Las centrífugas de discos: una revisión global

Disk stack centrifuges: a comprehensive review

Amaury Pérez Sánchez ¹* , Rutdali Maria Segura Silva², Eddy Emilio Bover Fuentes³

Laura de la Caridad Arias Águila⁴; Lizthalía Jiménez Guerra⁵; Laura Thalía Álvarez Lores⁶

¹ Universidad de Camagüey, Camagüey, Cuba; amaury.perez84@gmail.com . https://orcid.org/0000-0002-0819-6760

²      Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología de Camagüey, Camagüey, Cuba. ruthdaly.segura@cigb.edu.cu; https://orcid.org/0000-0003-2821-154X

³      Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología de Camagüey, Camagüey, Cuba. eddy.bover@cigb.edu.cu;  https://orcid.org/0000-0001-8715-6048

⁴ Universidad de Camagüey, Camagüey, Cuba; aguilaariaslaura@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-6494-9747

⁵ Base Depósito 540 CUPET, Camagüey, Cuba; lizthalia.jimenez@reduc.edu.cu; https://orcid.org/0009-0004-4537-2366

⁶ Universidad de Camagüey, Camagüey, Cuba; laura.alvarez@reduc.edu.cu; https://orcid.org/0009-0007-2643-018X

*     Correspondencia: amaury.perez84@gmail.com; Tel. : +53 52952591

https://doi.org/10.70373/RB/2026.11.02.6

Resumen

La centrífuga de discos pertenece a un tipo de centrífuga de sedimentación, la cual es ampliamente usada en las industrias química, biofarmacéutica, alimenticia y de protección ambiental, entre otras. El presente artículo de revisión se enfoca en las particularidades y detalles de las centrífugas de discos, con énfasis en su evaluación para diferentes procesos de escala piloto e industrial, las ecuaciones que las caracterizan, su forma de operación, los estudios de escalado y scaledown realizados hasta la fecha, sus particularidades operacionales y geométricas, su clasificación con respecto a la forma de descarga de sólidos, y otros estudios específicos realizados sobre estos tipos de centrífugas. Es un equipo con una elevada flexibilidad, robustez y capacidad de procesamiento empleado fundamentalmente para la cosecha/separación de células y clarificación de caldos de fermentación para el recobrado tanto de biomasa en la fase sólida como de metabolitos contenidos en el sobrenadante, entre otras aplicaciones. De su óptima y favorable operación dependerá el éxito de las operaciones y procesos posteriores de recobrado/purificación, desde el punto de vista técnico-económico. Sin embargo, deberá estudiarse en profundidad la aplicación de centrífugas de discos para procesar material biológico sensible al cizallamiento, con el fin de lograr una cosecha exitosa que no perjudique su integridad, actividad biológica y rendimiento.

Palabras clave: centrifugación; centrífuga de discos; escalado; scale-down; teoría Sigma; operación; evaluación

Abstract

The disk stack centrifuge is a type of sedimentation centrifuge widely used in the chemical, biopharmaceutical, food, and environmental protection industries, among others. This review article focuses on the particularities and details of disk stack centrifuges, with emphasis on their evaluation for different pilot and industrial scale processes, the equations that characterize them, their mode of operation, the scaling and scale-down studies carried out to date, their operational and geometric peculiarities, their classification with respect to the method of solid discharge, and other specific studies carried out on these types of centrifuges. It is a device with high flexibility, robustness, and processing capacity, primarily used for cell harvesting/separation and clarification of fermentation broths for the recovery of both biomass in the solid phase and metabolites contained in the supernatant, among other applications. The success of subsequent recovery/purification operations and processes from a technical and economic point of view will depend on its optimal and favorable operation. However, the use of disk stack centrifuges to process shear-sensitive biological material will require further study to ensure successful harvesting without compromising its integrity, biological activity, and yield.

Keywords: centrifugation; disk stack centrifuges; scale-up; scale-down; Sigma theory; operation; evaluation

Introducción

La centrifugación es empleada en un variado número de aplicaciones de bioprocesos, entre las cuales se incluyen la clarificación de soluciones a partir de la producción de hormonas, vacunas y enzimas; cosecha de cultivos bacterianos; y la concentración y separación de fracciones de sangre. Las centrífugas típicas usadas para tales aplicaciones son las de diseños de tazón tubular utilizadas en procesos de bajos volúmenes, las decantadoras usadas cuando las concentraciones de los sólidos en el alimentado son elevadas (p. ej. separación de aguas residuales) y las centrífugas de discos ⁽¹⁾.

Las centrífugas de discos son empleadas fundamentalmente para la clarificación o concentración de caldos de cultivo provenientes de fermentaciones comúnmente realizadas en la industria biofarmacéutica. La remoción de biomasa mediante la centrifugación continua es uno de los métodos estándar usados en los procesos que conllevan fermentaciones microbiológicas ⁽²⁾.

Las centrífugas de discos son alimentadas continuamente, aunque la descarga de sólidos se realiza ya sea periódicamente o continuamente. En este caso, una corriente de alimentación es alimentada hacia el tazón de la centrífuga mientras éste rota a una elevada fuerza g. Las diferencias de densidad impulsan a las células hacia la periferia del tazón, en donde se acumulan en el espacio de sólidos, mientras que el sobrenadante libre de células fluye hacia arriba del juego de discos auxiliado por una bomba centrípeta, en donde es colectado para el procesamiento posterior. Se aplica una contrapresión al sobrenadante para asegurar la operación hidrohermética y que el tazón de la centrífuga se mantenga lleno ⁽¹⁾.

