Comment marche : décantation et centrifugation
Dans un mélange hétérogène, certains constituants peuvent être visible à l’œil nu. Considérons un mélange hétérogène solide-liquide comme une eau de rivière.
Dans ce type de mélange, les particules solides « nagent » en suspension dans le liquide. Si ce mélange reste au repos quelques heures, la gravité fait son travail et entraîne les particules lourdes au fond du récipient contenant le mélange. Les particules les plus légères restent en surface. Nous appelons cette technique de séparation la décantation. C’est la première étape du nettoyage de l’eau dans les stations de captage placées au bord des rivières.
La centrifugation constitue un procédé de décantation perfectionnée qui permet de gagner du temps, notamment dans les laboratoires d’analyse. En effet, il faut attendre quelques minutes, voire quelques heures pour que les particules les plus denses tombent au fond du récipient.
Dans les laboratoires, la centrifugeuse est un appareil qui reçoit des tubes à essais. Les tubes sont placés à l’intérieur. Une fois mise en route, la centrifugeuse tourne à des milliers de tours/minutes. Les particules solides présentes dans les mélanges sont alors plaquées au fond des tubes à essais. En haut du tube, un liquide clair apparaît.
PRINCIPES DE BASE
Une particule soumise à un champ gravitationnel tend à se déplacer dans ce champ jusqu’à ce qu’elle rencontre une résistance capable de l’arrêter complètement. Ce principe fondamental de physique est très utilisé en biochimie pour séparer des précipités, des cellules, des organites et même des macromolécules. En mettant une préparation biochimique dans le rotor d’une centrifugeuse et en faisant tourner celui-ci, on génère une accélération qui va pousser les particules qui la composent vers l’extérieur du rotor, c’est-à-dire le fond du tube à centrifuger. La vitesse avec laquelle se déplaceront ces particules est proportionnelle à
– la force gravitationnelle à laquelle la particule est soumise
– la masse de la particule
– la différence entre la densité de la particule et celle du solvant,
et inversement proportionnelle à
– la friction avec le milieu, en fonction de la taille et à la géométrie des particules.
Une particule donnée (e.g. une sous-unité d’un ribosome) a donc une vitesse spécifique de sédimentation lors d’une centrifugation parce qu’elle a une combinaison donnée de masse, de densité et de morphologie. On exprime souvent cette caractéristique en coefficient de sédimentation, généralement exprimée en unités Svedberg (S). Plus une particule est massive ou dense ou ne génère qu’une faible friction (due à sa forme), plus son S sera élevé. Cette unité de « taille » est particulièrement employée pour caractériser les particules ribosomiques. C’est pourquoi on parle encore de ribosomes 70 S chez les procaryotes et 90 S chez les eucaryotes.
On peut facilement générer une force centrifuge ( résistance au changement de direction imposé par une force centripète. C’est une résistance par inertie et non une force active) en faisant tourner à haute vitesse un rotor pouvant contenir des tubes à centrifuger. Une force gravitationnelle se forme alors perpendiculairement à l’axe de rotation du rotor.
Au cours de la centrifugation, les composés dans le fluide situés à une distance r de l’axe de rotation sont soumis à différentes forces:
- La force de pesanteur descendante Fp
- La poussée d’Archimède ascendante Fa
- Une force de friction Fv
- La force centripète F’c
- La force centrifuge Fc
Cette force centrifuge, exprimée en newtons, est donnée par la relation
Fc = mγc
avec γc = rω² en m/s²
dont :
- La masse m du composé à séparer
- La distance r du tube à l’axe de rotation de la centrifugeuse
- La vitesse angulaire ω exprimée en radians par seconde ou en tour par minute.
la centrifugation permet de séparer :
- deux phases liquides ;
- une phase solide en suspension dans une phase liquide ;
- deux phases liquides contenant une troisième phase solide.
Il existe deux catégories principales de centrifugeuses :
- les centrifugeuses à axe vertical, appelées communément clarificateurs ou séparateurs centrifuges (avec un bol à assiettes ou à chambres qui tourne sur un axe vertical) ;
- les centrifugeuses à axe horizontal, appelées communément décanteurs centrifuges (avec un bol cylindroconique qui tourne sur un axe horizontal et une vis disposée à l’intérieur du bol permettant l’évacuation des sédiments).
L’ultracentrifugation est une méthode de centrifugation dont le but est de séparer des particules très fines dispersées dans un liquide de densité pratiquement égale. Pour que cette séparation ait lieu la vitesse de rotation de la centrifugeuse doit dépasser les 15 000 tours par minute.
La centrifugeuse utilisée est appelée ultracentrifugeuse . Le rotor de cet appareil se déplace dans un vide, de sorte qu’aucune résistance de l’air ne se produise.
L’ultracentrifugation a été développée au milieu des années 1923 par Theodor Svedberg ( Il montra son utilité pour la séparation de protéines, ce qui lui valut la Médaille Franklin en 1949. Il obtint le prix Nobel de chimie en 1926) . L’ultracentrifugation peut être utilisée pour des fins analytiques ou préparatives.
