Die Zentrifuge ist ein technisches Gerät, das unter Ausnutzung der Massenträgheit arbeitet; die Funktionsweise beruht auf der Zentrifugalkraft, die aufgrund einer gleichförmigen Kreisbewegung des zu zentrifugierenden Gutes zustande kommt.

Eine Zentrifuge kann die Bestandteile von Suspensionen, Emulsionen und Gasgemischen trennen.

Funktionsprinzip

Stofftrennung durch Massenträgheit

Zentrifugen nutzen die Massenträgheit im Zentrifugiergutraum zur Stofftrennung. Partikel oder Medien mit höherer Dichte wandern aufgrund der höheren Trägheit nach außen. Dabei verdrängen sie die Bestandteile mit niedrigerer Dichte, die hierdurch zur Mitte gelangen. Dieser Prozess ist viel schneller als die Sedimentation durch Schwerkraft und ist sogar möglich – unter Überwindung von Gegenkräften wie Adhäsion, thermischer Molekularbewegung oder Viskosität.

Die Beschleunigung a $a$ ist von der Dichte der Stoffe unabhängig. Jedoch ist die Zentrifugalkraft umso größer, je höher die Dichte des Stoffs ist. Die Stofftrennung erfolgt aufgrund der Dichteunterschiede (zum Beispiel Laborzentrifuge, Gaszentrifuge) oder durch ein die Feststoffe zurückhaltendes Sieb (zum Beispiel Wäsche- und Salatschleuder.

Zentrifugalbeschleunigung

Die Zentrifugalbeschleunigung a z $a_{z}$ eines Körpers in einer Zentrifuge als Wirkung der Zentrifugalkraft ist vom Abstand r $r$ des Körpers von der Drehachse und von der Winkelgeschwindigkeit ω $\omega$ abhängig, sie steigt linear mit dem Abstand im Zentrifugiergutraum von der Drehachse. Außerdem steigt sie quadratisch mit der Winkelgeschwindigkeit oder der Drehzahl n:

$a_{Z}\,=\,r\,\omega ^{2}\,=\,4\pi ^{2}r\,n^{2}$

Die Erhöhung der Drehfrequenz kann durch die Vergrößerung des Radius des Zentrifugiergutraums erreicht werden. Dadurch steigen allerdings auch die Kräfte auf den Rotor an, die sich aus der bewegten Masse insbesondere des Zentrifugiergutes und der Zentrifugalbeschleunigung ergeben.

Umfangsgeschwindigkeit

Von der Umfangsgeschwindigkeit v u $v_{u}$ des Zentrifugiergutes sind die Zentrifugalbeschleunigung und die verursachte Zentrifugalkraft folgendermaßen abhängig:

$a_{Z}={\frac {v_{u}^{2}}{r}}$ und $F_{Z}={a_{Z}}{m}$

Diese Umfangsgeschwindigkeit ist entscheidend für den Luftwiderstand. Dies führt dazu, dass viele Zentrifugen nur im Vakuum arbeiten können.

Die Zentrifugalbeschleunigung ist außen, das heißt an der Stelle im Zentrifugierraum am höchsten, an der das abzuscheidende Gut schon das Ziel erreicht hat. An der Stelle der geringsten Zentrifugalbeschleunigung (weiter innen) hat das abzuscheidende Gut noch den weitesten Weg vor sich. Die zur Stofftrennung erforderliche Zentrifugierzeit wird also nicht allein durch die Drehzahl, sondern – neben anderen Größen – auch vom geringsten Abstand des Zentrifugierguts von der Drehachse bestimmt.

Gebräuchlich ist die Angabe der Beschleunigung als Vielfaches der mittleren Erdbeschleunigung G $G$ . 1000 G $1000\,G$ bedeutet zum Beispiel, die maximale Beschleunigung in einer Zentrifuge beträgt das 1000fache der Erdbeschleunigung. Dieser Faktor wird im Ingenieurbereich oft als Schleuderziffer bezeichnet, obwohl sie keine Ziffer, sondern eine Zahl ist.

Relative Zentrifugalbeschleunigung

In der DIN 58970-2 wird in diesem Zusammenhang die Relative Zentrifugalbeschleunigung (kurz RZB) genannt. Diese Größe wird ebenfalls als Vielfaches des mittleren Wertes von g $g$ angegeben und heute in den meisten Gerätedokumentationen verwendet. Nach der DIN kann der RZB-Wert („Schleuderziffer“) mittels folgender Formel errechnet werden, die sich leicht aus obiger Formel errechnen lässt (hier ist R der Radius in Zentimetern und N die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute):

$RZB\,=\,{\frac {4\pi ^{2}}{g}}\,r\,n^{2}\,\approx \,0{,}00001118\,R\,N^{2}$ .