Para el caso de la separación líquido-líquido, la centrífuga de discos es un tipo de centrífuga de sedimentación que utiliza un tazón rotando a elevada velocidad para completar la separación, en donde existen múltiples capas de discos dentro del tazón. El espacio entre los discos adyacentes constituye el canal de separación. El líquido presente en el canal de separación genera un campo de fuerza centrífugo fuerte debido a la acción de la rotación del tazón a elevada velocidad, permitiendo que se obtengan dos líquidos inmiscibles de densidades diferentes bajo diferentes fuerzas centrífugas, logrando así la separación liquido-liquido en el canal de separación del tazón. Tiene las ventajas de su pequeño tamaño y elevada eficiencia de separación, por tanto, es ampliamente usada en las industrias de protección ambiental, biofarmacéutica, alimenticia y química ⁽³⁾.

Para Boychyn et al. ⁽⁴⁾ la centrífuga de discos es ampliamente usada en la industria biotecnológica para efectuar el recobrado de células, debris celular, cuerpos de inclusión y precipitados, etc. Sus características claves incluyen la presencia de un juego de discos cónicos en los cuales ocurra gran parte de la separación, así como también su habilidad para realizar descargas intermitentes. Usualmente realiza buena clarificación, pero una deshidratación relativamente pobre comparada con las centrífugas de tazón sólido tales como las tubulares o las de tazón multicámaras.

La deshidratación no es tan eficiente en las centrifugas de discos comparado con otros métodos de centrifugación, tales como los dispositivos de tazón tubular, ya que los sólidos son eyectados en forma de lechada, trayendo consigo etapas adiciones de procesamiento downstream ⁽⁵⁾.

La Figura 1 muestra una centrífuga de discos instalada actualmente en una industria biotecnológica cubana, la cual se emplea fundamentalmente para la cosecha de la bacteria Tsukamurella paurometabola durante el proceso de producción del bionematicida HeberNem^Ò, y la cosecha de la levadura Pichia pastoris como etapa del proceso de producción de la vacuna Gavac^Ò.

Figura 1. Centrífuga de discos instalada en una empresa biotecnológica cubana

Joseph et al. ⁽⁶⁾ mencionan que la centrifugación con discos de flujo continuo es a menudo usada para cosechar procesos con cultivo de células a escala comercial debido a su robustez y costos de operación relativamente bajos. La descarga intermitente suministrada por la centrífuga de discos permite la remoción de una cantidad considerable de células y una elevada cantidad de debris celular en una operación semicontinua. Sin embargo, una de las desventajas de la centrifugación con discos es que en muchos diseños las células entran a la centrífuga a través de una zona de alimentación en donde existen niveles altos de cizallamiento, los cuales pueden dañar las células de mamíferos sensibles al esfuerzo cortante, trayendo consigo la generación de partículas a niveles de submicrón que se transportan hacia el sobrenadante. Estas partículas finas pueden ocasionar el ensuciamiento subsiguiente de los procesos cromatográficos posteriores, trayendo consigo elevadas presiones en la columna, así como también la reducción de su tiempo de vida y su eficiencia.

La clarificación de caldos de cultivo de células es la primera etapa en la purificación de material biológico. Las partículas sólidas y debris celular son removidas, y el material resultante es procesado a través de filtros de 0,2 mm en la preparación para las etapas de cromatografía de afinidad primarias. Típicamente, la clarificación involucra ya sea la filtración de profundidad de dos etapas o la centrifugación seguida de la filtración de profundidad de una etapa. Se ha reportado que, aunque los filtros de profundidad basados en celulosa de dos etapas son una tecnología de clarificación ya establecida, el costo asociado y las restricciones de espacio limitan los procesos que utilizan solamente la filtración a profundidad a volúmenes de cultivo de 4 000 L. Para capacidades más grandes, los biofabricantes prefieren emplear una centrífuga de discos para la primera etapa de clarificación ⁽⁷⁾.

En la industria cervecera, las centrífugas tienen un número de aplicaciones, tales como ⁽⁸⁾:

• Cosecha de cultivos de levadura no floculantes al final de la fermentación primaria.
• Reducir la cantidad de levadura presente en la cerveza “verde” antes del inicio de la fermentación secundaria.
• Recobrado de la cerveza desde la levadura cosechada.
• Separación del sedimento caliente después de la cocción del mosto.
• Remoción del sedimento frío y levadura al final de la maduración.

En ⁽⁹⁾ se examinan y discuten brevemente el empleo de la centrífuga de discos para lograr los procesos combinados de cosecha de células, disrupción celular y separación de aceite en la industria de las microalgas. Según estos autores, las centrífugas de discos, a pesar de que son aptas para efectuar la separación de los tamaños de partículas y concentraciones usualmente encontradas en las suspensiones de microalgas, tienen un consumo de energía muy alto para ser usadas adecuadamente en la producción de biodiesel a partir de algas en vez de productos de algas comerciales de mayor valor. Estos autores también indican que se ha demostrado que las centrífugas de discos causan daño celular en las levaduras, mientras que el cálculo de los tamaños de micro-remolinos sugiere que las células de las algas pudieran ser dañadas también. Por último, sugieren que, si la fractura de las células de algas es suficiente para liberar aceite, resulta posible que una centrífuga de discos operando como un separador sólido/líquido/líquido pueda lograr, o ser diseñada para lograr, la destrucción de células, separación de aceite y la separación de la biomasa de las algas en una sola operación.

