Die Röhrenzentrifuge trennt Stoffe unterschiedlicher Dichte. Sie gehört damit in der Verfahrenstechnik zu den sogenannten Separatoren. Wie bei allen Zentrifugen unterstützt die Zentrifugalkraft die Trennung von festen (disperse Phase) und flüssigen Bestandteilen (homogene Phase). Auch die Trennung zweier flüssiger Phasen (gegebenenfalls unter gleichzeitiger Abscheidung eines Feststoffs) ist möglich.
Im Gegensatz zur Laborzentrifuge, bei der die zu trennende Suspension in Zentrifugenröhrchen abgefüllt wird, handelt es sich bei der Röhrenzentrifuge um ein halb-kontinuierliches Verfahren. Durch die andauernde Zufuhr und gleichzeitige Entnahme während des Betriebs der Zentrifuge können höhere Produktmengen verarbeitet werden.
Funktionsprinzip Fest-Flüssig-Trennung (Dekantieren) mini|Der Sedimentationstank veranschaulicht die Trennung von festen und flüssigen Teilen einer Suspension unter dem Einfluss der Erdbeschleunigung. Das Trennverfahren einer Röhrenzentrifuge kann mit einem Sedimentationstank verglichen werden, bei dem die Suspension kontinuierlich von einem höher gelegenen Zulauf in den Tank hinein und zugleich am anderen Ende wieder abfließt. Die Feststoffe setzen sich am Tankboden ab, und die geklärte Flüssigkeit fließt von einem niedrigeren Auslauf (auch Wehr genannt) wieder aus dem Tank heraus.
Physikalische Grundlagen Die Fließgeschwindigkeit (vF) und die Sedimentationsgeschwindigkeit (vS) des jeweiligen Partikels bestimmen, an welcher Stelle sich dieses im Tank ablagert. Die Fließgeschwindigkeit entspricht dem Quotienten des Volumenstroms der zugeführten Suspension und der Querschnittsfläche des Tanks. Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird durch die Stokessche Gleichung bestimmt:
mini|Röhrenzentrifuge: Dargestellt ist ein senkrecht stehender Zylinder, der um seine Mittelachse rotiert. Die Zentrifugalkraft treibt die Flüssigkeit an die Wandung des Zylinders. In der Mitte bildet sich ein zylindrischer Hohlraum. Die Zentrifugalbeschleunigung lässt die Partikel schneller sedimentieren, als es allein unter dem Einfluss der Erdbeschleunigung geschehen würde. Die auf das Partikel wirkende Erdbeschleunigung erzeugt dabei jene Kraft, die das einzelne Partikel zum Boden des Tanks sinken lässt.
Röhrenzentrifugen funktionieren nach dem gleichen Prinzip, wobei die Erdbeschleunigung durch die Zentrifugalbeschleunigung ersetzt ist, was eine höhere Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel zur Folge hat.
Mit der in der Zentrifuge wirkenden Zentrifugalbeschleunigung:
ergibt sich für die Stokessche Gleichung:
mini|Innenansicht: Rotor mit Auffangschale einer Röhrenzentrifuge
Verwendete Formelzeichen und ihre Bedeutung ZeichenBedeutungZentrifugalbeschleunigungDrehzahl in min−1Masse des PartikelsRadius von der Rotormitte zum PartikelSedimentationsgeschwindigkeitErdbeschleunigungRadius des PartikelsDichte des PartikelsDichte der FlüssigkeitDynamische Viskosität der FlüssigkeitRelative Centrifugal Force (relative Zentrifugalkraft), auch Schleuderziffer genannt
Hieraus folgt: Die Kraft auf das Partikel, und damit dessen Sinkgeschwindigkeit, steigt quadratisch mit der Drehzahl der Zentrifuge. Mit kleiner werdenden Partikeln (z. B. Nanopartikel) reduziert sich die Sinkgeschwindigkeit quadratisch mit der Größe des Partikels.
Die Zentrifugalkraft ist vom Durchmesser des rotierenden Behälters, aber noch stärker von dessen Drehzahl abhängig.
Die Zentrifugalbeschleunigung wird auch als Vielfaches der Erdbeschleunigung angegeben:
Moderne Röhrenzentrifugen erreichen eine relative Zentrifugalkraft von 80.000, in Einzelfällen sind bereits mehr als 100.000 erreicht worden.