Verwendet man SI-Basiseinheiten auch für r $r$ (m) und n $n$ ( s − 1 $s^{{-1}}$ ), so ergibt sich für RZB:

$RZB\,\approx \,4{,}0257\,r\,n^{2}~.$

Es gibt zwei Möglichkeiten, Anwendungsumrechnungen zu vereinfachen: Mithilfe einer Umrechnungstabelle können Sie Zentrifugalradius und -geschwindigkeit (Umdrehungen pro Minute; international: Umdrehungen pro Minute oder U/min) oder relative Zentrifugalbeschleunigung (RZB; international: relative Zentrifugalkraft oder rcf) ermitteln Werte. Moderne Laborzentrifugen besitzen zudem eine automatische Umrechnung von RZB in die entsprechende Drehzahl, diese Funktion ist meistens mit „rcf/rpm“ gekennzeichnet.

Arten von Industriezentrifugen

Unterschieden werden die Industriezentrifugen in Filterzentrifugen und Sedimentationszentrifugen. Bei der Filterzentrifuge ist die Trommel gelocht und im inneren mit einem geeigneten Filtereinsatz belegt, zum Beispiel ein Filtertuch, Drahtgewebe oder Spaltsieb. Die Suspension fließt dabei von innen nach außen durch den Einsatz und die Trommelwand, wodurch sie den Feststoff zurückhält, der je nach Zentrifugenbauart dann entfernt wird. Zu den Filterzentrifugen zählen unter anderem die Pendelzentrifuge und Schälzentrifuge.

Bei der Sedimentationszentrifuge ist die Trommel als Vollmanteltrommel ausgeführt. Die Zentrifugen werden zur Klärung von Suspensionen eingesetzt. Für die Beschleunigung des natürlichen Absetzvorgangs von Suspensionen wird die Zentrifugalkraft genutzt. Es gibt auch sogenannte Überlaufzentrifugen, bei denen die Suspension kontinuierlich zugeführt und die klare Flüssigkeit abgeführt wird. Zu den Sedimentationszentrifugen gehört die Röhrenzentrifuge.

Anwendungen

Beispiele für Zentrifugen im Haushalt sind die Salatschleuder, die Wäscheschleuder und die Fruchtsaftzentrifuge. In einer perforierten Trommel wird das feuchte Material (wie Salat, Wäsche oder Trester) so rasch gedreht, dass es gegen die Trommelwand gedrückt wird, wodurch das Wasser oder der Saft durch die Löcher nach außen abläuft. Auf diese Weise wird die Bindung der Flüssigkeit an die Feststoffe überwunden. Diese, und auch Laborzentrifugen besitzen einen Direktantrieb.

Olivenöl und Separatorenfleisch werden ebenfalls auf diese Weise vom Trester (im Decanter) oder von Flüssigkeiten (im Separator) getrennt; nach dem gleichen Prinzip gewinnen Imker mit einer Honigschleuder den Honig. Ein weiteres Einsatzgebiet für Zentrifugen ist die Molekularküche.

In der metallverarbeitenden Industrie werden Zentrifugen zur Entölung von Metallspänen verwendet, wobei im vollautomatischen Betrieb Durchsätze von bis zu zehn Tonnen pro Stunde erreicht werden können. Dabei wird zwischen kontinuierlich und chargenweise beschickten Abläufen unterschieden. Die kontinuierlich arbeitenden Zentrifugen haben eine Zentrifugentrommel, an deren größtem Durchmesser die Flüssigkeit (z. B. Öl) durch ein Sieb austreten kann. Die getrockneten Metallspäne werden etwas oberhalb davon aus der Trommel geschleudert. An der Stelle des Flüssigkeitsaustritts ist die Zentrifuge so aufgebaut, dass die Flüssigkeit getrennt ablaufen kann. Die getrockneten Späne fallen unten aus dem offenen Zentrifugengehäuse heraus.

Anwendungen und Typen von Großzentrifugen in verschiedenen Industrien

Typischerweise werden Chargen-Zentrifugen mit gefüllten Trommeln oder ähnlichen (gelochten) Schalen bestückt, die in passende Aufnahmen in der Zentrifuge platziert werden. Die Flüssigkeit kann aus den Trommellöchern austreten und ablaufen. Die getrockneten Späne bleiben in der Trommel und werden in ihr aus der Zentrifuge entnommen.

Galvanische Betriebe setzen manuelle und vollautomatische Zentrifugen zum Trocknen von Schüttgut wie Schrauben, Nieten usw. ein. Bei Teilen mit vertieften Bereichen (z. B. Sacklöchern) kann es erforderlich sein, die Teile umzulagern, um sicherzustellen, dass alle Flüssigkeit aus den Vertiefungen abfließen und abgeschleudert werden kann. Dazu gibt es Zentrifugen, die den Abschleuderraum schwenken können und mit langsamer Drehzahl (z. B. 20–40 rpm) die Teile schonend umwälzen. Anschließend erfolgt in gerader Stellung bei hohen Drehzahlen das Abschleudern der Flüssigkeiten. Dieser Vorgang kann mehrfach wiederholt werden.

