Centrifugação

A centrifugação é um processo de separação de misturas que se utiliza da força centrífuga, separando os componentes sólidos da mistura de acordo com sua densidade e/ou diâmetro dos particulados. A centrifugação ocorre por meio de um equipamento conhecido como centrífuga, que aplica e sustenta uma força centrífuga por meio de velocidades altíssimas, as quais superam os milhares de rotações por minuto.

A centrifugação, ao se utilizar da força centrífuga, substitui a força gravitacional no processo de sedimentação das partículas, permitindo uma separação mais rápida e eficiente. Essa técnica é muito aplicada em laboratórios e indústrias, com destaque para análises clínicas e indústria farmacêutica.

Leia também: Quais são os métodos de separação de misturas?

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre centrifugação
• 2 - O que é centrifugação?
• 3 - Processo de centrifugação
• 4 - Como funciona a centrifugação?
• 5 - Tipos de centrifugação
  • Centrifugação diferencial
  • Centrifugação por gradiente de densidade
  • Centrifugação analítica
  • Centrifugação contínua
  • Filtração centrífuga
• 6 - Centrifugação vs. decantação
• 7 - Para que serve a centrifugação?
• 8 - Exercícios resolvidos sobre centrifugação

Resumo sobre centrifugação

• A centrifugação é um processo de separação de misturas por ação da força centrífuga sobre as partículas de um meio líquido.
• As partículas sólidas são sedimentadas por ação da força centrífuga, que substitui a força gravitacional.
• A centrifugação ocorre por meio de um aparelho conhecido como centrífuga, que faz a amostra girar em velocidades de mais de milhares de rotações por minuto.
• A utilização da centrifugação permite uma sedimentação mais rápida e eficiente, superando as limitações impostas pela sedimentação por atuação da gravidade.
• A centrifugação é muito aplicada em laboratórios e indústrias, destacando-se no campo de análises clínicas, bioquímica e indústria farmacêutica.

O que é centrifugação?

A centrifugação é um processo mecânico de separação em que se utiliza uma força centrífuga aplicada (uma força em decorrência da rotação) para separar componentes de uma mistura, de acordo com sua densidade e/ou diâmetro da partícula.

Processo de centrifugação

A centrifugação ocorre por meio de um equipamento conhecido como centrífuga. Tal aparelho tem como objetivo aplicar e sustentar uma força centrífuga por meio de altas velocidades de rotação, substituindo a força gravitacional no processo de separação de partículas.

As centrífugas possuem um rotor (recipiente de rotação), em que são inseridos tubos de pequeno diâmetro contendo o meio a ser separado. Tais tubos são rotacionados em velocidades angulares que excedem as milhares de rotações por minuto. Ao fim, espera-se que as partículas mais densas se encontrem na base do tubo. A solução resultante é conhecida como sobrenadante, a qual pode ser facilmente extraída por um simples escoamento ou com auxílio de uma pipeta de Pasteur, sem haver perturbação do material sedimentado.

Como funciona a centrifugação?

A força gravitacional da Terra é suficiente para separar diversos tipos de partículas com o passar do tempo. Um tubo de sangue anticoagulado esquecido sobre uma superfície irá, eventualmente, separar-se em frações de plasma, glóbulos vermelhos e glóbulos brancos. Contudo, o tempo necessário para que isso seja alcançado faz com que tal forma de separação seja totalmente inadequada.

A taxa de separação de partículas em suspensão em um meio por ação da força gravitacional irá depender, basicamente, da densidade e do diâmetro das partículas. Assim, partículas mais densas ou de maior tamanho, de modo geral, sedimentam-se mais rapidamente e, em dado momento, irão se separar de partículas menores ou de menor densidade.

Contudo, além de avaliarmos a força gravitacional para a sedimentação da partícula, devemos nos atentar que, no mundo real, existem forças que podem ir contra a força gravitacional, que são o empuxo, relacionado à flutuabilidade, uma força direcionada para cima equivalente ao peso do fluido que fora movimentado, e a fricção, relacionada à viscosidade do meio, que afeta a movimentação da partícula. Tais forças, portanto, dificultam o processo de sedimentação por ação da gravidade.

Não só isso, observa-se que partículas cujo diâmetro é inferior a 5 μm acabam apresentando um movimento aleatório de difusão, conhecido como movimento browniano. Tal movimento, por ser uma difusão, ocorre das regiões mais concentradas para regiões menos concentradas do meio, dificultando o processo de sedimentação.

Nesse contexto, percebe-se que a força gravitacional pode ser, em diversas situações, insuficiente para uma boa separação das partículas suspensas na mistura. Assim, a centrifugação atua para sanar deficiências da sedimentação pela ação da gravidade, uma vez que se utiliza de uma força para acelerar a separação das substâncias presentes, interrompendo, de forma mais eficiente, as interações entre partículas e as interações entre as partículas e o meio, além de minimizar os efeitos da difusão.

