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Zentrifugen - alles dreht sich um die Scheidung

Simulation bei Laborzentrifugen.

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Nein, dieser Blogartikel beschäftigt sich nicht mit Trennungsthemen, bei denen leichtere Frauen von Ihren meist schwereren Männern getrennt werden, obwohl thematische Ähnlichkeiten nicht von der Hand zu weisen sind. Hier geht es eher um die stoffliche Trennung.

Ob Salatschleuder oder Laborzentrifuge, will man den Salat vom Wasser oder Emulsionen bzw. Mischungen voneinander trennen, so muss man das Ganze nur schnell genug drehen. Das dichtere Medium sammelt sich außen und das leichtere Material innen. Das ist das Grundprinzip einer Zentrifuge.

Es gibt zwar noch andere Möglichkeiten, die aber weniger effektiv sind:

Lässt man z.B. ein Gemisch von Wasser und Öl lange genug stehen, schwimmt aufgrund der Gravitation die leichtere Flüssigkeit, also das Öl, oben und das schwerere Wasser sinkt nach unten. Aber das dauert.

Auf dem Jupiter sollte das etwas schneller gehen, als auf der Erde, da die Gravitation dort um den Faktor 2,53 höher ist. Noch höher ist die Gravitation auf der Sonne mit dem 27,94- fachen der Erdbeschleunigung. Aber beide sind weit weg und insbesondere die Sonne zu heiß.

Schauen wir uns demgegenüber eine moderne Hochleistungszentrifuge an.

Eine Zentrifuge nutzt die bei einer Rotation auftretende Fliehkraft, die ebenfalls einer Beschleunigung entspricht. Moderne Zentrifugen bringen es auf den bis zu 1.000-fachen Wert der Erdbeschleunigung. Dieser Wert, oft als Schleuderziffer benannt, lässt die Gravitation des Jupiters und der Sonne vor Neid erblassen.

Was wird getrennt?

Welche Stoffe müssen nun in einem Labor separiert werden?

Bei einer Laborzentrifuge ist dies oft Blut, bei dem die roten und weißen Blutkörperchen vom Blutplasma getrennt werden. Aber auch zur Isolierung der DNA werden Zentrifugen eingesetzt.

Chemielabore kommen ebenfalls ohne Zentrifugen nicht aus und bei der Anreicherung von Uran werden ebenfalls große Zentrifugen genutzt. Auch im Iran.

Ein Blick auf das Risiko

Da bei Laborzentrifugen oft Drehzahlen von über 18.000 U/min auftreten, besteht ein gewisses Risiko, wenn es zu überhöhten Unwuchten oder gar zu Brüchen innerhalb der Zentrifugen kommt.

Die Umfangsgeschwindigkeiten liegen bei einem Radius von 50 mm und einer Drehzahl von 18.000 U/min bei fast 100 m/s. Die hierbei wirkenden Strömungskräfte sind enorm, man muss sich nur vorstellen, was passiert, wenn man bei Tempo 360 km/h die Hand zum offenen Fenster seines Autos streckt. Die allermeisten Autos sind für so einen Versuch aber mangels an Allem (vom Motor über das Fahrwerk bis zu den Reifen) nicht geeignet.

Im Betrieb

Beim Betrieb einer Zentrifuge im Labor kann man einiges falsch machen.

Man kann die Zentrifuge falsch beladen, wodurch sie nicht ausbalanciert ist und zu hohe Unwuchten entstehen. Der Rotor kann nicht ordnungsgemäß montiert sein oder es werden falsche Flaschen oder Röhrchen verwendet. Die Beladung kann zu hoch sein oder der Rotor wird zu lange benutzt. Oder man hat vergessen, den Stecker in die Steckdose zu stecken.

All dies lässt sich durch geeignete Vorschriften und deren Einhaltung vermeiden.

Konstruktion und Entwicklung

Wie aber ist es bei der Konstruktion und Auslegung einer Zentrifuge?

Bei der Entwicklung einer Zentrifuge sind die Fragestellungen an die Simulation andere:

Was passiert zum Beispiel, bei dem Bruch eines Rotors. Treten Bruchstücke nach außen oder ist Containment gewährleistet? Was macht das gesamte Gehäuse beim Bruch, bleibt die Konstruktion stehen oder springt die Konstruktion unkontrolliert durch die Gegend? 

Sind die rotierenden Bauteile ausreichend dimensioniert? Sind sie dauerfest oder muss nach einer gewissen Zeit z.B. der Rotor getauscht werden?

Werden durch die Drehzahl oder auch durch Unwuchten Resonanzen erregt? Wo liegen die Eigenfrequenzen der Zentrifuge? Werden kritische Frequenzen schnell durchfahren oder gelingt es, dass im gesamten Drehzahlbereich keine Resonanzen liegen?

Wie sind die Strömungsverhältnisse in der Zentrifuge? Wie laut sind die Geräusche und warum? Gibt es bei gekühlten Zentrifugen Temperaturunterschiede und wenn ja, wie hoch sind diese? Welche Antriebsleistung benötigt die Zentrifuge, um die Strömungskräfte zu überwinden?

Hier kann die Simulation helfen, Zentrifugen so zu optimieren, dass immer höhere Drehzahlen möglich werden, der Wirkungsgrad optimiert ist, dass Schwingungen und Vibrationen klein sind, dass die Zentrifugen leiser werden (ein klassisches Strömungs- oder CFD-Thema) und dass ausreichend Sicherheit im Falle eines Rotorbruchs gegeben ist.

Auch die Auslegung der Lagerung und der Schwingungsentkopplung durch Gummilager sind Themen, die über die Simulation mit FEM betrachtet werden können.

Wir unterstützen Sie gerne bei der Beantwortung solcher Fragen durch unser langjähriges und einzigartiges Knowhow im Bereich der Simulationen.

Fragen Sie uns gerne unverbindlich an, wir freuen uns auf Sie.

Ihr Stefan Merkle

PS: Sie können auch gerne im Zeichen der Digitalisierung über https://www.merkle-partner.de/kontakt ihren Wunschtermin bei Ihrem Wunschpartner direkt vereinbaren. Falls Sie nicht wissen, wer das ist, suchen wir Ihnen den passenden Ansprechpartner aus. Schließlich muss Deutschland seinen hinteren Platz bei der Digitalisierung nicht die nächsten Jahre weiter erfolgreich verteidigen.

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