Voir la source de Centrifugation

[[Fichier:Tabletop centrifuge.jpg|vignette|Centrifugeuse utilisée au laboratoire pour les opérations de séparation courante.]]
La '''centrifugation''' est un [[procédé de séparation]] des composés d'un [[mélange]] en fonction de leur différence de [[densité]] en les soumettant à une [[force centrifuge]]. Le mélange à séparer peut être constitué soit de deux phases liquides, soit de particules solides en suspension dans un [[fluide (matière)|fluide]]. Cette technique ne fait pas partie des opérations unitaires en [[génie chimique]].

Les centrifugeuses utilisées à cette fin sont des machines [[Mouvement de rotation|tournant]] à grande vitesse afin d'imprimer une [[accélération]] importante à leur contenu. Elles permettent notamment d'accélérer la [[décantation]] de suspensions liquides ou la [[sédimentation]] de particules [[Colloïde|colloïdales]].

L'[[essoreuse à salade]] en est l'exemple le plus commun : sous l'effet de la [[Mouvement de rotation|rotation]], une accélération, ou [[force centrifuge]], est appliquée à son contenu. Les feuilles de laitue sont retenues par les parois du panier perforé tandis que l'eau est éjectée au travers. Les corps denses sont ainsi séparés des corps plus légers. Ces appareils trouvent des applications technologiques et industrielles très variées en [[biologie]], en [[dessiccation]] de boues, dans l'[[industrie nucléaire]], en [[géotechnique]], en [[métallurgie]], ainsi que pour les tests et l'entraînement des [[astronaute]]s et des [[Pilote (aviation)|pilotes]] militaires.

== Étymologie ==
Le mot centrifugation est construit à partir du verbe « centrifuger » qui vient du latin ''fugere'' qui signifie « fuir » et de « centre », auquel est ajouté le suffixe ''-ation'' indiquant une action, un effet physique.

== Principe ==
La séparation des composés d'un mélange est réalisable par [[décantation]], sous l'action de la seule gravitation mais elle nécessite parfois une longue durée pour acquérir de bons résultats et est donc souvent inefficace. Il est donc plus efficace d'utiliser la centrifugation<ref>Bernard Veynachter et Pascal Pottier, ''Centrifugation et décantation'', Techniques de l'ingénieur, F2730, mars 2007</ref>. Au cours de cette opération de séparation, les composés dans le fluide situés à une distance r de l'axe de rotation sont soumis à différentes forces<ref>Kane Sternheim, Physique, 1984, [[InterÉditions]] {{ISBN|2-7296-0098-1}} {{p.|330}}</ref> :
[[Fichier:Imagecentrifugation.svg|right]]
* la force de [[pesanteur]] descendante Fp ;
* la [[poussée d'Archimède]] ascendante Fa ;
* une force de [[Frottement|friction]] Fv ;
* la [[force centripète]] F'c ;
* la [[force centrifuge]] Fc.

La séparation s'opère par l'action de la force centrifuge Fc sur les composés. Cette force centrifuge, exprimée en [[newton (unité)|newtons]], est donnée par la relation Fc = mγ{{ind|c}} avec γ{{ind|c}} = 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.

Le rapport de la force centrifuge Fc sur le poids Fp est appelé ''intensité de la pesanteur artificielle'' et s'exprime en « [[g (accélération)|''g'']] »<ref>Michel Robatel et Philippe Borel, ''Centrifugation, généralités. Théorie.'' Techniques de l'ingénieur, A5550, Mai 1989</ref>. Les valeurs utilisées en centrifugation sont d'environ 400 à {{unité|10000|''g''}}, ce qui correspond à des vitesses de rotation de l'ordre de {{nb|2000 à 10000 tr/min}} suivant le rayon des rotors<ref>M. Seguin, B.Villeneuve, B.Marcheterre, R.Gagnon, ''Physique 1 Mécanique'', Besson, {{4e|édition}}, {{p.|434}}.</ref>.

