Centrifugação: Operação Unitária para Separação de Frações

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Disciplina – Física Aplicada 
 
Prof. Luiz Carlos M. Neves 1 
 
Assunto: Centrifugação 
 
1. Introdução. 
 
A centrifugação é uma operação unitária amplamente utilizada nas áreas industriais e 
em bioquímica, biotecnologia, biologia celular, molecular, com a principal finalidade de 
separação de frações ou a concentração das moléculas de interesse. Pode ser realizada com o 
objetivo de separar sólidos de líquidos ou mesmo uma mistura de líquidos. 
Uma partícula em movimento linear continuará em velocidade constante e uniforme se 
não for influenciada por forças externas. Quando uma partícula é submetida a uma força 
centrífuga (g) para isolar partículas suspensas em seu meio, seja da forma em lotes ou fluxo 
contínuo, esta sedimentação é forçada. As aplicações de centrifugação são muitas e incluem 
testes de análises clínicas, testes bioquímicos, a sedimentação de células e vírus, a separação de 
massa celular, isolamento de DNA, RNA, proteínas ou lipídios ou até mesmo para secar a 
roupa ou a salada em casa (Figura 1). 
 
 
Figura 1. Centrífugas para salada, de bancada para laboratórios e industrial. 
 
2. Aumento no efeito da gravidade: a centrífuga. 
Se uma suspensão for deixada em repouso, as partículas dispersas irão se assentar por 
meio do fenômeno de decantação ou sedimentação, por ação da gravidade (g = 9,8 cm/s
2
). 
Primeiro serão sedimentadas as partículas maiores e depois as menores em valores de tempo 
variáveis, o que dificulta determinar o término da operação. Através da centrifugação este 
tempo é acelerado, pois pequenas partículas podem ser separadas com a aplicação da força 
centrífuga. Se compararmos com a filtração, a centrifugação é mais cara, porém a principal 
desvantagem da filtração é a possibilidade rápida de entupimento dos filtros, dependendo do 
tipo de material utilizado. 
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Quando uma suspensão de partículas é centrifugada a sedimentação das partículas é 
proporcional à força aplicada. As propriedades da solução também irão interferir na taxa de 
sedimentação. 
 
Figura 2. Esquema de sedimentação e centrifugação de partículas. 
 
3. O que é a força centrífuga? 
 
Qualquer corpo ou partícula que apresente um movimento circular uniforme está 
submetido a uma força centrífuga, que tem como referência, o centro da trajetória circular que 
a partícula descreve, e pode ser representada pela relação: 
 
Fc = m* 
2
 * R, 
onde: 
m = massa do corpo; 
ω = velocidade angular do movimento de rotação e, 
r = raio de rotação 
 Quanto maior for o número de rotações por segundo, maior será a força centrífuga aplicada 
na partícula e, quanto maior o raio da circunferência, maior a força centrífuga. A força centrífuga 
relativa (FCR) pode ser calculada por: 
 
FCR = 1,118. 10
-5 * R * N2 
Onde: 
R = raio de centrifugação, em m ou cm, 
N = velocidade de centrifugação em rotações por minuto (rpm). 
Quando uma suspensão é submetida a uma velocidade ou a um número de revoluções 
por minuto (RPM), a força centrífuga faz com que as partículas se afastem radialmente do eixo 
Sedimentação 
Sedimentação 
t 
Centrifugação 
Sedimentação 
t 1 
t >>> t1 
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da rotação. A força aplicada nas partículas é chamada de Força Centrífuga Relativa (RCF). Por 
exemplo, um RCF de 500g indica que a força centrífuga aplicada é 500 vezes maior que a força 
gravitacional da Terra. 
Quando se pretende separar componentes biológicos ou realizar a purificação de 
proteínas de interesse industrial, a operação unitária de centrifugação é bastante utilizada, 
podendo ser combinada com outras técnicas, dependendo da necessidade do produto. A 
centrifugação separa partículas por diferencial de tamanho ou densidade, enquanto que a 
eletroforese separa as partículas baseadas na carga elétrica; a cromatografia por solubilidade, 
dimensão, carga elétrica e a partição pela solubilidade do produto de interesse. 
 
