Trennung von Stoffgemischen durch Zentrifugieren: alles zum Thema

Das Zentrifugieren stellt in der Chemie ein Verfahren dar, bei dem Stoffgemische durch den Einsatz von Fliehkräften voneinander getrennt werden. Das kann für verschiedene Anwendungen sinnvoll sein, wie zum Beispiel beim differenziellen oder analytischen Verfahren. Wie eine Zentrifuge funktioniert, wofür sie eingesetzt wird und worauf bei der Handhabung des Geräts zu achten ist, erfahren Sie hier.

Was ist eine Zentrifuge?

Ist von einer Laborzentrifuge die Rede, so handelt es sich um ein technisches Gerät zur Trennung von Stoffgemischen mithilfe der Zentrifugalkraft. Die Zentrifugation-Definition lautet folglich, dass Stoffgemische mit zwei oder mehreren Phasen durch den Einsatz von Fliehkräften getrennt werden, was wiederum direkt abhängig von der Zentrifugalkraft, der Masse, der Winkelgeschwindigkeit und dem Abstand des Körpers von der Drehachse ist.

Das Zentrifugieren lässt sich mit dem Schleudern von nasser Wäsche in der Waschmaschine oder mit dem Prinzip einer Salatschleuder vergleichen – durch die hohe Drehzahl entstehen Fliehkräfte, sodass die Feststoffteilchen an den Boden des Reagenzglases oder Behälters gedrückt werden. Die Flüssigteile spalten sich ab und können dekantiert werden.

Der Aufbau der Zentrifuge entspricht diesem Prinzip: So ist sie mit einem Zentrifugiergutraum zur Stofftrennung und mit einem Motor zum Erzeugen der Umdrehungen ausgestattet. Sie fasst üblicherweise mehrere Röhrchen, welche sich im Inneren des Geräts kreisförmig anordnen lassen.

Wozu dient das Zentrifugieren?

Die Zentrifugation ist in der Chemie ein häufig gesehenes Verfahren und kommt vor allem in Technik, Labor, Humanmedizin und Raumfahrtmedizin vor. Durch die Phasentrennung können beispielsweise Blutbestandteile getrennt oder feste und flüssige Teilchen in der Suspension aufgespalten werden. Auch im Alltag ist das Prinzip zu finden – man denke etwa an das Entrahmen von Milch, das Schleudern von Wäsche in der Maschine oder das Entfernen von Honig aus der Wabe.

Bei der Probenvorbereitung im Labor können außerdem mehrere Techniken des Zentrifugierens unterschieden werden. Diese gliedern sich grob in differenzielle Zentrifugation, analytische Ultrazentrifugation und isopyknische bzw. Zonenzentrifugation auf.

Differenzielle Zentrifugation

Beim differenziellen Zentrifugieren werden Unterschiede in der Sedimentationsgeschwindigkeit genutzt, um verschiedene Zellfraktionen zu erhalten und immer weiter trennen zu können. Dafür kommen die Proben nacheinander in die Zentrifuge, wobei die Drehzahl und Geschwindigkeit immer weiter erhöht wird. Der Überstand wird nach jedem Schritt abgenommen und danach neu zentrifugiert.

Üblich ist oftmals, mit einer Geschwindigkeit von 1.000 g (g als Vielfaches der mittleren Erdbeschleunigung) zu beginnen und den Überstand danach bei 2.000 g erneut zu zentrifugieren. Mikrosomen und kleine Vesikel werden zuletzt bei 80.000 bis 150.000 g abgetrennt.

Analytische Ultrazentrifugation

Analytische Untrazentrifugationen eignen sich insbesondere bei speziellen Fragestellungen, da sie eine leistungsstarke Zentrifuge und einen optischen Detektor – zum Beispiel ein Refraktometer oder ein Spektrophotometer – erforderlich machen. Es kommen UV-durchlässige Küvetten zum Einsatz, die mit Auslassungen aus Saphir oder Quarz versehen sind.