Verfahrensablauf Die Zentrifuge startet in trockenem Zustand. Mit dem Erreichen der Enddrehzahl wird die Suspension, im Bild hellgrün dargestellt, in den Rotor eingefüllt. Die Feststoffe lagern sich an der Rotorwand ab (dunkelgrün). Die geklärte Flüssigkeit, das Zentrat, verlässt den Rotor über das Wehr und prallt an die Wandung der Auffangschale. mini|Schematische Darstellung des Rotors, der Feststoffablagerung (dunkelgrün) und der Auffangschale oben. In der Regel ist entweder die geklärte Flüssigkeit oder der im Rotor verbliebene Feststoff das gewünschte Produkt. Zur Entnahme des Feststoffs wird die Zentrifuge angehalten und der Rotor entnommen, an dessen Wandung sich der Feststoff abgelagert hat.
Vorteile Von allen Zentrifugen nach dem Durchlaufprinzip (die Suspension wird kontinuierlich zugeführt) erzeugen Röhrenzentrifugen die höchsten Kräfte innerhalb des Rotors. Damit gelingt es, auch sehr kleine Partikel (Durchmesser ~ 10 nm) abzutrennen. Generell ist dieser Zentrifugentyp dann besonders geeignet, wenn der Anteil des Feststoffs in der Suspension sich in einem Bereich unterhalb von 10 % bewegt. Gerade bei sehr geringen Feststoffanteilen (< 1 %) hat diese Technik große Vorteile.
Der Feststoff hat bei der Entnahme meist eine vaselineartige Konsistenz und ist gut zu entnehmen. In seltenen Fällen erzeugt die hohe Kraft auf die Partikel auch festere Strukturen (Beispiel Titandioxid).
Die mit der Zentrifuge gewonnenen Feststoffe haben häufig einen hohen Materialwert. Im Gegensatz zur Separation mit der Zentrifuge treten bei der Filtration Produktverluste durch das im Filter hängen bleibende Material auf.
Nachteile Die hohen Drehzahlen der Röhrenzentrifuge verlangen eine präzise Lagerung von Rotor und Antrieb und die Minimierung von Unwuchten. Zum Ausräumen des Feststoffs ist die Verbindung zum Antrieb zu lösen und der Rotor aus dem Zentrifugengehäuse zu entnehmen.
Inzwischen werden auch Zentrifugen mit automatisiertem Austrag des Feststoffs angeboten. Diese erreichen aber aktuell nur einen Bruchteil der Schleuderziffer.
Einsatzgebiete
Abtrennung von Bakterien und Viren Mit dem Aufkommen gen-angepasster Bakterien, vornehmlich Escherichia coli, und Hefen zur Produktion bestimmter Enzyme als Basis von Medikamenten, kamen weitere Einsatzgebiete hinzu. Nach der Entnahme aus dem Fermenter werden die Bakterien häufig in einem ersten Schritt des Downstream Processing in einer Röhrenzentrifuge von der Nährflüssigkeit abgetrennt.
Separation von Nanopartikeln Auch das Aufkommen der Nanopartikelproduktion in Chemiereaktoren hat das Einsatzgebiet dieses Zentrifugentyps erweitert. Nanopartikel liegen, nach der Erzeugung im Reaktor, meist in sehr geringen Volumenkonzentrationen vor. Röhrenzentrifugen eignen sich zur schonenden Abtrennung der Partikel. Seit 2015 unterstützt die Europäische Union im Rahmen des Aufrufs H2020H2020 https://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/h2020-sections entsprechende Forschungsvorhaben wie das Projekt Co-PilotProjekt Co-Pilot: http://www.h2020copilot.eu/. Erste Forschungsergebnisse zeigen dabei, dass die Röhrenzentrifuge sehr gut geeignet ist, die Nanopartikel so abzutrennen, dass eine ausgezeichnete Redispersion möglich ist, beispielsweise in Kunststoffen.Publikation: Continuous flow synthesis and cleaning of nano layered double hydroxides and the potential of the route to adjust round or platelet nanoparticle morphology http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ra/c6ra09553d#!divAbstract
Funktionsprinzip Flüssig-Flüssig-Trennung Analog dem Sedimentationstank bei der Fest-Flüssig-Trennung zeigen die Kommunizierende Röhren die funktionalen Grundlagen um zwei gemischte Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte zu trennen. In den meisten Fällen ist dabei eine Flüssigkeit, als kleine Tröpfchen, innerhalb der anderen emulgiert. Zuerst trennt dabei die Zentrifugalkraft, analog der Fest-Flüssig-Trennung die beiden Phasen voneinander. Eine entsprechende Anordnung der Wehre sorgt, wie nachfolgend beschrieben, dafür, dass die Flüssigkeiten getrennt aus der Zentrifuge ausgeleitet werden.
Physikalische Grundlagen mini|U-Rohr mit Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte Aufgrund der geringeren Dichte der leichten Phase (z. B. Öl) liegt deren Pegel höher als jener der schweren Phase (z. B. Wasser)!