4. Tipos de rotores para centrífugas 
 
Os rotores de centrífugas podem ser classificados como rotores móveis (1), de ângulo 
fixo (2) e vertical (3), sendo que cada tipo tem potências e limitações de acordo com o tipo de 
separação (Figura 3). 
 
Figura 3. Tipos de rotores para centrífugas. 
 
Os rotores verticais são adequados para separações isopícnicas (de densidade), como 
por exemplo para isolamento de DNA, RNA e lipoproteínas. Utilizam-se tubos graduados e é 
bastante utilizado para a determinação de volume de sedimentos. A principal desvantagem 
deste tipo de rotor é a ocorrência de sedimentação incompleta, pois a partícula tem que 
atravessar toda a “coluna” de líquido para chegar ao fundo do tubo. Para corrigir eventuais 
erros, utiliza-se uma rotação maior. 
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Em rotores de ângulo fixo, os tubos são posicionados em um ângulo definido. Ao 
iniciar a operação, o material se reorienta no interior do tubo, conforme a força centrífuga que é 
aplicada. Mais eficiente do que a centrifugação vertical, pois o caminho percorrido pela 
partícula é menor, é bastante utilizada em laboratórios de biotecnologia para separação de 
bactérias e leveduras. Este tipo de centrifugação em geral utiliza menor tempo e é eficiente 
para a separação de sólidos floculentos ou finamente divididos. Como principal desvantagem 
em relação à centrifugação vertical é não conseguir realizar a análise de volume de sedimento. 
Os tubos de amostra quando inseridos em rotores móveis (1) são mantidos na vertical 
enquanto o equipamento está em repouso. Ao girar, se posiciona horizontalmente, dependendo 
da rotação que é aplicada. 
 
Fatores para seleção de material de tubos para centrífuga: em escala laboratorial, os 
tubos devem ser transparentes, resistentes a solventes químicos e com boa vedação, 
compatibilidade química e boa recuperação da amostra. 
Todo material fluido tende a expansão, gerando uma pressão sobre os tubos. Esta força 
(P) será somada à força centrífuga e, a somatória pode romper tubos. Atualmente, máquinas 
modernas possuem sistemas de proteção. 
 
4. Tipos de Centrífuga. 
 
(a) Centrífuga tubular. Esta centrífuga opera 
geralmente na vertical, com o rotor tubular provendo um 
longo caminho para a separação da mistura. Trabalha com a 
força centrífuga variando de 13.000 a 20.000 g. A 
quantidade de sólidos na mistura limita o uso desta 
centrífuga, assim como a formação de bolhas que também 
dificulta a centrifugação. 
 
Fonte: www.tomo-e.co.jp/.../super_asm.html 
O material a ser centrifugado é alimentado pela parte inferior, e passa por 
toda a tubulação para ser separado ou clarificado. A parte sólida vai depositando-se 
nas laterais, sendo retirada ao final do processo, enquanto os líquidos são retirados 
pela parte superior. 
http://www.tomo-e.co.jp/e/product/food_medicines/super_asm.html
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Na indústria de alimentos é utilizada para a separação e clarificação de extratos animais 
e vegetais e óleo de peixe. Na indústria farmacêutica é amplamente utilizada para a 
recuperação de bactérias e frações de células. 
 
(b) Centrífuga de múltiplos discos. A câmara possui uma série de discos paralelos que 
proporcionam uma grande área de sedimentação. O material é removido através de válvulas. 
Em casos de clarificação de material biológico, pode-se trabalhar com a força centrífuga 
variando de 5.000 a 15.000g, sendo o fluxo contínuo de alimentação de 200 m
3
/h. 
 