La centrifugation fait appel à la force centrifuge exercée sur les particules incluses dans la solution, afin de ségréguer certaines composantes. Cette séparation s’effectue selon la densité des particules. La force exercée par l’accélération à haute vitesse de la solution à séparer est régie par la [[loi de Stokes]] :
:<math>V_s = \frac{2 r^2 g\Delta \rho} {9\eta} </math>

Cette loi permet de calculer la vitesse de sédimentation des particules. Dans cette équation, la composante v<sub>s</sub> est la vitesse de sédimentation, ''r'' est le rayon de la particule en solution, Δρ est la différence de densité entre la particule et le milieu où la particule est contenue, ''g'' est l’accélération due à la force centrifuge dans la centrifugeuse, η est la viscosité de la solution<ref name="Kirk 1991">{{en}} Kirk, Raymond E. ''Encyclopedia of Chemical Technology'', {{4e|édition}}, New York: Wiley, 1991.</ref>.

== Applications ==
La centrifugation est essentiellement utilisée dans quatre grands domaines :
# <u>Technique de séparation</u> :
#* au quotidien : [[Lave-linge|essorage du linge]], [[essoreuse à salade]], [[extracteur de jus|extraction du jus]] des fruits et légumes<ref>{{lien web|auteur=Jean Lemerle|titre=Centrifugation|site=[[Encyclopædia Universalis]]|consulté le =26 juillet 2015|url=http://www.universalis.fr/encyclopedie/centrifugation/}}</ref>,
#* dans l'environnement : dessiccation des boues issues du traitement des eaux usées,
#* dans l'[[industrie alimentaire]] : séparation de la [[Crème (produit laitier)|crème]] du lait ([[Écrémeuse (lait)|écrémage]])<ref>50 millions de consommateurs, {{n°|288}}, octobre 1995.</ref>, élimination des particules de la [[bière]] ou du vin ([[clarification]]), extraction des huiles et des matières grasses ([[extraction de l'huile d'olive]]), extraction du miel ([[apiculture]]),
#* au laboratoire : pour récupérer un [[précipité]], pour séparer des éléments figurés dans le [[sang]] ([[Érythrocyte|globules rouges]], [[Leucocyte|globules blancs]], [[Thrombocyte|plaquettes]] en suspension dans le [[plasma sanguin]]), séparation de composés cellulaires pour étude biochimique ou moléculaire,
#* en [[orpaillage]] : pour séparer avec une [[batée]] l'or des sables aurifères,
#* dans le domaine du nucléaire : pour enrichir l’uranium avec l'isotope fertile {{lnobr|uranium 235|<sup>235</sup>U}} ;
# <u>Analyse chimique et caractérisation des suspensions</u> :
#* [[centrifugation analytique]] : méthode d’analyse des suspensions avec caractérisation rhéologique  et granulométrique ;
# <u>Accélération de masses importantes en macrocentrifugeuse</u> :
#* études géotechniques : test sur modèle physique à échelle réduite,
#* applications militaires : test de systèmes d'armes exposés à des conditions extrêmes,
#* applications aérospatiales : test et entraînement des astronautes et des pilotes militaires ;
# <u>Mise en forme des matériaux</u> :
#* [[coulée par centrifugation]] pour les métaux et le béton,
#* [[moulage par centrifugation]] pour les matières plastiques et les matériaux composites,
#* [[Enduction centrifuge|enduction par centrifugation]],
#* fabrication de la [[barbe à papa]].

