Zentrifuge

Grundidee und Zweck

Eine Zentrifuge ist ein technisches Gerät zur Stofftrennung. Sie nutzt die Massenträgheit und die bei einer gleichförmigen Kreisbewegung auftretende Zentrifugalkraft. Dadurch lassen sich Bestandteile von Suspensionen, Emulsionen und Gasgemischen voneinander trennen. Eine Suspension ist ein Gemisch aus einer Flüssigkeit und darin verteilten Feststoffteilchen; eine Emulsion besteht aus nicht dauerhaft mischbaren Flüssigkeiten.

Zentrifugen beschleunigen Trennvorgänge, die unter der Wirkung der Schwerkraft nur langsam ablaufen würden oder wegen Adhäsion, thermischer Molekularbewegung oder Viskosität gar nicht möglich wären. Neben der Stofftrennung dienen große Humanzentrifugen dazu, die Beschleunigungskräfte auf Piloten und Raumfahrer zu simulieren.

Physikalisches Funktionsprinzip

Im rotierenden Zentrifugiergut wandern Partikel oder Medien mit höherer Dichte wegen ihrer größeren Trägheit nach außen. Dabei verdrängen sie Bestandteile geringerer Dichte zur Mitte. Die Beschleunigung selbst ist nicht von der Dichte abhängig; bei gleicher Beschleunigung wirkt auf dichtere beziehungsweise massereichere Bestandteile jedoch eine größere Zentrifugalkraft.

Die Zentrifugalbeschleunigung a_Z hängt vom Abstand r zur Drehachse und von der Winkelgeschwindigkeit ω beziehungsweise der Drehzahl n ab:

a_Z = r·ω² = 4π²·r·n²

Sie nimmt linear mit dem Radius und quadratisch mit Winkelgeschwindigkeit oder Drehzahl zu. Eine Verdopplung der Drehzahl führt daher zur vierfachen Beschleunigung. Mit der Umfangsgeschwindigkeit v_u und der Masse m gelten außerdem:

a_Z = v_u²/r F_Z = a_Z·m

Eine hohe Umfangsgeschwindigkeit verursacht großen Luftwiderstand. Deshalb können viele schnell laufende Zentrifugen nur im Vakuum betrieben werden. Größere Radien und höhere Drehzahlen erhöhen zudem die Kräfte auf den Rotor.

Die Beschleunigung ist am äußeren Rand des Zentrifugierraums am größten. Weiter innen ist sie geringer, und das abzuscheidende Material muss zugleich einen längeren Weg zurücklegen. Die notwendige Zentrifugierzeit hängt deshalb nicht nur von der Drehzahl ab, sondern unter anderem auch vom kleinsten Abstand des Zentrifugierguts zur Drehachse.

Beschleunigungsangaben und Bauarten

Die Beschleunigung wird häufig als Vielfaches der mittleren Erdbeschleunigung g angegeben. 1000 g bedeutet beispielsweise, dass die maximale Beschleunigung das 1000fache der Erdbeschleunigung beträgt. Dieser Faktor wird im Ingenieurbereich oft Schleuderziffer genannt.

Nach DIN 58970-2 heißt die entsprechende Größe Relative Zentrifugalbeschleunigung, kurz RZB. Sie wird ebenfalls als Vielfaches von g angegeben und ist in den meisten Gerätedokumentationen üblich. Für den Radius R in Zentimetern und die Drehzahl N in Umdrehungen pro Minute gilt:

RZB = (4π²/g)·r·n² ≈ 0,00001118·R·N²

Werden für r Meter und für n s⁻¹ als SI-Basiseinheiten verwendet, ergibt sich:

RZB ≈ 4,0257·r·n²

Drehzahl und RZB lassen sich mithilfe von Tabellen ineinander umrechnen. International sind die Bezeichnungen rpm für „revolutions per minute“ und rcf für „relative centrifugal force“ gebräuchlich. Moderne Laborzentrifugen führen die Umrechnung häufig automatisch über eine Funktion mit der Kennzeichnung „rcf/rpm“ aus.

Industriezentrifugen werden in Filter- und Sedimentationszentrifugen unterschieden. Bei einer Filterzentrifuge ist die Trommel gelocht und innen mit einem Filtertuch, Drahtgewebe oder Spaltsieb versehen. Die Suspension strömt von innen nach außen; die Flüssigkeit tritt aus, während der Feststoff zurückbleibt. Pendel- und Schälzentrifugen gehören zu dieser Gruppe.

Eine Sedimentationszentrifuge besitzt dagegen eine geschlossene Vollmanteltrommel. Sie beschleunigt das natürliche Absetzen von Bestandteilen einer Suspension. Bei Überlaufzentrifugen wird ständig Suspension zugeführt und klare Flüssigkeit abgeführt. Die Röhrenzentrifuge gehört zu den Sedimentationszentrifugen und arbeitet halbkontinuierlich.

