Zentrifugen sind Maschinen, die in Laboren, medizinischen Einrichtungen und Industrien eingesetzt werden, um Schwebstoffe von den Medien zu trennen, mit denen sie vermischt werden. Dies geschieht, indem geschlossene Behälter der Mischung sehr schnell um einen festen, zentralen Punkt geschleudert werden. Die durch diese Bewegung erzeugte Zentrifugalkraft drückt das dichtere Material in der Suspension gegen die Wände des Behälters und trennt es effektiv von der Lösung. Diese Geräte werden verwendet, um Feststoffe aus flüssigen Suspensionsmedien abzutrennen; sie sind beispielsweise ein unverzichtbares medizinisches Werkzeug zur Trennung von Plasma aus Blutproben.
Wie sie arbeiten
Das Kernprinzip des Zentrifugenbetriebs ist die Zentrifugalkraft. Wird ein halb mit Wasser gefüllter Eimer schnell im Kreis über den Kopf und wieder zurück auf den Boden geschleudert, drückt die durch die Drehung des Eimers erzeugte Zentrifugalkraft das Wasser nach unten. Dadurch bleibt das Wasser im Eimer, auch wenn er auf dem Kopf steht.
Die meisten Zentrifugen nutzen diese Kraft in ähnlicher Weise und bestehen aus einem Gehäuse mit Deckel und einem angetriebenen Zentralrotor. Der Rotor weist um seinen Umfang eine Reihe von Löchern auf, in die die Behälter, typischerweise Reagenzgläser, mit der Lösung gestellt werden. Sobald der Maschinendeckel geschlossen und die Zentrifuge eingeschaltet ist, dreht sich der Rotor mit hoher Geschwindigkeit. Wie beim Eimerexperiment bewirkt die Zentrifugalkraft, dass alle Stoffe in der Lösung, die dichter als die Flüssigkeit sind, gegen die Außenwände der Rohre gedrückt und dabei von der Flüssigkeit getrennt werden.
Sobald die Zentrifuge ihren Zyklus beendet hat, wird sie allmählich verlangsamt und angehalten, um jegliche Turbulenzen zu vermeiden, die eine erneute Mischung der Lösung verursachen könnten. Diese Verlangsamungsperiode ermöglicht auch, dass das gesamte abgetrennte Material zum Boden des Teströhrchens fällt. Sobald der Rotor angehalten hat, kann das Röhrchen entfernt und die Proben verarbeitet werden.
In einigen Fällen kann eine Zentrifuge an einem Ende ein Sieb haben, das Flüssigkeiten durchlässt, während Feststoffe im Röhrchen eingeschlossen bleiben. Andere halten die Rohre möglicherweise in einem festen Winkel oder lassen sie beim Drehen ausschwingen. Die Position des Röhrchens und die Geschwindigkeit, mit der sich die Zentrifuge dreht, können je nach Art der zu trennenden Lösung variieren.
Trennung nach Dichte
Auf diese Weise können beliebig viele Schwebstoffe aus einer Suspension abgetrennt werden. Jede unterschiedliche Substanz trennt sich in der Reihenfolge ihrer Dichte und bildet unterschiedliche Schichten am Boden des Röhrchens, wenn die Maschine angehalten wird. Dies wird als Sedimentationsprinzip bezeichnet. Zum Beispiel wird eine Blutprobe, die für eine geeignete Zykluslänge in eine Zentrifuge gegeben wird, vollständig zerfallen, wobei sich schwerere Blutkörperchen unten und leichteres Blutplasma oben sammeln. Dies ist von besonderem Nutzen, um alle Komponenten unbekannter Lösungen zu identifizieren.
andere Verwendungen
Zentrifugengeräte werden nicht nur in Labors eingesetzt; Sie sehen in der Abwasserwirtschaft, in der Ölindustrie und sogar bei der Verarbeitung von Zucker und Milch einen umfangreichen Einsatz. Typischerweise sind medizinische und wissenschaftliche Laborzentrifugen kleine Tischgeräte. Industrielle Maschinen, die zum Trennen von Magnetit-Slurry aus Prozesswasser in einem Kohlekraftwerk verwendet werden, können dagegen sehr groß sein.
Gaszentrifugen, die bei der Urananreicherung verwendet werden, verfügen über speziell entwickelte Behälter mit einer strategisch platzierten Innenschaufel. Beim Spinnen sammelt diese Schaufel das gewünschte Uran-235-Isotop, während sich das schwerere 238-Isotop an den Wänden des Behälters ansammelt. Dies ist jedoch ein weitaus längerer Prozess als die Trennung von Fluidsuspensionen, der oft mehrere tausend Zyklen erfordert.
Große Zentrifugen werden auch verwendet, um Menschen in einer kontrollierten Umgebung extremen Kräften auszusetzen. Die nach außen gerichtete Kraft, die von einer so großen Maschine erzeugt wird, kann verwendet werden, um die massiven Gravitationskräfte (G-Kräfte) zu simulieren, denen ein Astronaut oder Kampfpilot bei sehr hohen Geschwindigkeiten wahrscheinlich ausgesetzt ist. Geotechnische Modellierung ist ein weiterer Bereich, in dem Zentrifugen verwendet werden, um Gravitationsspannungen in Prototypen zu simulieren.