Zentrifugation Was es ist und warum es verwendet wird

Der Begriff Zentrifuge kann sich auf eine Maschine beziehen, in der sich ein schnell drehender Behälter befindet, um den Inhalt nach Dichte (Nomen) zu trennen, oder auf den Vorgang der Verwendung der Maschine (Verb). Zentrifugen werden am häufigsten verwendet, um verschiedene Flüssigkeiten und Feststoffteilchen von Flüssigkeiten zu trennen, sie können jedoch auch für Gase verwendet werden. Sie werden auch für andere Zwecke als die mechanische Trennung verwendet.

Erfindung und frühe Geschichte der Zentrifuge

Die moderne Zentrifuge geht auf einen Spinnarm zurück, der im 18. Jahrhundert vom englischen Militäringenieur Benjamin Robins zur Bestimmung des Luftwiderstands entwickelt wurde. 1864 wandte Antonin Prandtl die Technik an, um die Bestandteile Milch und Rahm zu trennen. 1875 verfeinerte Prandtls Bruder Alexender die Technik und erfand eine Maschine zur Extraktion von Butterfett. Während Zentrifugen immer noch zur Trennung von Milchbestandteilen verwendet werden, hat sich ihre Verwendung auf viele andere Bereiche der Wissenschaft und Medizin ausgeweitet.

So funktioniert eine Zentrifuge

Eine Zentrifuge hat ihren Namen von Zentrifugalkraft-die virtuelle Kraft, die sich drehende Objekte nach außen zieht. Zentripetalkraft ist die wirkliche physische Kraft bei der Arbeit, die sich drehende Objekte nach innen zieht. Das Drehen eines Wassereimers ist ein gutes Beispiel für diese Kräfte bei der Arbeit.

Wenn sich der Eimer schnell genug dreht, wird das Wasser nach innen gezogen und läuft nicht aus. Wenn der Eimer mit einer Mischung aus Sand und Wasser gefüllt ist, entsteht durch Drehen Zentrifugation. Laut dem Sedimentation Im Prinzip werden sowohl das Wasser als auch der Sand im Eimer an den äußeren Rand des Eimers gezogen, aber die dichten Sandpartikel setzen sich am Boden ab, während die leichteren Wassermoleküle zur Mitte hin verdrängt werden.

Die zentripetale Beschleunigung simuliert im Wesentlichen eine höhere Schwerkraft. Beachten Sie jedoch, dass die künstliche Schwerkraft ein Wertebereich ist, der davon abhängt, wie nahe ein Objekt an der Rotationsachse liegt, und kein konstanter Wert. Der Effekt ist umso größer, je weiter ein Objekt herauskommt, da es sich bei jeder Umdrehung um eine größere Strecke bewegt.

Arten und Verwendung von Zentrifugen

Die Zentrifugentypen basieren alle auf derselben Technik, unterscheiden sich jedoch in ihren Anwendungen. Die Hauptunterschiede zwischen ihnen sind die Drehzahl und die Rotor Design. Der Rotor ist die rotierende Einheit im Gerät. Rotoren mit festem Winkel halten die Proben in einem konstanten Winkel, Rotoren mit schwenkbarem Kopf haben ein Scharnier, durch das die Probengefäße mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit nach außen schwingen können, und kontinuierliche Röhrenzentrifugen haben eine einzige Kammer anstelle einzelner Probenkammern.

Moleküle und Isotope trennen: Extrem schnelle Zentrifugen und Ultrazentrifugen drehen sich mit so hohen Geschwindigkeiten, dass sie dazu verwendet werden können, Moleküle unterschiedlicher Masse oder sogar Isotope von Atomen zu trennen. Die Isotopentrennung wird für wissenschaftliche Forschung und zur Herstellung von Kernbrennstoffen und Kernwaffen verwendet. Zum Beispiel kann eine Gaszentrifuge verwendet werden, um Uran anzureichern, da das schwerere Isotop mehr nach außen gezogen wird als das leichtere.

Im Labor: Laborzentrifugen drehen sich ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit. Sie können groß genug sein, um auf einem Boden zu stehen, oder klein genug, um auf einer Theke zu ruhen. Ein typisches Gerät hat einen Rotor mit abgewinkelten Bohrungen zur Aufnahme von Probenröhrchen. Da die Probenröhrchen in einem Winkel fixiert sind und die Zentrifugalkraft in der horizontalen Ebene wirkt, bewegen sich die Partikel vor dem Auftreffen auf die Wand des Röhrchens um eine winzige Strecke, so dass dichtes Material nach unten rutschen kann. Während viele Laborzentrifugen Rotoren mit festem Winkel aufweisen, sind auch Rotoren mit schwingendem Eimer üblich. Solche Maschinen werden eingesetzt, um Bestandteile von nicht mischbaren Flüssigkeiten und Suspensionen zu isolieren. Verwendet werden unter anderem die Trennung von Blutbestandteilen, die Isolierung von DNA und die Reinigung chemischer Proben.

Schwerkraftsimulation: Große Zentrifugen können verwendet werden, um die hohe Schwerkraft zu simulieren. Die Maschinen haben die Größe eines Raumes oder Gebäudes. Menschliche Zentrifugen werden verwendet, um Testpiloten auszubilden und schwerkraftbezogene wissenschaftliche Forschung zu betreiben. Zentrifugen können auch als Vergnügungspark genutzt werden. Während menschliche Zentrifugen für bis zu 10 oder 12 Gravitäten ausgelegt sind, können nicht menschliche Maschinen mit großem Durchmesser Proben der bis zu 20-fachen normalen Schwerkraft aussetzen. Das gleiche Prinzip kann eines Tages verwendet werden, um die Schwerkraft im Weltraum zu simulieren. 

Industriezentrifugen werden verwendet, um Bestandteile von Kolloiden (wie Sahne und Butter aus Milch) bei der chemischen Herstellung, bei der Reinigung von Feststoffen von Bohrspülungen, beim Trocknen von Materialien und bei der Wasseraufbereitung zur Entfernung von Schlamm zu trennen. Einige Industriezentrifugen verlassen sich auf Sedimentation zur Trennung, während andere Materie unter Verwendung eines Siebs oder Filters trennen. In Industriezentrifugen werden Metalle gegossen und Chemikalien hergestellt. Die unterschiedliche Schwerkraft beeinflusst die Phasenzusammensetzung und andere Eigenschaften der Materialien.

Alltägliche Anwendungen: Mittelgroße Zentrifugen sind im täglichen Leben üblich, hauptsächlich um Flüssigkeiten schnell von Feststoffen zu trennen. Waschmaschinen verwenden die Zentrifugation während des Schleuderns, um Wasser von der Wäsche zu trennen. Ein ähnliches Gerät spült das Wasser aus Badeanzügen. Salatschleudern, die zum Waschen und anschließenden Schleudern von Salat und anderem Gemüse verwendet werden, sind ein weiteres Beispiel für eine einfache Zentrifuge.

Verwandte Techniken

Während das Zentrifugieren die beste Option zur Simulation der hohen Schwerkraft ist, gibt es andere Techniken, die zum Trennen von Materialien verwendet werden können. Dazu gehören Filtration, Sieben, Destillation, Dekantieren und Chromatographie. Die beste Technik für eine Anwendung hängt von den Eigenschaften der verwendeten Probe und ihrem Volumen ab.