An der gedachten Grenzfläche ist der Druck der beiden Flüssigkeitssäulen gleich, mit : Lew Dawidowitsch Landau, Jewgeni Michailowitsch Lifschitz: Statistische Physik. Teil I. Akademie Verlag, Berlin 1979/1987, ISBN 3-05-500069-2, S. 70. ergibt sich an der Grenzfläche:
Verwendete Formelzeichen und ihre Bedeutung ZeichenBedeutungDichte der schweren PhaseDichte der leichten PhaseHöhe der TrennstelleHöhe der leichten PhaseHöhe der schweren PhaseErdbeschleunigungZentrifugalbeschleunigungRadius inneres WehrRadius äußeres WehrRadius TrennstelleInnenradius des Rotors mini|Zentrifugale Trennung zweier flüssiger Phasen (z. B. Öl und Wasser)
Grundlegender Aufbau Diesen Effekt der geschichteten Flüssigkeiten macht man sich bei der Trennung zweier flüssiger Medien in der Zentrifuge zu Nutze. Das Hydrostatische Paradoxon zeigt, dass die Form des Gefäßes, auf beiden Seiten der gedachten Trennstelle, unerheblich für die Funktion ist.
Der mechanische Aufbau der Zentrifuge bedingt, meist durch entsprechende Kanäle im Kopf des Rotors, dass in diesem Fall zwei Wehre vorhanden sind. Die Zentrifugalbeschleunigung sorgt für die Trennung des Stoffgemisches. In der Folge lagert sich die schwere Phase in der Nähe der Rotorwandung ab, die leichte Phase schichtet sich darüber. Analog zu den Kommunizierende Röhren würde man vermuten:
durch
liegt eine klare Abhängigkeit der Zentrifugalbeschleunigung vom Radius vor. Um den realen Druck an der Trennstelle zu erhalten, ist es notwendig über den Radius zu integrieren. Man erhält somit:
mini|Trennung zweier flüssiger Phasen – Originalbild der Auffangschalen. Die leichte Phase tritt am inneren Wehr aus, die schwere Phase am äußeren. Zwei separate Auffangschalen fangen die vom Rotor ab geschleuderten Tröpfchen auf und leiten diese aus der Zentrifuge heraus.
Das innere Wehr wird technisch oft durch einen Trennring ausgebildet, welcher austauschbar sein sollte. Durch den inneren Durchmesser dieses Trennrings, in obiger Formel durch ausgedrückt, lässt sich die Zentrifuge auf nahezu beliebige Dichteverhältnisse der beiden flüssigen Phasen einstellen.
Inhärenter Sonderfall der Dreiphasentrennung Viele Anwender wundern sich beim Einsatz der Röhrenzentrifuge über Ablagerungen im Zylinder. Bauartbedingt ist die Röhrenzentrifuge immer ein sogenannter drei-Phasentrenner. Alle Feinstpartikel, die in den beiden flüssigen Phasen noch enthalten sind, unterliegen gleichfalls der Zentrifugalbeschleunigung. Durch die hohe Drehzahl der Röhrenzentrifuge erfolgt zusätzlich, parallel zum flüssig-flüssig-Trennprozess, eine Abtrennung von Feinpartikeln aus den beiden flüssigen Phasen.
Verfahrensablauf Die Bedienung der Maschine erfolgt, bis auf wenige Details, identisch zur Fest-Flüssig-Trennung. Die getrennten Auffangschalen sorgen dafür, dass die beiden Flüssigkeiten auf getrennten Wegen das Gehäuse der Zentrifuge verlassen. Wichtig ist in diesem Verfahrensschritt die Befüllung der Zentrifuge. Es ist von großer Bedeutung, dass man beim Einspritzen der Flüssigkeit damit beginnt, eine saubere schwere Phase einzuspeisen. Diese muss jene Stelle, auf welche sich auf das hydraulische Gleichgewicht bezieht, zuerst füllen. Hält man sich nicht an diese Regel, so kann es vorkommen, dass zu Beginn des Trennvorgang noch leichte Phase auf dem Ablass der schweren Phase austritt. Nachdem die schwere Phase dann am entsprechenden unteren Ablauf austritt stellt man, meist über entsprechende Ventile, um auf das Stoffgemisch.
Vorteile Im Vergleich zu Separatoren, welche am häufigsten für die Trennung zweier Flüssigkeiten zum Einsatz kommen, finden durch die Drehbewegung des Rotors nur sehr geringe Verwirbelungen der beiden Flüssigkeiten statt. Der Trennvorgang ist damit einfacher. Die rotierenden Scheiben von Separatoren sorgen für Turbulenzen zwischen den Flüssigkeiten. Dies kann dazu führen, dass Teile der leichten im Auslauf der schweren Phase austreten und umgekehrt.
Nachteile