Felfoul y Lopez ⁽¹⁰⁾ refieren que la separación mediante centrífugas de discos es ampliamente usada en la industria láctea para separar los componentes de la leche bovina, mediante la fuerza centrífuga, obteniendo una crema rica en glóbulos de grasa y una fase acuosa de alta densidad generalmente referida como leche descremada, la cual contiene una cantidad muy pequeña de grasa (por debajo de 1,5 g/kg de leche descremada bovina).

Márquez y Maza ⁽¹¹⁾ señalan que, en el proceso de elaboración de aceite de oliva extra virgen, el agua y las impurezas sólidas tienen que ser removidas de la fase aceitosa para evitar la pérdida de aceite y la consiguiente reducción de su calidad mediante procesos de fermentación y oxidación. Esta operación de limpieza usualmente se lleva a cabo en la etapa de clarificación, siendo la centrifugación mediante centrífugas de discos el método de clarificación más utilizado en la gran mayoría de las fábricas productoras de aceite de oliva. Estos autores también indican que la efectividad de la separación está condicionada por las características del aceite de oliva extra virgen y aquellas variables tecnológicas que lo afectan, tales como la relación agua/aceite y sus temperaturas.

En Zhang et al. ⁽⁵⁾ se indica que debido a su naturaleza continua y elevada área superficial de separación, las centrifugas de discos son capaces de procesar grandes volúmenes de cultivos de alta densidad celular en un tiempo relativamente corto. La aplicación de caudales de hasta 20 000 L/h pudiera ser ventajoso para cosechar elevados volúmenes de mosto para la industria de la carne cultivada. También se infiere que el daño por cizallamiento puede resultar en la lisis celular y la liberación de impurezas no deseadas tales como proteínas celulares. En el contexto de la carne cultivada, la lisis celular es indeseable ya que reduce la viabilidad celular total e impacta potencialmente en la formulación y calidad del producto final. Estos autores indican que las centrifugas de un solo uso tales como GEA kytero^® y Alfa Laval CultureOne™ son potencialmente factibles de utilizar en la industria de la carne cultivada debido a que generan bajos niveles de cizallamiento, aunque su naturaleza de un solo uso pudiera prohibir su implementación por motivos de costo y sostenibilidad.

En la actualidad existen algunos trabajos de revisión relacionados con la centrifugación y las centrífugas de discos, específicamente con respecto a la aplicación de centrífugas en la industria farmacéutica ⁽¹²⁾; el uso de centrífugas de discos en la industria de aceite de oliva virgen ⁽¹³⁾ y el diseño, operación y características de los métodos y equipamiento típico usado en la cosecha de cultivos celulares a escala industrial, incluyendo un acápite dedicado a las centrífugas de discos ⁽¹⁴⁾. Sin embargo, para conocimiento de los autores no existe un artículo de revisión exhaustivo dedicado específicamente a las centrífugas de discos, el cual maneje temáticas relacionadas con su operación, clasificación, evaluación, escalado, correlaciones que las caracterizan, y otros tópicos de interés.

En este contexto, el presente estudio de revisión tiene como objetivo recopilar información actualizada relacionada con las centrífugas de discos, con respecto a su clasificación, formas de operación, ecuaciones que las caracterizan, características operacionales y geométricas, evaluaciones realizadas sobre estas centrífugas para diferentes aplicaciones y procesos tanto a escala piloto como industrial, estudios de escalado y scale-down, así como otras investigaciones específicas.

Materiales y métodos

La presente investigación bibliográfica se dividió en tres fases, relacionadas con el análisis bibliométrico de los tópicos que se tendrán en cuenta para elaborar el artículo, los cuales son:

• Evidencias bibliográficas relacionadas con la operación de las centrífugas de discos y los tipos disponibles actualmente en dependencia de la forma que descargan la fase sólida.
• Características operacionales y geométricas, y correlaciones que definen y caracterizan estos equipos.
• Funciones de proceso de las centrífugas de discos y los diferentes estudios que han evaluado estas centrífugas tanto a escala piloto como industrial.
• El escalado y scale-down de las centrífugas de discos, y otros trabajos donde se han realizado estudios específicos sobre diversas temáticas relacionadas con estas centrífugas.

Para desarrollar todas estas temáticas de investigación, la metodología PRISMA (en inglés: Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses) fue aplicada hasta la Fase 3 con el objetivo logar una evaluación rápida, eficiente y transparente de los artículos científicos recopilados ⁽¹⁵⁾. Este método PRISMA complementa el análisis sistemático y metódico, y toma en cuenta frases de búsqueda investigativas específicas para explorar el contenido y metodologías aplicadas por los investigadores y científicos con respecto a la temática que se desea estudiar. Para efectuar la búsqueda y recopilación de los documentos, se hizo uso de artículos publicados bajo bases de datos específicas tales como Scielo, Redalyc, Scopus y Web of Science, con el fin de verificar el avance y actualidad de la investigación científica basada en los tópicos a tratar en este trabajo. Este proceso de búsqueda fue realizado entre enero y marzo de 2025 y rindió 72 documentos todos en idioma inglés.