 
 
 
O tamanho da partícula pode auxiliar a centrifugação. Para aumentar o tamanho da 
partícula, utiliza-se o fenômeno de coagulação ou floculação. Para coagulação, realiza-se a 
mudança de pH da suspensão, removendo as cargas eletrostáticas da partícula e então elas 
aproximam-se umas às outras. Para floculação, adicionam-se pequenasquantidades de 
materiais de alto peso molecular, carregadas com carga oposta ao do material, promovendo 
agregação dos componentes que podem estes baratos e efetivos, porém, sem afetar o produto 
de interesse. Para favorecer a coagulação são adicionados sais de alumínio, cálcio e ferro, além 
de polieletrólitos sintéticos que reduzem a repulsão entre as partículas e formam pontes entre 
elas. 
 
(c) Centrífuga contínua opera horizontalmente A hélice roda e distribui os sólidos ao 
longo da superfície do recipiente, retirando-o do líquido. O liquido sai pelo outro lado da 
câmara. O parafuso roda em velocidade diferente da câmara 
Alimentação 
Saída sólidos 
Saída líquidos 
Fonte: http://www.flottweg.de 
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(d) Centrífuga de Cestos 
A centrífuga de cestos pode ser classificada como perfurada e não perfurada. A 
centrífuga perfurada associa as operações de centrifugação e filtração em conjunto, 
assemelhando-se ao tambor de uma máquina de lavar, por exemplo. Então, neste caso 
 FONTE: http://www.jpolaino.com.br/, wikipédia 
 
especifico, pode-se considerar a centrifugação como uma operação de pré-secagem. No caso de 
sólidos cristalinos, utiliza-se o cesto sem filtros e no caso de partículas deformáveis, como por 
exemplo, proteínas. 
No caso de cestos não perfurados, a ação é apenas da força centrífuga. As partículas 
sólidas tendem a se acumular nas paredes da centrífuga e, com o passar do tempo estas 
começam a ser liberadas junto com o filtrado. 
 
Outras características também devem ser consideradas como, por exemplo, o uso de 
refrigeração no caso de tratamento de material biológico, centrífugas providas de aquecimento 
que alteram a viscosidade e a solubilidade do material. 
 
http://www.jpolaino.com.br/
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5. Tipos de separação centrífuga. 
 
A) Centrifugação diferencial 
A separação é baseada no tamanho das partículas. Uma suspensão contendo diferentes 
moléculas é centrifugada e as partículas maiores sedimentam com mais rapidez do que as 
partículas menores, obtendo-se frações de moléculas. 
Exemplo: quando uma suspensão de material biológico é deixado em repouso, as 
células intactas se depositam. Se centrifugados a 600g por 10 minutos, os núcleos densos 
sedimentam para o fundo do tubo. O sobrenadante é então centrifugado a 15.000g por 5 
minutos para separar mitocôndrias e assim sucessivamente. Algumas destas organelas em 
sedimentação podem ser obtidas em pureza parcial, e em geral elas estão contaminadas com 
outras partículas, servindo como etapa preliminar para posterior purificação usando outros 
tipos de separação centrífuga. 
 
Figura 4. Exemplo de centrifugação diferencial. 
 
B. Centrifugação por gradiente 
A centrifugação diferencial não permite separar diferentes moléculas que se depositem 
em uma mesma etapa de centrifugação, embora possuam densidades diferentes. Para tanto, faz-
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se uso da centrifugação por gradiente, submetendo a suspensão de partículas a uma força 
centrífuga constante, em meio de densidade /peso gradualmente variável, de uma extremidade 
à outra do tubo. A fração celular a ser separada é colocada sobre a camada e centrifugada. 
Empregam-se substâncias como a sacarose. As partículas com densidades diferentes, se 
deslocam até alcançar o local de igual densidade. A separação por gradiente pode ser 
classificada em duas categorias: por índice regional (tamanho) e Separação isopícnica 
(densidade). 
As frações isoladas podem, posteriormente, ser submetidas a uma gama diversificada de 
análises bioquímicas, para se identificar a composição química, a atividade enzimática, bem 
como as capacidades metabólicas. 
- Separação gradiente de tamanho. Esta separação baseia-se no tamanho e massa da 
partícula para sedimentação. Uma utilização para este tipo de centrifugação é a separação de 
proteínas e anticorpos, que possuem densidades similares, porém massas diferentes. Assim, a 
separação com base na massa separará as diferentes classes. 
Para que a centrifugação por tamanho seja bem sucedida, a densidade da solução de 
amostra deve ser inferior à menor densidade do gradiente; a extensão do gradiente devem ser 
suficiente para ocorrer a separação e o tempo deve ser bem dimensionado, pois se for muito 
extenso, as partículas podem ser acumular no fundo do tubo. 
 