A força centrífuga (F_c) pode ser descrita da seguinte forma:

Fc = ma = mw²x

Em que “m” é a massa da partícula, “a” é a aceleração, w é a velocidade angular e x é a distância radial a partir do eixo de rotação da partícula.

A força centrífuga relativa (FCR), ou seja, relacionada à força gravitacional, pode ser dada pela seguinte expressão:

FCR = Fc/Fg = mw²x/mg = w²x/g

Fazendo-se a conversão de w para rotações por minuto (rpm) e substituindo os valores de aceleração da gravidade, a FCR pode ser descrita da seguinte maneira:

FCR = 1,12 x 10-5 (rpm)²x

Como FCR é uma razão e, assim sendo, adimensional, é interpretada como sendo a quantidade de vezes que a força centrífuga aplicada é maior que a força gravitacional. Uma simples interpretação dessa fórmula nos faz perceber que:

1. A força centrífuga é proporcional ao diâmetro da centrífuga.
2. A força centrífuga é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação.

Além disso, percebe-se ainda que a velocidade de centrifugação atua inversamente à viscosidade do meio, além de ser proporcional ao quadrado do diâmetro da partícula a ser separada.

Leia também: Cromatografia — técnica de separação baseada na retenção seletiva dos componentes da mistura

Tipos de centrifugação

Dentre os principais tipos de centrifugação, podemos destacar a centrifugação diferencial e a centrifugação por gradiente de densidade. Há ainda outros tipos de centrifugação, mais específicas, que são a centrifugação analítica, a centrifugação contínua e a filtração centrífuga.

• Centrifugação diferencial

É a forma mais simples de centrifugação. Nesse método, partículas de diferentes densidades e tamanhos irão se sedimentar em velocidades distintas, com as partículas maiores e mais densas se sedimentando mais rapidamente. A velocidade da sedimentação irá depender da força centrífuga.

A obtenção de separações com elevado índice de pureza é mais difícil com a centrifugação diferencial, sendo necessário haver uma boa diferença na densidade das partículas. Por conta disso, é muito aplicada em separações mais rápidas, cujo intuito é de clarificar ou enriquecer o material para análises subsequentes.

Uma aplicação conhecida é na separação de componentes de uma célula, no chamado fracionamento celular.

A partir de um homogenato celular, que contém núcleos, citoesqueletos, mitocôndrias, citoplastos, lisossomos, peroxissomos, vesículas membranosas, etc., podemos fazer o fracionamento dos componentes celulares em ordem decrescente de densidade por meio de centrifugações em diferentes velocidades, conforme imagem a seguir.

• Centrifugação por gradiente de densidade

Também se baseia nos princípios da sedimentação diferencial, mas supera algumas desvantagens do meio homogêneo, além de permitir a separação simultânea de misturas multicomponentes. A ideia aqui é preencher o tubo que irá para a centrífuga com um líquido que apresenta um gradiente de densidade, ou seja, um líquido cuja densidade vai aumentando gradativamente do topo do tubo ao final dele.

A amostra a ser separada é colocada no líquido com gradiente de densidade, podendo ser de duas formas distintas: no topo, na chamada centrifugação zonal, ou dispersa no meio, na chamada centrifugação isopícnica. Após o início da centrifugação, as partículas da mistura vão se sedimentando com velocidades diferentes, a depender de sua massa e diâmetro (zonal) ou densidade (isopícnica), ficando em zonas diferentes do tubo de separação.

Contudo, diferentemente da centrifugação diferencial, o procedimento aqui deve ser finalizado antes que as partículas atinjam o fundo do tubo, a fim de evitar que todos os componentes simplesmente sofram sedimentação por completo. As imagens a seguir ilustram os processos de centrifugação por gradiente de densidade.

Na centrifugação zonal (imagem acima), a amostra é aplicada no topo de uma solução de sacarose, a qual possui um gradiente de densidade. As partículas se movem, por ação da força centrífuga, a diferentes velocidades a depender da massa ou diâmetro.

Na centrifugação isopícnica, a amostra é misturada ao gradiente de densidade. Sob força centrífuga, as partículas se movem até chegar à região de mesma densidade da solução gradiente.

• Centrifugação analítica

É o único tipo de centrifugação onde o objetivo principal não é realizar uma purificação. Nesse método, busca-se monitorar o comportamento da sedimentação da partícula. Assim, pode-se determinar propriedades da partícula, como massa molecular, coeficientes de difusão e sedimentação, flutuabilidade, densidade, entre outros.

• Centrifugação contínua

Apresenta a mesma ideia das centrifugações anteriormente descritas que se baseiam nas diferenças de densidade e diâmetro. Contudo, pensa-se em um processo contínuo e não em batelada e, assim, a mistura a ser separada é continuamente inserida em um rotor, enquanto o sobrenadante permanece presente continuamente. O material sedimentado pode ser, também, retirado continuamente, sem necessidade de se interromper o processo.

• Filtração centrífuga

É um processo similar à centrifugação convencional, em que a separação dos sólidos de um líquido é feita por uma membrana porosa via diferencial de pressão. Nesse caso, o diferencial de pressão existente no líquido é alcançado por consequência da força centrífuga exercida. Assim, os sólidos presentes podem ficar retidos em barreiras porosas devidamente posicionadas.

