En principe, la centrifugation peut séparer les composants de tout mélange hétérogène où ces composants diffèrent par leurs propriétés physiques comme la densité, la taille ou la forme. C'est une technique de laboratoire et industrielle puissante utilisée pour séparer les solides des liquides, les liquides non miscibles entre eux, et même les macromolécules d'un solvant en amplifiant considérablement la force de gravité.
Le principe fondamental à comprendre est que la centrifugation ne sépare pas les substances en fonction de leur chimie ; elle les sépare en fonction de la physique. Si les composants d'un mélange ont des densités différentes, la centrifugeuse forcera le matériau le plus dense à se déposer au fond, laissant le matériau moins dense au-dessus.
Le principe fondamental : Comment fonctionne la centrifugation
La centrifugation est essentiellement une méthode de sédimentation accélérée. Elle remplace la force de gravité relativement faible par une force centrifuge beaucoup plus puissante générée par une rotation à grande vitesse.
Amplifier la force de gravité
Une centrifugeuse fait tourner les échantillons autour d'un axe fixe, les soumettant à une puissante force centrifuge vers l'extérieur, connue sous le nom de Force Centrifuge Relative (FCR) ou force G. Cette force peut être des milliers, voire des centaines de milliers de fois supérieure à la gravité terrestre.
Cette force immense accélère considérablement la tendance naturelle des particules plus denses à se déposer hors d'un mélange.
Le rôle critique de la densité
Le facteur le plus important pour la séparation est la densité. Lorsqu'un mélange est centrifugé, chaque composant est soumis à la même force centrifuge.
Cependant, les composants plus denses déplacent les composants moins denses, forçant le matériau plus dense à migrer vers l'extérieur et à s'accumuler au fond du tube sous forme de culot. Le liquide moins dense qui reste au-dessus est appelé le surnageant.
L'influence de la taille et de la forme des particules
Bien que la densité soit primordiale, la taille et la forme des particules jouent également un rôle. Les particules plus grandes sédimenteront plus rapidement que les particules plus petites de même densité car elles ont plus de masse pour surmonter la traînée visqueuse du liquide.
Ce principe est la base de la centrifugation différentielle, une technique utilisée pour séparer des composants de tailles différentes, tels que les organites subcellulaires.
Applications courantes et mélanges séparables
Ce principe permet une gamme incroyablement large d'applications en biologie, en chimie et dans l'industrie.
Séparations solide-liquide
C'est l'utilisation la plus courante de la centrifugation. Elle est utilisée pour séparer les particules solides en suspension dans un liquide.
Les exemples incluent la mise en culot de cellules bactériennes ou de cellules eucaryotes à partir d'un milieu de croissance, la collecte d'un précipité formé lors d'une réaction chimique, ou la clarification du vin et de la bière par élimination de la levure.
Séparations liquide-liquide
La centrifugation est très efficace pour séparer deux liquides non miscibles – des liquides qui ne se mélangent pas, comme l'huile et l'eau.
Le processus brise rapidement les émulsions, forçant le liquide le plus dense à se déposer au fond et le liquide le moins dense à remonter, formant deux couches distinctes. Ceci est utilisé dans l'industrie laitière pour séparer la crème (matière grasse) du lait.
Séparations biologiques et macromoléculaires
Avec des centrifugeuses à grande vitesse ou des ultracentrifugeuses, il est possible de séparer des composants très petits et n'ayant que de légères différences de densité.
Cela inclut la séparation des composants sanguins (globules rouges et blancs du plasma), l'isolement des organites subcellulaires (comme les mitochondries, les noyaux et les ribosomes), et la purification des macromolécules comme les protéines, l'ADN et l'ARN à partir d'extraits cellulaires.
Comprendre les limites
Faire confiance au processus signifie comprendre ce qu'il ne peut pas faire. Les principes physiques qui rendent la centrifugation si puissante définissent également ses limites.
Ce que la centrifugation ne peut pas séparer
La centrifugation est inefficace sur les mélanges homogènes, souvent appelés solutions vraies. Dans une solution vraie, comme le sel dissous dans l'eau, le soluté est décomposé au niveau moléculaire et uniformément réparti.
Il n'y a pas de différences de densité significatives sur lesquelles la force centrifuge puisse agir. Les particules dissoutes sont simplement trop petites et intégrées pour être séparées par la seule force physique.
L'importance de l'équipement
Le type de séparation que vous pouvez obtenir est directement lié à l'équipement que vous utilisez. Une simple centrifugeuse de paillasse est parfaite pour mettre en culot des cellules.
Cependant, la séparation de minuscules virus ou de protéines individuelles nécessite une ultracentrifugeuse, un équipement spécialisé et coûteux capable de générer des forces G extrêmes.
Faire le bon choix pour votre mélange
Pour appliquer ces connaissances, identifiez d'abord la nature de votre mélange et votre objectif.
- Si votre objectif principal est de séparer des solides visibles d'un liquide : Une centrifugeuse standard à vitesse modérée est presque toujours l'outil approprié.
- Si votre objectif principal est de rompre une émulsion de deux liquides : La centrifugation accélérera considérablement le processus de stratification basé sur la densité.
- Si votre objectif principal est d'isoler de très petites particules biologiques (par exemple, organites, virus) : Vous aurez besoin d'une ultracentrifugeuse capable de générer des forces G exceptionnellement élevées.
- Si votre objectif principal est de séparer un solide dissous d'un solvant : La centrifugation ne fonctionnera pas ; vous devez utiliser une méthode différente comme l'évaporation, la chromatographie ou la distillation.
En fin de compte, la centrifugation est un outil physique qui exploite les différences physiques pour réaliser une séparation.
Tableau récapitulatif :
| Type de séparation | Exemples courants | Principe clé |
|---|---|---|
| Solide-Liquide | Cellules bactériennes, précipités | La différence de densité force les solides à former un culot |
| Liquide-Liquide | Huile/eau, crème/lait | Les liquides non miscibles se stratifient par densité |
| Biologique | Composants sanguins, organites, protéines | Les forces G élevées séparent par taille/densité |
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