant plus vite que la masse des particules est grande, que leur masse volumique est supérieure à celle du solvant et que le champ de forces centrifuges est à grande vitesse de rotation. On définit un coefficient de sédimentation S, caractéristique du couple particule-solvant à une température donnée. Il est égal à la vitesse de déplacement du front de sédimentation ramenée à un champ unitaire:

On utilise souvent le svedberg S, du nom de l’inventeur de la première centrifugeuse, comme unité de coefficient de sédimentation (1 svedberg = 10^-13 seconde).

Le coefficient de sédimentation est relié à la masse molaire des particules par la relation suivante, tirée de l’équation de flux (1) et appelée relation de Svedberg:

Si le terme (1 漣 ( 福⁰/ 福¹)) est nul, les particules ne peuvent pas migrer dans la cellule, car les forces de sédimentation sont équilibrées par la poussée d’Archimède. Si la cellule est remplie d’un solvant de telle façon qu’un gradient de densité encadrant la densité des particules s’établisse entre le ménisque et le fond de la cellule, les particules se localisent en une fine couche d’où elles ne bougent plus. On réalise facilement des gradients de densité à partir de solutions concentrées de saccharose ou de sels de césium.

Les ultracentrifugeuses

Les appareillages dont la vitesse de rotation maximale dépasse 15 000 tours par minute sont généralement appelés ultracentrifugeuses . Pour obtenir des résultats fiables, la vitesse de rotation et la température de la cellule doivent être maintenues rigoureusement constantes durant les expériences. À cet effet, les rotors tournent dans une enceinte où l’on entretient un vide poussé, la température étant régulée à l’aide de thermistances placées dans le rotor. Les centrifugeuses peuvent atteindre des vitesses de rotation voisines de 100 000 tours par minute.

En laboratoire, la centrifugation est utilisée à des fins analytiques ou pour des préparations. L’ultracentrifugation analytique, longtemps employée par les biologistes, est presque abandonnée actuellement par ceux-ci en raison de son coût. Seuls quelques laboratoires de biologie et les laboratoires spécialisés dans la chimie colloïdale l’utilisent. Les dispersions sont contenues dans des cellules ayant la forme d’un prisme dont la base est un secteur circulaire et dont les parois sont transparentes. Ce dispositif permet la traversée d’un faisceau lumineux qui offre la possibilité de suivre la migration des particules au cours de l’expérience.

Deux appareillages optiques sont utilisés: l’optique schlieren et l’optique à absorption.

Par l’intermédiaire de l’optique schlieren, on enregistre, sur une plaque photographique, la dérivée de l’indice de réfraction de la dispersion contenue dans la cellule dn /dr , en fonction de la distance à l’axe de rotation r , ce qui revient à mesurer d C/dr , dérivée de la concentration en fonction de r . Le front de sédimentation se traduit alors par un pic dont la vitesse de déplacement permet de mesurer le coefficient de sédimentation. Si la dispersion contient plusieurs types de particules différentes, celles-ci peuvent être mises en évidence par plusieurs pics sur le cliché. On a donc un excellent moyen de tester l’homogénéité moléculaire d’une dispersion (fig. 1).

L’optique à absorption permet d’enregistrer, sur un spectrophotomètre rapide, l’absorption de la dispersion dans la cellule, en fonction de la distance de l’axe de rotation. Cette courbe est assimilable à celle qui donne le profil de concentration dans la cellule: c’est l’intégrale de la courbe obtenue avec l’optique schlieren (fig. 1). Le front de sédimentation apparaît comme une variation brusque de concentration.

Au moyen de l’ultracentrifugation analytique (fig. 2), on caractérise les espèces dispersées et, avec l’ultracentrifugation préparative, on les isole. Les rotors ont des capacités qui peuvent atteindre 2 litres, répartis en un nombre plus ou moins grand de tubes. Par contre, ceux qui peuvent supporter de très grands champs de pesanteur ont de plus faibles capacités. Plusieurs types sont utilisés: des rotors à godets mobiles (fig. 3 a) où le tube s’oriente en cours de rotation pour que l’axe reste colinéaire avec le champ; des rotors à angle fixe (fig. 3 b); des rotors zonaux qui permettent des fractionnements en continu. Le temps de centrifugation, nécessaire pour déposer au fond du tube sous forme d’un culot des particules de masse donnée et caractérisées par leur coefficient de sédimentation, peut se déterminer à partir de la relation (3). Les centrifugations en gradient de densité préparative permettent de recueillir de fines couches ne contenant qu’une espèce de particules.

L’ultracentrifugation préparative est très utilisée dans le domaine de la biologie: purification de virus, séparation de protéines, analyses médicales. Elle est aussi employée dans tous les laboratoires ou industries où un fractionnement non destructif, fondé sur la différence de masse ou de densité de particules, est nécessaire.

centrifugation [ sɑ̃trifygasjɔ̃ ] n. f.

• 1897; de centrifuger

♦ Techn. Séparation de substances de masse ou de densité différente au moyen de la force centrifuge, par rotation rapide. Écrémer, essorer par centrifugation. La purification d'un virus par centrifugation.

● centrifugation nom féminin Opération de séparation mécanique, par action de la force centrifuge, des constituants d'un mélange entraîné dans un mouvement de rotation. Procédé de coulée mettant en œuvre la pression développée par la force centrifuge, utilisé en fonderie pour obtenir des pièces de révolution (tubes et tuyaux de fonte) ou des moulages de forme quelconque.

centrifugation

n. f. TECH Séparation, sous l'action de la force centrifuge, de particules inégalement denses en suspension dans un liquide, un mélange. Séparer la crème du lait par centrifugation.

centrifugation [sɑ̃tʀifygɑsjɔ̃] n. f.

ÉTYM. 1897; de centrifuger.

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♦ Techn. Séparation de substances de densité différente au moyen de la force centrifuge, par rotation rapide. || Écrémer, essorer, décanter, filtrer par centrifugation. || Séparation de gaz par centrifugation.

➪ tableau Vocabulaire de la chimie.

Encyclopédie Universelle. 2012.