Resultados y discusión

• La operación de centrífugas de discos

La centrífuga de discos es una centrífuga de tazón sólido que es empleada para la clarificación mecánica y separación de mezclas consistente en sólidos y líquidos. Pueden ser operadas en forma semicontinua o continuamente, en dependencia de la descarga de sólidos. La separación está basada en la sedimentación de la fase dispersa más pesada específica contenida en la fase continua más ligera debido a la acción de la fuerza centrífuga. Los principales componentes del separador son el tazón y el juego de discos en su interior (Fig. 2).

Figura 2. Ilustración esquemática del tazón una centrífuga de discos (16)

El juego de discos consiste en varios discos cónicos los cuales son colocados uno encima de otro. La distancia entre los discos es mantenida mediante espaciadores finos soldados en forma de costillas o puntos. El elevado número de discos y su forma cónica trae consigo un incremento del área superficial disponible para la separación de las partículas. La fuerza centrífuga requerida para el proceso de separación es inducida por la rotación de los discos y del tazón. El alimentado fluye centralmente hacia el aparato y es acelerado suavemente por los distribuidores hasta la máxima velocidad rotacional. En la abertura anular exterior, el flujo de producto se divide dentro de las aberturas de los discos individuales. La separación ocurre tanto en la abertura anular exterior y dentro de las aberturas de los discos. En las aberturas de los discos, las partículas se mueven hacia el disco superior debido a su mayor densidad bajo la influencia del campo centrífugo y son separadas allí. Debido a la fuerza centrífuga, las partículas separadas se mueven hacia atrás con dirección hacia la abertura anular exterior y se acumulan en el área o dominio de lodos. Mientras tanto, el líquido clarificado fluye desde el juego de discos hacia la abertura anular interior y abandona el aparato desde allí ⁽¹⁶⁾.

Existen tres tipos de centrífugas de discos que se clasifican en dependencia de las diferentes variantes utilizadas para la descarga de sólidos, siendo estas las siguientes: discontinua (remoción manual de los sólidos separados), semicontinua (abertura periódica de los puertos de lodo para su vaciado) o completamente continua (separadores de boquilla) ⁽¹⁶⁾. En la variante discontinua los sólidos se acumulan en la periferia del tazón hasta que el tazón está casi lleno, lo cual se evidencia por el incremento de la turbidez del líquido sobrenadante que fluye desde la centrífuga. En este punto, la centrífuga necesita ser detenida para remover los sólidos acumulados en su interior de forma manual.

El contenido de solidos del alimentado requiere ser relativamente bajo (0-1% vol.) con el fin de que el tiempo inactivo para la remoción de sólidos no se vuelva excesivo. En el modo semicontinuo, el tazón es abierto intermitentemente para permitir que los sólidos sean descargados a través de puertos localizados en la periferia. El contenido de sólidos del alimentado puede estar en el rango de 0-10% vol. para la descarga intermitente, mientras que los sólidos que salen pueden ser poco fluidos. Para la operación continua, las boquillas son ubicadas en la periferia de la centrífuga, y el contenido de sólidos del alimentado pueden estar en el intervalo de 6-25% vol. Los sólidos que salen por las boquillas son fluidos. Las boquillas son distribuidas alrededor de la periferia de la centrífuga y su número oscila desde 12 hasta 24, en dependencia del tamaño de la centrífuga ⁽¹⁷⁾.

• Características operacionales y geométricas de las centrífugas de discos

Según Leung ⁽¹⁸⁾, el ángulo inclinado (con respecto al eje vertical) del juego de discos en una centrífuga de discos es típicamente 35 grados – 45 grados. El número de discos oscila en cualquier número entre 50 discos y 300 discos, en donde las cantidades varían entre los diferentes tamaños y diseños de las centrífugas de discos. La aceleración centrífuga oscila entre 5 000 g y 15 000g. En cuanto al espaciados entre discos adyacentes, este oscila entre 0,32 mm hasta 1 mm. Por otro lado, el procesamiento de levadura con un contenido de sólidos en el alimentado de 30 % en volumen necesita un espaciado mayor de 1 mm, mientras que un espaciado más estrecho de 0,5 mm es el adecuado para el procesamiento de Escherichia coli y lisado con una concentración de sólidos menor en el alimentado. Un espaciado de discos de 0,32 mm o aún tan bajo como 0,25 mm puede ser empleado para procesar un caldo de células de mamíferos bajo una concentración de sólidos en el alimentado de 3 % – 4 %.

La centrífuga tiene que estar totalmente contenida y sellada para favorecer la integridad del producto y la seguridad del operario. Debe tener sellos doble axiales en el pivote del tazón para prevenir la ocurrencia de filtraciones. En algunos diseños, los sellos son enfriados y lubricados con agua, especialmente para soportar las elevadas temperaturas y presiones de esterilización. Usualmente, el tazón de la centrífuga tiene una chaqueta donde se le hace circular agua de enfriamiento para asegurar el control de temperatura durante la separación sólidos-liquido, especialmente durante el procesamiento de material biológico sensible a la temperatura. En cuanto a la demanda de agua por parte de estas centrífugas, esta se necesita en la chaqueta del tazón para enfriar el material que se está centrifugando, así como también en los diseños de sello hermético, sellos axiales, un ciclón con chaqueta de enfriamiento (en algunos diseños), y en los mecanismos hidráulicos de abertura y cierre del rotor en los equipos con descarga intermitente. Por último, los tazones con chaquetas de enfriamiento son necesarios para asegurar que la emisión de ruido esté por debajo de los 80 decibelios, con el fin de cumplir con los estándares industriales.