Die Absorption der Probe wird während der Zentrifugation wiederholt gemessen. Aus diesen Messwerten lässt sich dann die Konzentration der sedimentierten Teilchen bestimmen, was zum Beispiel für die Berechnung des Sedimentationskoeffizienten der einzelnen Moleküle herangezogen werden kann.

Isopyknische und Zonenzentrifugation

Haben die Teilchen zwar ähnliche Sedimentationsgeschwindigkeiten, aber unterschiedliche Größen, kommt hingegen die isopyknische Zentrifugation (die auch als Zonenzentrifugation bezeichnet wird) infrage. Dabei wird die die Probe auf einen diskontinuierlichen Dichtegradienten aus mehreren Schichten mit aufsteigender Konzentration gegeben und mit niedriger Umdrehung zentrifugiert. Die Teilchen bilden sich dann auf dem Gradienten aus.

Verfahren in der Chemie: Zentrifugieren

Das Zentrifugieren ist in der Chemie aber nicht das einzige Verfahren zum Trennen von Stoffen. Stattdessen kommt eine Reihe weiterer Optionen infrage. Diese beziehen sich allerdings nicht alle auf die Trennung von mehrphasigen Stoffgemischen, weshalb sie mitunter nur für andere chemische Angelegenheiten infrage kommen.

Der Vorteil des Zentrifugierens liegt in der direkten Gegenüberstellung oft darin, dass beide Stoffe erhalten bleiben und praktisch komplett voneinander getrennt werden können. Das kann im Labor praktisch sein. Vergleiche können beispielsweise zu den folgenden Verfahren angestellt werden:

• Filtrieren: Moleküle werden mit einer Membran samt kleinporigem Filter voneinander getrennt (man denke etwa an das Filtrieren von aufgebrühtem Tee). Dabei ist aber nur eine inkomplette Phasentrennung möglich, da auch Flüssigkeit im Filter zurückbleibt.
• Dekantieren: Fest- und Flüssigstoffe werden aufgrund unterschiedlicher Dichten voneinander getrennt. Ein gutes Beispiel ist etwa das Abgießen von Bodensatz in Wein. Auch dieses Verfahren ist im Gegensatz zum Zentrifugieren inkomplett.
• Sieben: Beim Sieben spielen ebenfalls unterschiedliche Dichten bzw. Korngrößen eine Rolle, sodass Stoffgemische durch Siebe mit passenden Lochgrößen gegeben werden.
• Abscheiden: Das Abscheiden funktioniert mit einem Scheidetrichter, sodass Stoffe mit einer größeren Dichte unten verbleiben und solche mit einer geringeren Dichte nach oben steigen. Dabei können die Flüssigkeiten aber nicht mischbar sein, was wiederum einen Unterschied zum Zentrifugieren darstellt.
• Eindampfen: Wird ein Stoffgemisch eingedampft bzw. eingedunstet, geht das flüchtige Lösungsmittel durch ein Trocknungsverfahren verloren. Es wird nur der Feststoff isoliert und abgetrennt.

So zentrifugieren Sie richtig: Do’s & Don‘ts

Damit beim Zentrifugieren ein aussagekräftiges Laborergebnis erzielt werden kann, sollte auf einige wichtige Vorkehrungen geachtet werden. Neben den Anwendungshinweisen der Zentrifuge gibt es weitere Do’s und Don’ts, wenn es um die optimale Bedienung, Beladung und Nutzung dieses Verfahrens geht.

Häufige Fehler

Ganz oben auf der Liste steht die Vermeidung von häufigen Fehlern – so wird die Arbeit mit der Zentrifuge schnell zur Routinearbeit. Zu den üblichen Fehlern können etwa die folgenden Punkte gezählt werden:

• Falsches Beladen: Wichtig ist, dass alle Röhrchen und Becher beim Zentrifugieren symmetrisch und gleichmäßig schwingen können. Werden keine gleichen Gewichtsklassen an gegenüberliegenden Positionen verwendet, fehlt ein entsprechendes Ausbalancieren. Gleiches gilt bei einer zu hohen Beladung – dann verringert sich womöglich die Drehzahl, was sich ebenfalls negativ auswirken kann.
• Unpassende Gefäße: Zusätzlich ist darauf zu achten, dass nur passende Flaschen und Röhren in der Zentrifuge eingesetzt werden. Diese müssen eine chemische und mechanische Beständigkeit aufweisen, dürfen den Deckel beim Verschließen des Geräts nicht verkanten und müssen unbeschädigt sein.
• Fehlende Reinigung: Wird das Innenleben der Zentrifuge nicht in regelmäßigen Abständen gründlich gereinigt, kann durch die Einwirkung von Chemikalien und Feuchtigkeit Korrosion entstehen. Daher sollte der Rotor nach jedem Durchlauf gesäubert und getrocknet werden.
• Loser Rotor: Apropos Rotor – ist dieses elementare Bauteil zu lose montiert oder sitzt es nicht richtig, sind ebenfalls Beschädigungen vorprogrammiert. Das sollte unbedingt vor jedem Betrieb der Zentrifuge kontrolliert werden.
• Überzogene Rotor-Nutzungsdauer: Auch die Lebensdauer eines Rotors ist begrenzt, was sich durch die hohen g-Kräfte bei der Verwendung der Zentrifuge ergibt. Der Rotor muss regelmäßig auf Kratzer und Beschädigungen kontrolliert und nach einiger Zeit ausgetauscht werden.
• Freisetzung von Mikroorganismen: Wer mit Aerosolen und anderen Mikroorganismen arbeitet, muss außerdem auf dichte Behälter und einen vorsichtigen Umgang achten. Werden Aerosole im Gerät frei, sorgen sie für eine Kontamination und können mitunter gesundheitsgefährdend für den Anwender sein.

Richtig zentrifugieren

Wie in der Chemie richtig zentrifugiert wird, ergibt sich aus der Umkehrung der häufigsten Fehler – solange die obigen Vorkehrungen eingehalten und Schritte durchgeführt werden, ist der Anwender zumeist auf der sicheren Seite. Zusätzlich sollte darauf geachtet werden, dass die Zentrifuge einen Sicherheitsabstand von etwa 30 cm zu allen umliegenden Objekten hat und sich im Zweifelsfall bei der Rotation und Vibration leicht bewegen kann. Hinzu kommen die folgenden Maximen für ein sauberes Arbeiten mit der Zentrifuge:

• Einstellung der Drehzahl: Die Drehzahl pro Minute gibt die Geschwindigkeit an, mit der die Zentrifuge rotiert. Diese sollte immer auf das Gut im Gerät angepasst werden, wobei eine Orientierung an der DIN 58970-2 möglich ist. Viele moderne Laborgeräte rechnen die Drehzahl automatisch in die RZB (Relative Zentrifugalbeschleunigung) um, die inzwischen maßgeblich ist.
• Einhaltung etwaiger Wartezeiten: Einige Laborproben müssen außerdem mehrfach zentrifugiert werden, wobei zwischen den einzelnen Durchgängen Wartezeiten eingehalten werden sollten. Gleiches gilt für die Dauer des Zentrifugierens – auch hierfür gibt es Vorgaben.
• Prüfung der Zentrifugationsbedingungen: Zusätzlich ist darauf zu achten, dass die Proben bei der richtigen Temperatur zentrifugiert werden und der Behälter zu den Vorgaben des Materials passt. Dazu zählen auch die Lagertemperaturen, die Beleuchtung und etwaige Ablaufdaten.

Zentrifugieren sollte mit Bedacht ausgeführt werden

Das Zentrifugieren gehört zu den üblichen Verfahren in der Chemie und dient der Trennung von Stoffgemischen, wobei auf die Zentrifugalkraft zurückgegriffen wird. Da Zentrifugen eine hohe Geschwindigkeit entwickeln, sollte beim Betrieb auf eine korrekte Durchführung und Handhabung des Geräts, der Röhrchen und Behälter sowie der Laborproben geachtet werden. Wer häufige Fehler vermeidet und auf ein sauberes Arbeiten achtet, ist auf der sicheren Seite.

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