=== Biologie ===
{{Article détaillé|Ultracentrifugation}}
Certaines applications, comme la séparation des [[macromolécule]]s biologiques ([[protéine]]s, [[Acide nucléique|acides nucléiques]]), nécessitent de passer par la méthode d'[[ultracentrifugation]] mise au point par [[Theodor Svedberg]], qui utilise des accélérations très élevées de l'ordre de {{unité|200000|''g''}}, et qui nécessite de ce fait des vitesses de rotation de plusieurs dizaines de milliers de tours par minute<ref>Jean Lemerle, ''L'ultracentrifugation et ses applications en chimie minérale'', L'Actualité chimique, {{p.|3-28}}, Paris, mars 1974.</ref>.

=== Clarification du vin et de la bière ===
[[Fichier:Centrifugeuse vin.JPG|vignette|Centrifugeuse industrielle utilisée pour la mise au propre des vins après fermentation alcoolique.]]
La centrifugation peut être utilisée pour clarifier rapidement les [[vin]]s ou les [[bière]]s après [[fermentation|fermentation alcoolique]] ou avant la [[filtration]] finale pour la mise en bouteille. Elle permet d'éliminer rapidement une grande partie des particules et des [[micro-organisme]]s en suspension responsables de faux-goûts éventuels (odeurs soufrées) et d'effets microbiologiques indésirables.
{{clr}}

=== Usages alimentaires ===
Des centrifugeuses électriques sont utilisées dans l'industrie alimentaire pour extraire le jus des fruits et des légumes. En cuisine, chez les particuliers, on en utilise couramment pour [[Essoreuse à salade|essorer la salade]]. L'[[Écrémeuse (lait)|écrémeuse]]-centrifugeuse sert à séparer la [[Crème (produit laitier)|crème]] du [[lait]] et donne également comme sous-produit le [[lactosérum ]] appauvri en graisses et souvent encore appelé petit lait.

=== Essoreuse décantatrice ou décanteur centrifuge ===
[[Image:Dec_Cen.png|thumb|Essoreuse décantatrice. 
1. Collecteur des boues, avec des ouvertures (bleu). 
2. Ouvertures de décharge du solide. 
3. Ouvertures de décharge du liquide. 
4. Vis sans fin. 
5. Rotor (rouge). 
8. Carcasse fermée.]]

{{Article détaillé|Ultracentrifugation}}
La centrifugation industrielle utilise des machines particulières pour la séparation de [[Phase (thermodynamique)|phase]]. L'un des modèles les plus communs est l'essoreuse [[Décantation|décantatrice]] ou le décanteur centrifuge. Un mélange liquide-solide (par exemple, une [[Suspension (chimie)|suspension]] [[colloïde|colloïdale]]) est déposé dans un récipient perforé de multiples orifices, la taille de ceux-ci étant suffisamment grande pour laisser passer le liquide et assez petite pour empêcher le passage du solide. Ce type d'appareil peut aussi servir à séparer les mélanges constitués de fractions ayant une densité différente.

Sur la figure ci-contre, la carcasse de l'appareil est stationnaire et solidaire avec la base de celui-ci. Le collecteur de boues 1/4 et le rotor 5 tournent, ce qui permet aux particules solides, ayant une densité élevée, de se déposer sur la surface interne du rotor 5 à des vitesses différentes. Cela permet également un mouvement axial du solide qui est donc entrainé par la [[Vis (engrenage)|vis sans fin]] vers les ouvertures 6, d'où le solide est projeté vers la sortie 2. La fraction liquide se déverse par les ouvertures 7 et est également éliminée vers la sortie 3.