De acuerdo con Häggmark y Königsson ⁽¹⁹⁾ la aceleración centrífuga relativa en la región por fuera de los discos está típicamente en el intervalo de 5 000 g – 15 000g (49 100 m/s² – 147 300 m/s²) para centrífugas de discos industriales usadas en el campo de la tecnología de bioprocesos, mientras que la velocidad de sedimentación oscila típicamente entre 10^-9 m/s hasta 10^-6 m/s.

Ecuaciones y correlaciones representativas de la centrífuga de discos

Según Felfoul y Lopez ⁽¹⁰⁾ el principio básico detrás de una centrífuga de discos radica en la separación de diferentes componentes contenidos en una mezcla basada en la diferencia de densidad (ej. células y agua o gotas de aceite y agua) y el tamaño. Esto se logra girando un tazón que contiene la mezcla a elevada velocidad, lo cual genera una fuerza centrífuga. La velocidad a la cual las partículas esféricas son separadas del fluido en el separador centrífugo es calculada usando la ley de Stokes.

Uno de los métodos sugeridos para describir el proceso de clarificación en una centrífuga es la teoría Sigma o concepto de área de sedimentación el cual se basa en la ley de Stokes y define la velocidad de sedimentación de una partícula debido a la gravedad.

La elección de una centrífuga y su diseño está basada a menudo en la experiencia del fabricante y métodos analíticos altamente simplificados, tales como la teoría Sigma, la cual expresa el desempeño y rendimiento del separador en términos de área equivalente de un tanque de sedimentación y el volumen ⁽¹⁶⁾.

De acuerdo con Häggmark y Königsson ⁽¹⁹⁾, la velocidad de sedimentación de Stokes de una partícula sólida en el campo de fuerza gravitacional se calcula mediante la siguiente ecuación:

(1)

Dónde:

– Diámetro de la partícula.

– Diferencia de densidad entre la partícula sólida y la fase líquida.

– Viscosidad dinámica Newtoniana de la fase líquida.

– Aceleración de la gravedad = 9,82 m/s².

La modificación de la ecuación (1) calcula la velocidad de sedimentación de una partícula en un campo centrífugo, la cual se muestra a continuación ⁽²⁰⁾:

Dónde:

– Volumen de material de proceso en el tubo de laboratorio (m³).

– Radio interior (distancia entre el centro de rotación y el tope del líquido) (m).

– Radio exterior (distante entre el centro de rotación y el fondo del tubo) (m).

– Tiempo fraccional requeridos para la aceleración.

– Tiempo fraccional para la desaceleración.

– Aceleración de la gravedad = 9,82 m/s².

Esta metodología es desarrollada para material de alimentación con alto contenido de sólidos, por lo cual resulta necesario superar el fenómeno de la sedimentación entorpecida (en inglés hindered settling) en aras de obtener una buena comparación entre la clarificación a escala de laboratorio con aquella observada a escala piloto ⁽⁴⁷⁾.

La sedimentación entorpecida comienza a ocurrir cuando la concentración de sólidos es elevada. A medida que la concentración de sólidos se incrementa, la tasa de sedimentación de las partículas decrece debido al incremento de las fuerzas interpartículas. Las partículas que sedimentan más lento serán estorbadas por aquellas que están por debajo de ellas. Esto es particularmente observado en el espacio confinado de una centrífuga de laboratorio. Si existe una concentración de sólidos muy elevada puede ocurrir la sedimentación “blanket”, que surge cuando las partículas sedimentan todas a la misma velocidad y forman un floculo grande que barre las partículas finas en el líquido. Esto conduce a una sobrepredicción en la escala de laboratorio con respecto a lo observado en la centrífuga de flujo continuo de escala piloto.

Sin embargo, debido al elevado esfuerzo cortante en la zona de alimentación y el tiempo de residencia corto en el tazón de la centrífuga, se cree que los flóculos no tienen tiempo suficiente para reformarse y por tanto la sedimentación entorpecida no constituye una preocupación principal a escala piloto. Esto no es el caso de la escala de laboratorio donde la longitud de tiempo entre el material bajo cizallamiento y la clarificación pudiera ser suficiente para que los flóculos se reformen y ocasionen la aparición de sedimentación entorpecida, lo cual incrementa por consiguiente el rendimiento de clarificación en la escala de laboratorio comparada con la escala piloto bajo una condición de separación equivalente ⁽⁴⁷⁾.

En un estudio pionero ⁽⁴⁹⁾ describió las ecuaciones de movimiento para las partículas sólidas en una centrífuga de discos usando los perfiles de velocidad líquida de Bohman y se dedujeron los procedimientos de escalado correspondientes para el gráfico de eficiencia. En este estudio se encontró que, para centrífugas geométricamente similares usando los mismos sistemas (esto es, mismo líquido y sólido), la eficiencia de separación es una función de tres variables adimensionales en lugar de una sola.

Asimismo, Mannweiler y Hoare ⁽⁴³⁾ examinaron como el desempeño de la separación en una centrífuga de discos de escala industrial puede ser evaluado usando cantidades relativamente pequeñas del fluido del proceso. Esto necesita el scale-down de la centrífuga de discos, en donde una de las vías examinadas en este estudio para lograr esto es mediante la reducción de la proporción activa de los discos disponibles para efectuar la separación deseada. Se demostró que una centrífuga de discos puede ser scaled-down hasta un 10 % de su área de separación disponible total en aras de examinar el recobrado de partícula, mientras que si la centrífuga será empleada para un recobrado de partícula casi completo (> 90 %), como es el caso normal, entonces la predicción de la capacidad de procesamiento será solamente ligeramente subestimada (< 1 %).

