Zentrifuge

        Eine Zentrifuge ist ein technisches Gerät, das unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft die Bestandteile von Suspensionen, Emulsionen und Gasgemischen trennen kann (siehe auch Trennverfahren). Bei Untersuchungen in der Raumfahrtmedizin werden Zentrifugen verwendet, um die Beschleunigungskräfte zu simulieren, die auf die Insassen eines Raumfahrzeuges während der Startphase einwirken.

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Leistungsfähigkeit

Eine wichtige Kenngröße für die Leistungsfähigkeit von Zentrifugen ist die maximale Zentrifugalbeschleunigung, die im Zentrifugiergutraum erreicht werden kann. Die Zentrifugalbeschleunigung a eines Körpers in einer Zentrifuge als Wirkung der Zentrifugalkraft (eine Scheinkraft) ist vom Abstand des Körpers von der Drehachse r und von der Geschwindigkeit des Körpers auf der Kreisbahn abhängig (etwa Winkelgeschwindigkeit ω); sie ist von der Masse des Körpers unabhängig: a =  ω² r. Die maximale Zentrifugalbeschleunigung wird also an der Stelle des größten Abstands im Zentrifugiergutraum von der Drehachse und bei maximaler Drehfrequenz erreicht. Damit ist sie nur von den Eigenschaften der Zentrifuge abhängig, nämlich von der geometrischen Form des Zentrifugiergutraums und ihrer höchstmöglichen Drehfrequenz. Sie ist deshalb eine geeignete Kenngröße. Werden SI-Einheiten verwendet, wird die Zentrifugalbeschleunigung in der Maßeinheit Newton (N) angegeben.

Gebräuchlich ist auch die Angabe der Zentrifugalbeschleunigung als Vielfaches der mittleren Erdschwerebeschleunigung (genauer: Normalerdschwerebeschleunigung) g, was bedeutet, die Maßeinheit ist die mittlere Erdschwerebeschleunigung. Beispiel: 1000 g bedeutet, die maximale Zentrifugalbeschleunigung in einer Zentrifuge beträgt das 1000fache der Erdschwerebeschleunigung. Diese Größe wird im Ingenieurbereich oft als „Schleuderziffer“ bezeichnet, obwohl sie gar keine Ziffer, sondern eine Zahl mit einer Maßeinheit ist.

Gelegentlich wird an Stelle der Zentrifugalbeschleunigung ihr Verhältnis zur mittleren Erdschwerebeschleunigung g angegeben. Diese Kenngröße ist dann eine reine Zahl (dimensionslos, d. h. ohne Maßeinheit).

Zu beachten ist, dass die maximale Zentrifugalbeschleunigung an der Stelle im Zentrifugierraum erreicht wird, wo das abzuscheidende Gut schon das Ziel erreicht hat (an der von der Drehachse am weitesten entfernten Stelle), und dass an der Stelle der geringsten Zentrifugalbeschleunigung (am nächten zur Drehachse) das abzuscheidende Gut noch den weitesten Weg vor sich hat. Die erforderliche Zentrifugierzeit wird also nicht allein durch die Kenngröße Zentrifugalbeschleunigung an der Drehachsen-fernsten Stelle, sondern - neben anderen Größen - auch vom geringsten Abstand des Zentrifugierguts von der Drehachse bestimmt.

Anwendungen

Beispiele für Zentrifugen im Haushalt sind die Salatschleuder und die Wäscheschleuder: Das nasse Waschgut wird in die Trommel gegeben, die so schnell gedreht wird, dass es an die Wand der Trommel gepresst wird. Durch Löcher in der Wand kann das Wasser abfließen.

In der Technik und im Labor werden Zentrifugen sehr vielfältig eingesetzt, beispielsweise wird damit Kuhmilch in Sahne und fettreduzierte Milch getrennt (erfunden 1877 von Wilhelm Lefeldt). Auch Olivenöl entsteht mit Hilfe einer Zentrifuge, ebenso Separatorenfleisch. Noch häufiger als zu einer solchen Trennung von Flüssigkeiten verschiedener Dichte werden Zentrifugen zur Abtrennung von Feststoffen aus einer Flüssigkeit verwendet. Im Labor gibt man dazu das Gemisch in Zentrifugenröhrchen, die deutlich dickwandiger und damit stabiler sind als Reagenzgläser. Früher wurde die Laborzentrifuge mit einer Kurbel angetrieben, heute durch einen Elektromotor. Die Zentrifugation wird oft der Filtration vorgezogen, etwa wenn stark saure Lösungen Papierfilter angreifen würden oder wenn die Entsorgung des Schlammes sortenrein, also ohne zusätzlichen Filterhilfsstoff erfolgen soll.

In der metallverarbeitenden Industrie werden Zentrifugen zum Entölen von Metallspänen genutzt, wobei es möglich ist, einen Durchsatz bis zu zehn Tonnen pro Stunde im vollautomatischen Betrieb zu erreichen. Hierbei werden die vorher zerkleinerten Späne in vollem Lauf (700 bis ca. 1500 UpM) der Trommel zugeführt und wieder ausgeworfen.

Ebenso werden in galvanischen Betrieben manuelle und vollautomatische Zentrifugen zum Trocknen von Schüttgütern, wie Schrauben, Nieten usw., verwendet.

Extrem große Zentrifugen werden in der Zuckerindustrie eingesetzt. Darin werden Zuckerkristalle und an diesen anhaftender Sirup voneinander getrennt.

Die Ultrazentrifuge wurde von Theodor Svedberg entwickelt, der damit die Sedimentationsgeschwindigkeiten von Makromolekülen und damit ihre ungefähre molare Masse bestimmte. Er erhielt 1926 den Nobelpreis. Ultrazentrifugen rotieren ihren Inhalt sehr schnell – bis zu 500.000-mal in der Minute. Deswegen befindet sich der Rotor meist im Vakuum, so dass keine Luftreibung auftritt.

Auch zur Isotopentrennung können Zentrifugen verwendet werden. Gewaltige Zentrifugen werden in Beschleunigungstests für Piloten und Astronauten eingesetzt um die v.a. beim Start wirkenden Kräfte (ein mehrfaches der Erdanziehungskraft) zu simulieren.

Gefahren, Sicherheit

Aufgrund der großen kinetischen Energie von schnell drehenden Rotoren sind Sicherheitsvorkehrungen, vor allem ein stabiles Gehäuse, sehr wichtig. Geschlossene Zentrifugen lassen sich oft nicht öffnen, solange sich der Rotor dreht, und ein Sicherheitsschalter verhindert eine Rotation bei geöffnetem Gehäuse.

Siehe auch

• Rad
• Sedimentation
• Dekantierzentrifugen
• Dichtegradientenzentrifugation
• Gaszentrifuge