=== Enrichissement de l’uranium ===
{{Article détaillé|Centrifugation gazeuse|Enrichissement de l'uranium}}
L’un des usages les plus connus de l'ultracentrifugation en [[Centrifugation gazeuse|phase gazeuse]] comme méthode de [[séparation isotopique]] est l’[[enrichissement de l'uranium]]<ref>{{en}} [http://www.ornl.gov/info/ornlreview/v37_1_04/article_04.shtml ''Uranium Enrichment'' ; Coming Full Circle], Oak Ridge National Laboratory's Communications and External Relations.</ref>. Étant donné que l’[[Extraction de l'uranium|uranium à l’état naturel]] contient seulement 0,7 % d'{{lnobr|uranium 235}}, l’[[isotope fissile]], il est nécessaire de le séparer de l'isotope non fissile, l’{{lnobr|uranium 238}}. La légère différence en masse des deux [[isotope]]s, due aux trois [[neutron]]s supplémentaires de l'{{nobr|uranium 238}}, permet une séparation par ultracentrifugation. Tout d’abord, le concentré d’uranium ({{anglais|[[yellowcake]]}}) est transformé en [[hexafluorure d'uranium]] ({{fchim|UF|6}}), un composé gazeux à une température légèrement supérieure à la température ambiante. L’hexafluorure d’uranium chauffé est injecté à l'état gazeux dans une centrifugeuse, dont le rotor tourne à très grande vitesse dans un caisson sous vide. Sous l'effet de l'accélération centrifuge énorme produite, les molécules d'{{fchim|UF|6}} contenant l’isotope le plus léger de l’uranium ({{exp|235}}U) ont tendance à [[Diffusion de la matière|diffuser]] vers le centre de la centrifugeuse. ''A contrario'', celles contenant l’isotope le plus lourd ({{exp|238}}U) ont tendance à migrer vers les parois externes de la centrifugeuse et à s'y accumuler. Divers procédés{{Lesquels|date=octobre 2023}} permettent d'optimiser le rendement de la séparation. Un conduit au centre de la centrifugeuse et un autre situé près de ses parois extraient l’hexafluorure d'uranium respectivement enrichi et appauvri en {{exp|235}}U. Ce procédé est répété [[Procédé en cascade|en cascade]] jusqu’à ce que le [[rapport isotopique]] ({{sfrac|{{exp|235}}U|{{exp|238}}U}}) souhaité soit atteint<ref name="Kirk 1991" />. À cette fin, les centrifugeuses sont montées en série et en parallèle, par milliers d’unités. À mesure de leur passage d'une centrifugeuse à l'autre, la teneur en {{lnobr|uranium 235}} augmente. L'{{fchim|UF|6}} appauvri est renvoyé au début de la cascade pour être retraité.

{{Référence nécessaire|Le procédé a été développé dans les années 1980 aux États-Unis par le [[département de l'Énergie des États-Unis]] (DoE), avec la construction d'une première cascade d'essai ({{nb|1300 centrifugeuses}} à gaz) au laboratoire d'[[Oak Ridge (Tennessee)|Oak Ridge]] (Tennessee) et à l'usine d'enrichissement de Piketon (Ohio) qui a exploité une centaine de centrifugeuses durant neuf mois. L'idée a été abandonnée en 1986 puis relancée avec un système de séparation d'isotopes par vapeur et laser (SILVA, qui fait depuis 2000 l'objet de recherches par l'USEC). Plusieurs industriels ont développé la centrifugation gazeuse : russes et anglais (Urenco qui a créé dans les années 1990 une société ERP), allemands, néerlandais...|date=juin 2021}}

=== Études sur modèle réduit en macrogravité ===
Outre les opérations de séparation, de sédimentation des solides ou de clarification des liquides, des centrifugeuses géantes sont utilisées afin de pouvoir modéliser les interactions entre un modèle réduit et des [[forces intérieures et forces extérieures|forces extérieures]] et des contraintes ultimes : [[séisme]]s, [[cyclone]]s... Une soixantaine d'instruments de ce type sont exploités dans le monde. Deux sont implantés en France, l'un à usage civil au laboratoire de géotechnique de l'[[Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux|IFSTTAR]] près de Nantes, l'autre au [[Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine|CESTA]] en Gironde pour tester le comportement et la résistance de systèmes d'armes exposés à des conditions extrêmes. 