Maybury et al ⁽²⁰⁾ describieron un método para el scale-down de una centrífuga de discos con un número reducido de discos de separación y también de la acumulación de líquido y solido en el tazón de la centrífuga, con el objetivo de permitir que exista un volumen reducido de material de proceso para el estudio de clarificación deseado. En este estudio se emplearon suspensiones de partículas de acetato de polivinilo y levadura panadera como fluidos de alimentación a la centrífuga, obteniendo como resultado que las curvas de eficiencia de grado producidas mediante las variantes scaled-down siguieron cercanamente las curvas de la máquina con todos los discos activos. Esto trajo consigo la obtención de sobrenadantes con la misma distribución de tamaño de volumen y concentración cuando se empleó la metodología scaled-down para imitar la operación a gran escala.

Tustian et al ⁽⁴⁶⁾ aplicaron un método novedoso de USD para predecir con exactitud el comportamiento de clarificación a gran escala de alimentados celulares (Escherichia coli W3110 y Saccharomyces cerevisiae) con contenido de sólidos en exceso del 10 % (m/v). La metodología presentada en este estudio tiene como objetivo lograr un método genérico e industrialmente factible para la predicción del desempeño de la clarificación de tales células y verificar el método de USD aplicado mediante su comparación con datos de centrifugación a escala piloto utilizando una centrífuga de discos.

Berrill et al ⁽⁴⁷⁾ utilizaron un modelo de scale-down predictivo que permite la optimización rápida de las condiciones de operación para la floculación seguida de una etapa de centrifugación usando solamente pequeños volúmenes (20 mL) de extracto de E. coli con alta densidad de sólidos (~ 20 % m/m). Los resultados sugirieron que la adición de elevados niveles de un polímero catiónico puede incrementar sustancialmente la fortaleza de las partículas floculadas, mejorando por tanto el rendimiento de clarificación global en una centrífuga de escala industrial, lo cual fue verificado por medio de una centrífuga de discos de escala piloto.

En ⁽²⁶⁾ se propuso una metodología para la determinación rápida de las condiciones de operaciones adecuadas para el recobrado centrífugo de caldos de fermentación de alta densidad celular. También se presentó un método de ultra scale-down para la predicción de los niveles de clarificación y deshidratación logrados en un rango de centrífugas típicas de alta velocidad. También, junto con una herramienta de visualización, denominada Ventana de Operación, este método suministra un análisis rápido del desempeño de separación y evaluación de las condiciones de operación disponibles, como una ayuda en la selección del equipamiento de centrifugación más apropiado para un proceso determinado. Este estudio examinó centrífugas de disco semicontinuas y máquinas operadas por lote tales como tazones multicámaras y CarrPowerfuges^Ò, mientras que el método fue demostrado procesando cultivos de Pichia pastoris de elevada densidad celular.

En ⁽²¹⁾ se aplicó una metodología de USD para la clarificación de caldo celular con centrífugas industriales en dos líneas celulares comunes (NSO y GS-CHO) que expresan varios anticuerpos monoclonales terapéuticos. Se encontró que la metodología USD aplicada fue efectiva en tomar en cuenta tanto los esfuerzos de corte como gravitacionales en el desempeño de la clarificación con tres centrífugas de disco continuas a escala piloto e industrial. También, se observaron diferentes respuestas al corte con las dos líneas celulares diferentes y aún en la misma línea celular expresando diferentes productos.

En Lopes y Keshavarz-Moore ⁽⁴⁴⁾ se estudió el desarrollo de un método de USD de pequeña escala (< 50 mL) para predecir los niveles de deshidratación en un rango de centrífugas a escala piloto usualmente utilizadas en la industria biofarmacéutica, las cuales fueron una centrífuga de tazón tubular y centrífuga de discos, involucrando el empleo de suspensiones de levadura panadera en la experimentación y verificación inicial. Ambos tipos de centrífugas tuvieron descarga intermitente de sólidos. Luego, este método de USD novedoso fue aplicado para predecir le deshidratación de un caldo de fermentación fresco de Pichia pastoris usando el mismo tipo de equipamiento de escala piloto. Finalmente, las variables tiempo de residencia, fuerza centrífuga relativa y altura de sólidos fueron empleadas para el desarrollo de la metodología de USD para imitar la deshidratación a lo largo de un rango de tipos de centrífugas y caudales de alimentación.

Stoffels et al ⁽⁴⁵⁾ utilizaron dos centrífugas de discos para estudiar la cosecha de células de la microalga Chlamydomonas reinhardtii cepa TN72. También aplicaron una plataforma de USD para examinar además el procesamiento de la microalga con el objetivo de establecer ventanas de operación para su posterior escalado. En este estudio, el recobrado de sólidos excedió el 99,5 %, mientras que la pérdida de producto (antibiótico basado en proteína, ABP) en el sobrenadante estuvo por debajo de 2 % -3 %. También se observó que la cepa TN72 es intacta seguido de las elevadas condiciones de cizallamiento de la zona de alimentación, sin embargo, la descarga en ambas centrífugas trajo consigo la ruptura celular completa y, para el caso del ABP, ocurrió su degradación parcial en las horas subsiguientes. Se encontró que las metodologías de USD pueden predecir la eficiencia de clarificación en la liberación de producto debido a las fuerzas de cizallamiento en la entrada de la centrífuga. Sin embargo, la centrifugación USD no puede predecir la ruptura celular en la descarga.

