Zentrifuge

Eine Zentrifuge ist ein technisches System, das Stoffgemische durch schnelle Drehbewegungen in ihre Bestandteile zerlegt. Sie nutzt dabei die bei Rotationen entstehende Zentrifugalkraft, um Partikel oder Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte voneinander zu separieren. Grundlage dieses physikalischen Verfahrens ist die Massenträgheit, die dazu führt, dass schwerere Bestandteile stärker nach außen gedrückt werden als leichtere.

Funktionsweise der Trennung im rotierenden System

Im Inneren einer Zentrifuge wirken durch die Rotation große Trägheitskräfte. Diese führen dazu, dass Bestandteile mit höherer Dichte – beispielsweise Partikel in einer Suspension – weiter nach außen wandern, während leichtere Komponenten näher zur Achse verbleiben. Die Trennung erfolgt deutlich schneller als durch natürliche Sedimentation, da störende Einflüsse wie Adhäsion, Viskosität oder thermische Bewegung überwunden werden.

Besonders deutlich wird dieser Effekt bei Laborzentrifugen, Gaszentrifugen oder Entsaftern, die alle auf demselben physikalischen Prinzip basieren. Ein zusätzliches Trennkriterium kann ein eingebautes Sieb sein, das Feststoffe mechanisch zurückhält.

Zentrifugalbeschleunigung und ihre Auswirkungen

Die wirkende Zentrifugalbeschleunigung ist nicht überall im Zentrifugierraum gleich: Sie steigt mit dem Abstand zur Drehachse, ist also am äußeren Rand der Trommel am höchsten – genau dort, wo die schwereren Bestandteile am Ende abgeschieden werden. In der Nähe des Zentrums ist die Beschleunigung am geringsten, und das Material hat noch den weitesten Weg zurückzulegen. Die Dauer der Zentrifugation hängt daher nicht nur von der Drehzahl ab, sondern auch entscheidend vom minimalen Radius des Probenmaterials zur Achse.

RZB, Schleuderziffer und Umrechnung

Um die Kräfte in einer Zentrifuge anschaulich anzugeben, wird oft die relative Zentrifugalbeschleunigung (RZB) verwendet, auch bekannt als relative centrifugal force (rcf). Sie beschreibt die Beschleunigung als Vielfaches der Erdbeschleunigung (g). Ein Wert von 1000 g entspricht also dem Tausendfachen der Erdanziehungskraft.

Im technischen Sprachgebrauch ist auch von der Schleuderziffer die Rede – einer rein numerischen Angabe, die sich auf denselben physikalischen Zusammenhang bezieht. Die Berechnung erfolgt über Formeln, die Radius (r) und Drehzahl (n) berücksichtigen. In praktischen Anwendungen nutzt man Näherungsformeln:

$$\mathrm{RZB}=\frac{4{\pi }^2}{g}r{n}^2\approx 0.00001118R{N}^2$$

oder in SI-Basiseinheiten:

$$\mathrm{RZB}\approx 4.0257r{n}^2$$

Zur vereinfachten Nutzung stehen zwei Methoden zur Verfügung: Umrechnungstabellen, die Radius und entweder RZB oder Drehzahl enthalten, sowie automatische Rechenfunktionen in modernen Laborzentrifugen, oft mit der Bezeichnung rcf/rpm.

Näherungswerte für RZB basierend auf Radius (R) in cm und Drehzahl (N) in U/min | eigene Darstellung, Lizenz: CC BY 4.0

Radius R (cm)	Drehzahl N (U/min)	RZB (≈)
5	1000	55,9
10	2000	447,2
15	3000	1507,1
20	4000	3577,6

Filter- und Sedimentationszentrifugen

Je nach Einsatzgebiet unterscheidet man zwischen Filterzentrifugen und Sedimentationszentrifugen:

Filterzentrifugen

Diese Variante nutzt eine gelochte Trommel mit einem innenliegenden Filtereinsatz – beispielsweise ein Filtertuch, Drahtgewebe oder ein Spaltsieb. Die Suspension wird während der Rotation von innen nach außen durch die Trommelwand gedrückt. Die Flüssigkeit tritt aus, während der Feststoff zurückbleibt. Zu den bekannten Bauformen zählen etwa die Pendelzentrifuge oder die Schälzentrifuge.

Sedimentationszentrifugen

Diese besitzen eine geschlossene Vollmanteltrommel und arbeiten rein nach dem Dichteprinzip. Feststoffe setzen sich bei Rotation an der Trommelwand ab. In sogenannten Überlaufzentrifugen wird kontinuierlich Suspension zugeführt, während gleichzeitig die geklärte Flüssigkeit abfließt. Ein typisches Beispiel ist die Röhrenzentrifuge, die vor allem bei feineren Trennprozessen eingesetzt wird.

Anwendungsfelder: Haushalt, Industrie, Wissenschaft

Zentrifugen begegnen uns in vielfältigen Kontexten. In Haushalten kommen sie als Salatschleudern, Wäscheschleudern oder Fruchtsaftzentrifugen zum Einsatz. In Laboren dienen sie der Abtrennung fester Bestandteile aus Flüssigkeiten, etwa zur Gewinnung von Zellfragmenten, DNA oder Proteinen. In der Lebensmittelproduktion werden sie genutzt, um Milch zu entrahmen, Olivenöl vom Trester zu trennen oder Honig zu schleudern.

In der Industrie finden sich Zentrifugen beim Trocknen von Metallspänen, in der Zuckerherstellung, bei der Schlammentwässerung in Kläranlagen oder beim Trennen von Erzen im Bergbau. Die Ultrazentrifuge schließlich erlaubt Trennungen im molekularen Maßstab – mit bis zu 500.000 U/min bei Vakuumbetrieb.

Auch in der Raumfahrtmedizin spielen Zentrifugen eine zentrale Rolle: Große Humanzentrifugen simulieren die enormen Beschleunigungskräfte, die beim Raketenstart auf Astronauten wirken. In der experimentellen Geotechnik lassen sich mit Zentrifugen Erddruckverhältnisse realitätsnah nachbilden.

Sicherheit und Normen

Durch die enormen Kräfte, die bei hohen Drehzahlen entstehen, müssen Zentrifugen mechanisch besonders gesichert sein. Gehäuse, Rotoren und Deckel müssen auch im Schadensfall – etwa bei Rotorbruch – zuverlässig schützen. Materialien wie Edelstahl bieten hier wesentlich höhere Stabilität als Kunststoffgehäuse.

Moderne Geräte verfügen über automatische Unwuchterkennung, Sicherheitsverriegelungen und Bremsvorrichtungen. Viele lassen sich erst öffnen, wenn der Rotor vollständig stillsteht. Die europäische Norm EN 12547 legt sicherheitstechnische Anforderungen fest, ergänzt durch branchenspezifische Vorschriften – beispielsweise durch Berufsgenossenschaften.

Der vorliegende Text stellt eine vollständig überarbeitete und neu strukturierte Fassung des Wikipedia-Artikels “Zentrifuge” dar. Er unterliegt der Lizenz CC BY-SA 3.0 und enthält keine inhaltlichen Ergänzungen über die Originalquelle hinaus. Stand: 09.05.2025