Extrem große Zentrifugen mit einem Füllgewicht von bis zu 1.750 kg werden in der Zuckerindustrie eingesetzt. In diesem Prozess erfolgt die Trennung von Zuckerkristallen und dem anhaftenden Sirup. Diese Zentrifugen sind heute überwiegend mit einer SPS und frequenzgesteuerten Antrieben ausgerüstet. Außerdem werden Großzentrifugen beispielsweise zur Entwässerung von Klärschlamm in kommunalen Kläranlagen, in der chemischen Industrie oder im Bergbau zum Trennen von Mineralien eingesetzt.

In Industrie, Technik und im Labor werden Zentrifugen zur Stofftrennung aufgrund unterschiedlicher Dichten eingesetzt. Beispielsweise wird damit Kuhmilch in Sahne und fettreduzierte Milch getrennt (erfunden 1877 von Wilhelm Lefeldt).

Ihre Rolle in der Forschung und Industrie

Neben der Trennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte werden Laborzentrifugen auch zur Trennung von Feststoffen aus Flüssigkeiten eingesetzt. Man gibt dazu das Gemisch in Zentrifugenröhrchen, die deutlich dickwandiger und damit stabiler sind als Reagenzgläser.

Früher wurden Laborzentrifugen 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. Auch voluminöse und gelartige Feststoffe, die Filterporen schnell zusetzen würden, kann man durch Zentrifugation abtrennen, wenn die Dichtedifferenz zur umgebenden Flüssigkeit ausreichend hoch ist.

Theodor Svedberg entwickelte die Ultrazentrifuge, um die Sedimentationsgeschwindigkeit großer Moleküle zu bestimmen und damit ihre ungefähre Molmasse zu ermitteln. Er erhielt 1926 den Nobelpreis. Ultrazentrifugen rotieren sehr schnell, mit bis zu 500.000/min. Ihr Rotor befindet sich im Vakuum, um die Luftreibung zu vermeiden.

Gaszentrifugen werden unter anderem zur Isotopentrennung eingesetzt.

Die Röhrenzentrifuge trennt Stoffe unterschiedlicher Dichte in einem halb-kontinuierlichen Verfahren.

Große Zentrifugen werden in Beschleunigungstests für Piloten und Astronauten eingesetzt, um die beim Start, bei Flugmanövern und beim Wiedereintritt in die Atmosphäre wirkenden Kräfte, die ein mehrfaches der Erdanziehungskraft betragen, zu simulieren. In der experimentellen Bodenmechanik werden Zentrifugen zur Simulation des Erddrucks eingesetzt.

Gefahren, Sicherheit

Aufgrund der großen kinetischen Energie von schnell drehenden Rotoren sind Sicherheitsvorkehrungen nötig. Je stärker die Zentrifugalkräfte in einer Zentrifuge sind, desto stabiler müssen Rotorkessel und Deckel gebaut sein. Kessel und Geräte-Gehäuse müssen selbst im Fall eines berstenden Rotors die Umgebung der Zentrifuge vor Verletzung bzw. Beschädigung schützen. Kessel aus Edelstahl sind hierbei im Fall eines Rotorbruchs weitaus stabiler und somit für den Anwender sicherer als günstig hergestellte Kunststoff-Kessel. Symmetrische Beladung des Rotors (Ausbalancieren der Probe vor der Zentrifugation) kann das Risiko einer Unwucht während des Zentrifugenbetriebs signifikant verringern. Insbesondere bei leistungsstarken Labor-Zentrifugen ist häufig eine automatische Unwuchterkennung eingebaut. Bei auftretender Unwucht wird der Zentrifugenlauf sofort automatisch abgebrochen.

Labor-Zentrifugen oder auch Wäscheschleudern lassen sich meist nicht öffnen, solange sich der Rotor dreht. Mit dem Deckel gekoppelte Sicherheitsschalter und/oder Bremsen verhindern eine Rotation bei geöffnetem Gehäuse.

Die Sicherheit von Zentrifugen ist in der europäischen Norm EN 12547 geregelt. Außerdem werden Sicherheitsnormen durch die Berufsgenossenschaften wie z. B. der Zucker-Berufsgenossenschaft festgelegt.

Dieser Eintrag basiert auf dem Artikel Zentrifuge (Chemie) aus der freien Enzyklopädie Wikipedia. Es gilt die GNU-Lizenz für freie Dokumentation. Eine Liste der Autoren ist auf Wikipedia verfügbar.