==== Centrifugeuses géotechniques ====
[[Fichier:Centrifugeuse géotechnique à Nantes (France).png|vignette|Macrocentrifugeuse géotechnique de l'[[Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux|IFSTTAR]] à Nantes dans sa grande chambre blindée, à la paroi circulaire en [[béton armé]]. À l'extrémité du bras, à droite, la [[Nacelle (militaire)|nacelle]] [[Carénage aérodynamique|carénée]] et son [[Ogive (missile)|ogive]] [[aérodynamique]] servant à embarquer les expériences.]]
En [[génie civil]] et en [[géotechnique]], des [[maquette]]s construites à l'[[Échelle spatiale|échelle réduite]] sont installées sur une [[Nacelle (militaire)|nacelle]] pivotante à l'extrémité du bras d'une centrifugeuse géotechnique géante et soumises à la [[Gravitation |macrogravité]] (typiquement de 100 à {{nobr|200 [[Pesanteur|g]]}}). L'objectif poursuivi est de tester la [[résistance des matériaux]] et celle des grandes structures soumises à des [[contrainte (mécanique)|contraintes mécaniques]] extrêmes afin de pouvoir comprendre et extrapoler (par application de la règle de [[Similitude (mécanique des fluides)|similitude]]) leur comportement ''in situ'' sur des [[ouvrage d'art|ouvrages d'art]] de plus grandes dimensions<ref name="Scott1989">{{Article | nom=Scott | prénom=R.F. | date=juillet 1989 | titre=Essais en centrifugeuse et technique de la modélisation (Centrifuge and modeling technology: A survey) | url=https://www.geotech-fr.org/sites/default/files/rfg/article/48-2.pdf | journal=Revue Française de Géotechnique | volume=48 | pages=15-34 | langue=fr | consulté le=2023-10-30}}</ref>{{,}}<ref name="Pays_de_la_Loire">{{Lien web | prénom=Matthieu | nom=Blanc | date=16 janvier 2023 | titre=La modélisation physique en centrifugeuse : un outil pour étudier les ouvrages géotechniques | site=Pays de la Loire | url=https://www.echosciences-paysdelaloire.fr/articles/la-modelisation-physique-en-centrifugeuse-un-outils-pour-etudier-les-ouvrages-geotechniques-matthieu | langue=fr | consulté le=2023-10-30}}</ref>. En France, l'[[Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux|IFSTTAR]] (anciennement le [[laboratoire central des ponts et chaussées]], [[Laboratoire central des ponts et chaussées|LCPC]]) dispose depuis 1985 sur son site de [[Bouguenais]] près de [[Nantes]], rattaché à l'[[université Gustave-Eiffel]], d'une centrifugeuse géotechnique les plus performantes au monde permettant de simuler le comportement ''in situ'' de [[Fondation (construction)|fondations]] ([[Pieu (construction)|pieux]]), [[Terrassement|remblais]] et [[Mur de soutènement|soutènements]] ou d'[[Point d'ancrage|ancrages]] de grande dimension<ref name="WEAMEC2020">{{Lien web | titre=Centrifugeuse géotechnique de l'Université Gustave Eiffel | site=WEAMEC | date=2020-11-09 | url=https://www.weamec.fr/moyens-technologiques/centrifugeuse-geotechnique/ | langue=fr | consulté le=2023-10-30}}</ref>{{,}}<ref name="Theorem2021">{{Lien web | titre=Centrifugeuse géotechnique. La centrifugeuse géotechnique est implantée depuis 1985 sur le Campus de Nantes de l’Université Gustave Eiffel à Bouguenais | url=https://theorem-infrastructure.org/navigation/fondations-materiaux-structures/centrifugeuse-geotechnique | date=27 janvier 2021 | site=theorem-infrastructure.org | langue=fr | consulté le=30 octobre 2023}}</ref>. Grâce à cet équipement aux caractéristiques hors normes (longueur du rayon du rotor : {{unité|6,8| m}} ; [[masse]] maximale du [[modèle réduit]] testé : {{unité|2|tonnes}} ; [[accélération]] maximale : {{nobr|200 [[Pesanteur|g]]}}), il est notamment possible d'étudier le comportement et les réactions des grandes [[Ingénierie des structures|structures de génie civil]] soumises aux [[Résistance des matériaux#Sollicitations|sollicitations]] des [[séisme]]s.