Anwendungen in Haushalt, Labor und Industrie

Bei Salat-, Wäsche- und Fruchtsaftschleudern wird das feuchte Gut in einer gelochten Trommel schnell gedreht und gegen die Wand gepresst. Wasser oder Saft fließt durch die Öffnungen nach außen, weil die Adhäsion der Flüssigkeit an den Feststoffen überwunden wird. Solche Geräte und Laborzentrifugen besitzen einen Direktantrieb. Nach demselben Grundprinzip werden Honig in Honigschleudern, Olivenöl vom Trester in Decantern sowie Separatorenfleisch von Flüssigkeiten in Separatoren getrennt. Zentrifugen kommen außerdem in der Molekularküche vor.

In Labor und Technik erfolgt die Trennung häufig aufgrund unterschiedlicher Dichten. So wird Kuhmilch in Sahne und fettreduzierte Milch getrennt; dieses Verfahren wurde 1877 von Wilhelm Lefeldt erfunden. Laborzentrifugen trennen auch Feststoffe von Flüssigkeiten. Das Gemisch wird dafür in dickwandige, stabilere Zentrifugenröhrchen statt in gewöhnliche Reagenzgläser gefüllt.

Die Zentrifugation kann gegenüber der Filtration Vorteile haben: Stark saure Lösungen können Papierfilter angreifen, und bei einer Zentrifugation bleibt der Schlamm ohne zusätzlichen Filterhilfsstoff sortenrein. Auch voluminöse oder gelartige Feststoffe, die Filterporen schnell verstopfen, lassen sich abtrennen, sofern ihre Dichte sich ausreichend von der umgebenden Flüssigkeit unterscheidet.

Ultrazentrifugen erreichen bis zu 500.000 Umdrehungen pro Minute. Ihr Rotor läuft zur Vermeidung der Luftreibung im Vakuum. Theodor Svedberg entwickelte die Ultrazentrifuge und bestimmte damit über die Sedimentationsgeschwindigkeit von Makromolekülen deren ungefähre molare Masse; dafür erhielt er 1926 den Nobelpreis. Gaszentrifugen werden unter anderem zur Isotopentrennung eingesetzt.

In der Metallindustrie entfernen Zentrifugen Öl von Metallspänen; vollautomatisch sind Durchsätze bis zu zehn Tonnen pro Stunde möglich. Kontinuierliche Anlagen lassen Flüssigkeit am größten Trommeldurchmesser durch ein Sieb austreten und schleudern die getrockneten Späne etwas oberhalb davon aus. Bei chargenweise arbeitenden Anlagen verbleiben die Späne in eingesetzten gelochten Trommeln oder Schalen und werden darin entnommen.

Galvanische Betriebe trocknen Schüttgut wie Schrauben und Nieten in manuellen oder vollautomatischen Zentrifugen. Teile mit Vertiefungen oder Sacklöchern müssen gegebenenfalls umgelagert werden. Schwenkbare Anlagen wälzen sie dazu bei etwa 20–40 rpm schonend um und schleudern anschließend in gerader Stellung bei hoher Drehzahl die Flüssigkeit ab; dieser Ablauf kann mehrfach wiederholt werden.

In der Zuckerindustrie gibt es Zentrifugen mit einem Füllgewicht bis zu 1.750 kg, die Zuckerkristalle vom anhaftenden Sirup trennen. Großzentrifugen entwässern außerdem Klärschlamm oder trennen in chemischer Industrie und Bergbau verschiedene Stoffe beziehungsweise Mineralien. Weitere Anwendungen sind die Simulation des Erddrucks in der experimentellen Bodenmechanik sowie Beschleunigungstests: Große Zentrifugen bilden die mehrfach über der Erdanziehungskraft liegenden Belastungen beim Start, bei Flugmanövern und beim Wiedereintritt nach.

Gefahren und Schutzmaßnahmen

Schnell rotierende Rotoren besitzen eine große kinetische Energie. Je höher die auftretenden Zentrifugalkräfte sind, desto stabiler müssen Rotorkessel und Deckel ausgeführt sein. Kessel und Gerätegehäuse sollen die Umgebung selbst bei einem berstenden Rotor vor Verletzungen und Schäden schützen. Edelstahlkessel sind bei einem Rotorbruch deutlich stabiler und damit sicherer als günstig hergestellte Kunststoffkessel.

Der Rotor muss symmetrisch mit Gewicht beladen werden. Durch dieses Austarieren der Proben vor dem Lauf lässt sich das Risiko einer Unwucht deutlich verringern. Leistungsstarke Laborzentrifugen besitzen häufig eine automatische Unwuchterkennung, die den Lauf beim Auftreten einer Unwucht sofort beendet.

Laborzentrifugen und Wäscheschleudern lassen sich gewöhnlich nicht öffnen, solange sich der Rotor bewegt. Mit dem Deckel verbundene Sicherheitsschalter und/oder Bremsen verhindern außerdem eine Rotation bei geöffnetem Gehäuse. Die Sicherheit von Zentrifugen regelt die europäische Norm EN 12547; zusätzliche Sicherheitsnormen werden von Berufsgenossenschaften festgelegt.