En Boychyn et al ⁽⁴⁾ se empleó la DFC para modelar las elevadas fuerzas de flujo en la zona de alimentación de una centrífuga de tazón multicámara y reproducir estas en un separador de discos pequeño de elevada velocidad de rotación. La conexión del dispositivo con la centrifugación scale-down permitió la buena estimación del rendimiento y comportamiento de varias centrífugas de flujo continuo (de discos, tazón multicámara y CARR Powerfuge^Ò) para el procesamiento precipitados de proteínas sensibles al esfuerzo cortante. Finalmente, y de manera importante, el rendimiento y comportamiento de la centrífuga de tazón multicámara de escala productiva fue predicho con más exactitud por el proceso de scale-down que el de escala piloto.

Joseph et al ⁽⁶⁾ aplicaron una técnica scale-down basada en el uso de un dispositivo de esfuerzo cortante y una centrífuga de escala de banco para obtener una metodología preparativa que pronostique satisfactoriamente el rendimiento de una centrífuga continua y filtros de pulido. El uso de esta metodología permitió evaluar los efectos de las condiciones de cultivo celular y los parámetros de los procesos de centrifugación a gran escala en el rendimiento de la filtración subsiguiente en una etapa temprana del desarrollo de proceso donde la disponibilidad de material es limitada.

Finalmente, Felber ⁽⁴⁸⁾ desarrolló un proceso a escala de laboratorio que imita las características de proceso de una centrífuga de discos de escala industrial. El diseño de este proceso de escala de laboratorio fue realizado mediante una técnica de USD el cual se basó en un estudio de la literatura y la simulación del flujo en el proceso de separación.

Para Tustian et al ⁽⁴⁶⁾ el scale-down de procesos industriales es una herramienta valiosa para minimizar el tiempo y costo requerido para el desarrollo de bioprocesos. La habilidad para predecir el rendimiento y desempeño de procesos a gran escala, usando equipamiento de escala de laboratorio, es importante para asegurar la evaluación rápida del proceso y por consiguiente del desarrollo rápido de exitosas operaciones a escala industrial. Los estudios recientes se han enfocado en el concepto del USD y su habilidad para predecir con exactitud el desempeño de operaciones a escala industrial usando cantidades en mililitros de material de proceso en combinación con la modelación matemática y ventanas de operación.

• Otros estudios

En ⁽¹⁹⁾ se consideró la caracterización reológica de la fase sólida en centrífugas de discos aplicadas en la bio-industria, en donde se investigaron tres propiedades discriminatorias de la fase de sólidos: velocidad de sedimentación de la partícula, ángulo de reposo y la viscosidad de la fase de sólidos. La caracterización reológica resultante puede ser usada para propósitos de diagnóstico en el proceso de selección de las centrífugas industriales y para la optimización del manejo de solidos de la centrífuga en el procesamiento de biomasa de sistemas en suspensión.

König et al ⁽²³⁾ visualizaron el proceso de separación dentro de la abertura del disco superior de una centrifuga de discos con un tazón superior transparente usando una cámara de alta velocidad. También analizaron y determinaron la influencia de los parámetros de la geometría del disco en el caudal y la separación de partícula mediante el procesamiento de imagen y las áreas de clarificación sin usar, llegando a la conclusión que la relación del área de clarificación sin usar es significativa, mostrando además que el potencial existente para incrementar el área de clarificación equivalente en estas centrífugas radica en el uso eficiente del área de clarificación que ya se encuentra disponible en los discos.

Muralidharan et al ⁽⁷⁾ discuten tres métodos para la evaluación del esfuerzo cortante en una centrífuga de discos en función del diseño de la centrífuga y los parámetros operacionales: la longitud del remolino, velocidad periférica y los modelos de disipación de potencia. Además, estos autores ilustran el espacio de diseño operacional para una centrífuga de discos, mostrando un balance entre la capacidad de sedimentación de la partícula y el esfuerzo constante.

En Dong et al ⁽³⁾ se estudió el proceso de flujo de dos fases (oleosa y acuosa) dentro de una centrífuga de discos y se exploró el proceso de fragmentación y acumulación de las gotas de agua. Para llevar a cabo esta investigación se empleó el Modelo de Balance de Población con el objetivo de simular numéricamente el flujo de dos fases de aceite y agua en la centrífuga de discos y comparar sus resultados con los ensayos realizados. Se encontró que, con el incremento de la velocidad rotacional, la eficiencia de separación se incrementa tanto en los ensayos como la simulación numérica, existiendo una diferencia entre los ensayos y la simulación por debajo del 1%. También la coalescencia de las gotas de agua ocurrió principalmente en el canal de separación, según se encontró mediante el análisis de las leyes del flujo interno en la centrífuga de discos, lo cual suministra las bases para mejorar la estructura de la centrífuga de discos, incrementar la eficiencia de separación y reducir el espacio del piso.

Finalmente, en ⁽⁵⁰⁾ se midieron las vibraciones de una centrífuga de discos y aplicaron técnicas de Machine Learning (ML) para detectar si el separador contiene solo agua o si existen partículas presentes. También se combinaron siete algoritmos de clasificación de ML con tres estrategias de ingeniería y evaluaron satisfactoriamente su modelo con datos de vibración en una centrífuga de discos experimental.