==== Applications militaires ====
Le [[Centre d'études scientifiques et techniques d'Aquitaine]] (CESTA), implanté sur la commune du [[Le Barp|Barp]], près de [[Bordeaux]], en [[Gironde (département)|Gironde]] dispose également d'une macrocentrifugeuse depuis 1965. C'est un établissement de recherche de la [[Direction des applications militaires|Direction des Applications Militaires]] (DAM) du [[Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives|Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives]] (CEA). L’architecture industrielle, sa fiabilité et la robustesse des systèmes d'[[arme nucléaire|armes nucléaires]] de la force de dissuasion française y sont étudiées sur des maquettes soumises à des accélérations énormes afin de pouvoir mieux comprendre et évaluer leur comportement en conditions réelles. Les systèmes sensibles et leurs composants y sont testés en les soumettant à des sollicitations extrêmes au moyen de la macrocentrifugeuse.

=== Centrifugeuses aéronautiques et astronautiques ===
[[Fichier:Centrifuge big balance brain.jpeg|vignette|Centrifugeuse utilisée par la [[National Aeronautics and Space Administration|NASA]] pour l'étude de l'équilibre sur des astronautes.]]
Les centrifugeuses sont utilisées pour la formation des [[astronaute]]s et l’entraînement des [[Pilote (aviation)|pilotes]] militaires. Elles permettent de tester et de renforcer leur résistance aux [[accélération]]s importantes.
[[Fichier:20G centrifuge.jpg|vignette|gauche|redresse=1.2|Centrifugeuse utilisée à la NASA.]]
{{clr}}

=== Mise en forme de matériaux par centrifugation ===
[[File:Tuyaux en fonte ductile.jpg|thumb|Tuyaux en [[Fonte (métallurgie)#Fonte GS (graphite sphéroïdal, aussi appelée fonte ductile)|fonte ductile]] obtenus par centrifugation.]]
{{Article détaillé|Coulée par centrifugation}}
Les centrifugeuses sont employées en [[métallurgie]] pour la [[coulée par centrifugation]] de métal à l'état liquide et la fabrication de [[tuyau]]x.

Le même principe est appliqué à la fabrication d'éléments cylindriques creux en [[Béton de ciment|béton]] et aussi pour la production de tubes en matériaux [[polymère|polymériques]].

== Notes et références ==
{{Crédit d'auteurs|interne|Centrifugeuse|187996668|note=oui}}
{{Références}}

== Voir aussi ==
{{Autres projets
 | commons     = Centrifuge}}

=== Articles connexes ===
* [[Force centrifuge]]
* [[Ultracentrifugation]]
* [[Centrifugation gazeuse]]
* [[Procédé en cascade]]
* [[Ultracentrifugation]]
* [[Gaz isotherme en centrifugeuse]]

{{Palette|Procédés de séparation induite par un champ de force externe|Analyse granulométrique|Équipement de laboratoire|Installations au sol}}
{{Portail|chimie|physique|nucléaire|biochimie|Biologie cellulaire et moléculaire|astronautique|Aéronautique}}
<!-- La liste des catégories est triée de façon logique et non par ordre alphabétique. Merci de respecter cette logique -->
[[Catégorie:Centrifugation]]
[[Catégorie:Technique de laboratoire]]
[[Catégorie:Séparation liquide - solide]]
[[Catégorie:Séparation des gaz]]
[[Catégorie:Vinification]]
[[Catégorie:Fabrication de la bière]]
[[Catégorie:Géotechnique]]
[[Catégorie:Simulateur de vol]]