 
Figura 5. Exemplos de variação de gradiente. 
 
- Separação isopícnica. Neste caso, vamos considerar uma partícula que possui uma 
determinada densidade e, que será submetida ao processo de centrifugação. Após o processo, a 
partícula irá “estacionar” em uma posição onde a densidade da solução em que se encontra é 
próxima à densidade da partícula. Uma vez estabelecida a sua posição, o tempo total de 
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centrifugação não irá alterar a migração da partícula. Uma aplicação bastante utilizada para 
este método é a separação de ácidos nucléicos em um gradiente de cloreto de césio (CsCl). 
Para que a centrifugação seja bem sucedida, a densidade da partícula da amostra deve 
estar dentro dos limites das densidades de gradiente; qualquer extensão de gradiente é 
aceitável; o tempo de execução deve ser suficiente para que as partículas se unam em seu ponto 
isopícnico. 
 
C. Ultracentrifugação 
Processo de centrifugação sob pressão, permitindo a separação de partículas de modo 
eficiente, utilizando-se de refrigeração e vácuo de forma a minimizar o atrito com o ar, devido 
à elevada rotação aplicada (até 500.000g). 
 
6. Conversão de unidades de centrifugação. 
 
 A rotação de uma centrífuga pode ser especificada em termos de Força Centrífuga 
Relativa (RCF) expressa em unidades de gravidade (g). Muitas centrífugas expressam a 
velocidade em termos de revoluções por minuto (rpm). 
A conversão entre g (a força centrífuga) e rpm é dada pela relação: 
FC = (1.118*10
-5
)M R S
2 
ou 
FCR = (1.118*10
-5
) R S
2
, 
onde: Fc = força centrífuga; 
FCR = força centrífuga relativa; 
R = diâmetro do rotor (cm) 
S = velocidade da centrífuga (rpm) 
M = massa da amostra 
 
No caso do cálculo da Força centrífuga relativa, esta não considera a massa da amostra, 
ou a sua densidade. Quando se troca a centrífuga, deve-se recalcular o g. 
 
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Figura 6. Exemplos de medida do diâmetro dos rotores de centrífugas. 
Outra forma de se converter as unidades de centrifugação é utilizando nomogramas 
como o exemplificado abaixo. Nomogramas são gráficos que servem para representar no plano, 
equações com várias variáveis, de tal forma que o cálculo das suas soluções se reduz a uma 
simples leitura neste gráfico. 
 
 Variáveis como a velocidade e o tempo de centrifugação devem ser determinadas para 
garantir o correto depósito ou separação dos elementos de interesse. 
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7. Aplicações da centrifugação 
A centrifugação pode ser utilizada além de apenas uma operação unitária na indústria. É 
também bastante aplicada em casos de tratamentos de fertilidade e, existem estudos que 
avaliam a possibilidade de separação de espermatozóides que não contenham o vírus da AIDS, 
para a geração de uma criança não portadora do vírus. Esta seleção realizada para humanos é 
utilizada em gado, com o objetivo de criar as melhores cabeças de gado, rebanho, tornando o 
negócio mais lucrativo. 
 Além da inseminação, a centrifugação, é utilizada no processo de enriquecimento de 
urânio. A NASA também utiliza uma espécie de centrífuga onde seus astronautas são 
submetidos a forças de até 20 g. 
8. Referências 
 
PESSOA JR, A. KILIKIAN, B. V., Purificação de Produtos Biotecnológicos , p. 30 a 
36, Editora Manole, 2005.http://www.lsbu.ac.uk/biology/enztech/centrifugation.html 
REVISTA VEJA, 22 de setembro de 2004. 
Cole-Parmer site, http://www.coleparmer.com/techinfo/techinfo.asp?htmlfile= basic-
centrifugation.htm&ID=30