Conclusiones

La presente revisión proporciona una comprensión integral y profunda acerca de la importancia de las centrífugas de discos en la industria de procesamiento química, farmacéutica, alimenticia y biotecnológica. También examina diversos tópicos relacionados con las centrífugas de discos, entre los cuales se pueden mencionar su operación, tipos, características operacionales y geométricas, las correlaciones y ecuaciones que las representan, su evaluación para diferentes tipos de procesos y operaciones, los métodos de escalado y scale-down empleados para predecir su desempeño y rendimiento, y otros estudios específicos realizados sobre estos tipos de centrífugas. Lo anterior se realizó mediante una revisión exhaustiva y sistémica de la literatura disponible relacionada con estas temáticas.

La centrífuga de discos ha sido aplicada no solo para separar sólidos/líquidos sino además líquidos/líquidos entre sí mediante el uso de elevadas fuerzas centrífugas en un proceso continuo, cuya descarga de la fase sólida puede ser manual, intermitente o continua. La naturaleza continua de las centrífugas de discos permite el procesamiento de volúmenes elevados de material de alimentación sin que ocurra su atascamiento o atoramiento. Sin embargo, la habilidad de deshidratación decreciente de la operación de descarga continua puede conducir a elevadas pérdidas de producto y un incremento de los sólidos escapando en la corriente de sobrenadante cuando se compara con la operación de descarga intermitente o semicontinua.

Una preocupación potencial relacionada con la cosecha de cultivos de células de mamíferos es el impacto del cizallamiento o esfuerzo cortante sobre la clarificación, ya que en particular la centrífuga de discos puede introducir un ambiente de elevado cizallamiento que puede llegar a ser destructivo para las células de mamíferos, conduciendo por tanto a la aparición de impurezas en las operaciones de purificación posteriores, así como también problemáticas latentes en la calidad del producto global. A pesar de que menores caudales de alimentación a menudo se traduce en una mayor separación, esto puede llegar a incrementar la lisis celular debido a mayores tiempos de residencia en la zona de alimentación. Por tanto, se recomienda encontrar un balance entre la velocidad de rotación de la centrífuga de discos y el caudal de alimentación. La DFC ha demostrado ser un elemento clave en el desarrollo del rango óptimo de operación y puede jugar un rol mayor en la optimización de proceso de sistemas complejos tales como las centrífugas de discos.

El proceso de escalado de las centrífugas de discos tiene como objetivo modelar la eficiencia de clarificación basadas en el caudal de alimentación, velocidad rotacional y tamaño de la centrífuga. El método principal de modelación de la centrífuga de discos es mediante el concepto de la teoría Sigma, la cual se basa en el caudal y a lo que se refiere como el área de sedimentación equivalente o factor Sigma, que toma en cuenta la geometría de la centrífuga y las velocidades de rotación. A pesar de la ayuda potencial del factor Sigma, el escalado de centrífugas de discos se mantiene como un desafío considerable debido a la ausencia de modelos a escala de banco.

Para aplicaciones a escala industrial con volúmenes de caldo de cultivo superiores a los 5 000 L, las centrífugas de discos son a menudo la única opción debido a su elevada capacidad de procesamiento, robustez y flexibilidad de operación. Las centrífugas de discos se mantendrán probablemente como el método de cosecha más popular y de uso extensivo en la industria biofarmacéutica en aquellas etapas de cosecha que conlleven el procesamiento de elevados volúmenes de caldos de fermentación.

Contribuciones de los autores: Conceptualización, A.P.S. y R.M.S.S..; Metodología, A.P.S., R.M.S.S. y E.E.B.F.; Software, A.P.S.; Validación, A.P.S., E.E.B.F. y L.C.A.A.; Análisis formal, R.M.S.S., E.E.B.F., L.J.G., y L.T.A.L.; Investigación, A.P.S., R.M.S.S., E.E.B.F., L.C.A.A., L.J.G., L.T.A.L.; Recursos, A.P.S., R.M.S.S., y E.E.B.F.; Curación de datos, A.P.S., R.M.S.S:, y L.T.A.L.; Redacción—preparación del borrador original, E.E.B.F., L.C.A.A., L.J.G., y L.T.A.L.; Redacción—revisión y edición, A.P.S., y R.M.S.S.; Visualización, L.J.G. y L.T.A.L.; Supervisión, A.P.S.; Administración del proyecto, A.P.S., y R.M.S.S.; Adquisición de fondos, A.P.S., L.J.G., y R.M.S.S. Todos los autores han leído y aprobado la versión publicada del manuscrito.

Financiamiento: Esta investigación no recibió financiamiento externo.

Conflicto de intereses: Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

Agradecimientos: Los autores del manuscrito desean reconocer y agradecer la ayuda de operarios y tecnólogos que laboran en el Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología de Camagüey por sus valiosas contribuciones y recomendaciones con el fin de actualizar y mejorar este manuscrito.

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| Received: [30 abril 2026]  | Accepted: [12 junio 2026]  | Published: [15 septiembre 2026]  |

Citation: Pérez, A;  Segura, R;  Bover, E;  Arias, L;  Jiménez, L;  Álvarez, L. Las centrífugas de discos: una revisión global Bionatura. 2026. Volumen 11, No 2. https://doi.org/10.70373/RB/2026.11.02.6

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