Centrifugação vs. decantação

Os processos de centrifugação e decantação apresentam o mesmo princípio: separação via sedimentação das partículas presentes, a depender de sua densidade e diâmetro. Contudo, a decantação faz uso exclusivo da força gravitacional e, por conta disso, apresenta limitações na separação, já que sólidos de pequeno diâmetro podem não se sedimentar em tempo hábil, muito pelo fato de estarem propensos aos efeitos de difusão, empuxo e viscosidade do meio. Mesmo assim, a decantação se destaca por ser uma técnica extremamente barata, uma vez que não faz uso de qualquer meio de energia externa para seu funcionamento: basta usar a força gravitacional.

A centrifugação, por sua vez, supera as desvantagens da decantação no processo de sedimentação, permitindo uma separação mais rápida, além de conseguir separar partículas de menor diâmetro, ao utilizar a força centrífuga para substituir a força gravitacional. Porém, ao se necessitar de equipamentos e energia, torna-se uma técnica mais cara se comparada à decantação convencional.

Para que serve a centrifugação?

A centrifugação é uma técnica de separação que já é aplicada em diversos ramos industriais, como petroquímico, siderúrgico e mineral, químico, medicinal, farmacêutico, agricultura, alimentos, entre outros. Na indústria farmacêutica, por exemplo, a centrifugação é aplicada na produção de fármacos, onde o produto cristalizado é separado do meio via centrifugação, como é o caso da insulina.

A produção de produtos biológicos, tais como produtos proteináceos e macromoléculas, necessita de etapas de separação em que a centrifugação é utilizada, uma vez que tais compostos formam dispersões coloidais, as quais não são possíveis de separação por filtração.

Para análises laboratoriais, os componentes do sangue são separados via centrifugação, assim como enzimas de bactérias são separadas de meios de cultura também por centrifugação.

Em termos acadêmicos, a determinação da massa molecular de macromoléculas, tais como proteínas, é realizada com auxílio da centrifugação, na qual as moléculas são separadas de acordo com sua massa.

Por fim, também se percebe a utilização de centrífugas em nosso cotidiano: na secagem de roupas. As máquinas de lavar possuem um programa de centrifugação, que consiste em girar rapidamente as roupas presentes no cesto. A água então se separa da roupa e acaba passando pelos pequenos furos presentes no cesto, fazendo com que o processo de secagem completa, nos varais e cordas, seja bem mais rápido.

Exercícios resolvidos sobre centrifugação

Questão 1

(Unifan Medicina/2020.2) Durante a pandemia do coronavírus o método padrão ouro para diagnóstico de SARS-CoV-2 é o de RT-PCR, técnica que visa detectar anticorpos encontrados no sangue e em outros tecidos de pessoas contaminadas. Os principais tipos de amostras para realização do exame são soro, plasma, sangue total e swab nasal.

A etapa inicial do teste consiste na centrifugação, um método semelhante a:

1. decantação.
2. destilação.
3. floculação.
4. evaporação.
5. filtração.

Resposta: Letra A.

A centrifugação e a decantação procuram a sedimentação das partículas por meio das diferenças de densidade e/ou diâmetro das partículas. A diferença é que a decantação se utiliza apenas da força gravitacional, enquanto a centrífuga se utiliza da força centrífuga.

Questão 2

(UFSCAR 2015) A figura representa o processo de obtenção de leite de castanha-do-brasil, um subproduto da castanha, utilizado na alimentação infantil e em pratos regionais.

Um técnico precisa substituir a centrifugação na etapa final de obtenção do leite.

Para realizar a separação final, ele deve utilizar a

1. diluição.
2. filtração.
3. destilação.
4. evaporação.
5. condensação.

Resposta: Letra B.

Tanto a centrifugação quanto a filtração servem para separar sólidos de um meio líquido. No caso, utilizou-se a centrifugação para separar o leite da farinha, contudo tal processo também poderia ser feito com um filtro, que retém as partículas sólidas por meio de uma membrana porosa, permitindo a passagem seletiva do líquido.

Fontes

FELTRE, R. Química. V. 1, 6ª ed. Moderna: São Paulo, 2004.

ATKINS, P.; JONES, L.; LAVERMAN, L. Príncípios de Química: Questionando a vida e o meio ambiente. 7. ed. Porto Alegre: Bookman, 2018.

DO CANTO, E. L.; LEITE, L. L. C.; CANTO, L. C. Química – na abordagem do cotidiano. 1. ed. São Paulo: Moderna, 2021.

TAULBEE, D. N.; MAROTO-VALER, M. M. Centrifugation. In: Encyclopedia of Separation Science. Lv. 1. p. 17-40. Cambridge, Massachusetts, EUA: Academic Press, 2000.

MAJEKODUNMI, S. O. A Review on Centrifugation in the Pharmaceutical Industry. American Journal of Biomedical Engineering. 5(2), p. 67-78, 2015.