Um Bestandteile eines Gemischs zu untersuchen, muss dieses in der Regel getrennt werden. Eine einfache und häufig angewendete Trennmethode ist die Zentrifugation. Zentrifugen nutzen die bei einer Drehbewegung auf die Gemischbestandteile einwirkende Fliehkraft zur Beschleunigung des Trennvorgangs. Zentrifugen, deren Trennprinzip auf dem unterschiedlichen Verhalten der Gemischbestandteile im Schwerefeld beruht, werden als Sedimentationszentrifugen bezeichnet. Bei der Sedimentation ordnen sich unterschiedliche Bestandteile eines Gemischs in Schichten an. Die Absink- oder Sedimentationsgeschwindigkeit der Bestandteile hängt hauptsächlich von deren Dichte ab. Teile höchster Dichte lagern sich zuunterst ab. Die restlichen Bestandteile folgen in der Reihenfolge abnehmender Dichte. Unter dem Einfluss der natürlichen Schwerkraft kann die Sedimentation Stunden oder Tage dauern. Da die in der Zentrifuge wirkenden Fliehkräfte ein Vielfaches der Schwerkraft betragen, trennen sich die Gemischbestandteile in ihr sehr viel schneller. Für Zentrifugen wurde eine beträchtliche Anzahl unterschiedlicher Rotortypen entwickelt. In Laborzentrifugen verwendet man hauptsächlich Winkelrotoren und Ausschwingrotoren. Beide Rotorarten haben ihre spezifischen Vorteile.

Bei Winkelrotoren handelt es sich meist um massive Körper mit glatter und geschlossener Oberfläche. Sie sind mit Bohrungen versehen, die die Zentrifugiergefäße aufnehmen. Die Gefäße stehen in einem festen Winkel zur Rotorachse und behalten diese Winkellage auch während der Zentrifugation bei. Aufgrund ihrer glatten Oberfläche bieten Winkelrotoren einen geringeren Luftwiderstand und können bei gleicher Antriebsleistung höhere Drehzahlen als Ausschwingrotoren erreichen. Die zentrifugierten Teilchen bewegen sich zunächst radial nach außen, treffen nach vergleichsweise kurzer Strecke auf die geneigte Gefäßwand und gleiten an dieser, befördert durch die Fliehkraft, zum Gefäßboden hinab. Konvektionsströmungen im Gefäß sorgen zusätzlich für eine schnelle Sedimentation. Winkelrotoren ermöglichen daher relativ kurze Zentrifugierzeiten.

In dieser Art Rotor schwingen die Gehänge mit zunehmender Rotordrehzahl um bis zu 90° aus der vertikalen Lage aus. Dadurch orientieren sich die Zentrifugiergefäße in Richtung des wirksamen Schwerefelds. Der Sedimentationsvorgang erfolgt in Richtung der Gefäßachse, sodass sich das Sediment in gleichmäßiger Schichtdicke am Boden des Gefäßes bildet. Wegen des starken Luftwiderstands, den die zerklüftete Form der Rotoren mit den ausschwingenden Gehängen erzeugt, erreichen Ausschwingrotoren niedrigere Drehzahlen als vergleichbare Winkelrotoren. Dies und der längere Weg, den die Partikel im Ausschwingrotor bis zum Gefäßboden zurücklegen müssen, hat längere Zentrifugierzeiten zur Folge.

Ein wichtiges Bewertungskriterium der Trennleistung einer Zentrifuge bzw. eines Rotors ist die relative Zentrifugalbeschleunigung (RZB), englisch „relative centrifugal force“ (RCF) genannt. Die auch als g-Zahl bezeichnete relative Zentrifugalbeschleunigung gibt den Faktor an, um den die Zentrifugalbeschleunigung die Erdbeschleunigung übersteigt. Dabei handelt es sich um einen einheitenfreien Zahlenwert.

Zur Bestimmung der RZB benötigt man den Rotorradius und die Drehzahl. Es gilt die Formel:

RZB = (n/1000)2 x r x 1,118

n = Umdrehung in min-1 (RPM)

r = Radius in mm (= Strecke zwischen Rotormittelpunkt und Boden des Zentrifugiergefäßes)

Wichtig für die Praxis: Eine Verdoppelung des Rotorradius einer Zentrifuge führt zu einer Verdoppelung der relativen Zentrifugalbeschleunigung, eine Verdoppelung der Drehzahl zu einer Vervierfachung.

Quelle: Informationszentrum für Labortechnik GmbH: Laborkatalog. 17. Ausgabe. Berlin 2020. S. 702.