Grundsätzlich können durch Zentrifugation die Bestandteile jedes heterogenen Gemisches getrennt werden, bei dem sich diese Bestandteile in physikalischen Eigenschaften wie Dichte, Größe oder Form unterscheiden. Es handelt sich um eine leistungsstarke Labor- und Industrietechnik, die verwendet wird, um Feststoffe von Flüssigkeiten, nicht mischbare Flüssigkeiten voneinander und sogar Makromoleküle von einem Lösungsmittel zu trennen, indem die Schwerkraft dramatisch verstärkt wird.
Das Kernprinzip, das es zu verstehen gilt, ist, dass die Zentrifugation Substanzen nicht aufgrund ihrer Chemie trennt, sondern aufgrund ihrer Physik. Wenn Komponenten in einem Gemisch unterschiedliche Dichten aufweisen, zwingt das Zentrifugieren das dichtere Material nach unten, während das weniger dichte Material oben bleibt.
Das Grundprinzip: Wie die Zentrifugation funktioniert
Die Zentrifugation ist im Wesentlichen eine Methode der beschleunigten Sedimentation. Sie ersetzt die relativ schwache Kraft der Schwerkraft durch eine viel stärkere Zentrifugalkraft, die durch Hochgeschwindigkeitsrotation erzeugt wird.
Verstärkung der Schwerkraft
Eine Zentrifuge dreht Proben um eine feste Achse und setzt sie einer starken Zentrifugalkraft aus, die als Relativ Zentrifugalkraft (RZF) oder G-Kraft bezeichnet wird. Diese Kraft kann Tausende oder sogar Hunderttausende Male größer sein als die Erdgravitation.
Diese immense Kraft beschleunigt die natürliche Tendenz dichterer Partikel, sich aus einem Gemisch abzusetzen, dramatisch.
Die entscheidende Rolle der Dichte
Der wichtigste Faktor für die Trennung ist die Dichte. Wenn ein Gemisch zentrifugiert wird, wird jede Komponente der gleichen Zentrifugalkraft ausgesetzt.
Die dichteren Komponenten verdrängen jedoch die weniger dichten Komponenten und zwingen das dichtere Material, sich nach außen zu bewegen und sich als Pellet am Boden des Röhrchens anzusammeln. Die weniger dichte Flüssigkeit, die darüber verbleibt, wird als Überstand (Supernatant) bezeichnet.
Der Einfluss von Partikelgröße und -form
Obwohl die Dichte primär ist, spielen auch die Größe und Form der Partikel eine Rolle. Größere Partikel sedimentieren schneller als kleinere Partikel gleicher Dichte, da sie mehr Masse haben, um den viskosen Widerstand der Flüssigkeit zu überwinden.
Dieses Prinzip ist die Grundlage der Dichtegradientenzentrifugation (Differentialzentrifugation), einer Technik zur Trennung von Komponenten unterschiedlicher Größe, wie z. B. zellulären Organellen.
Häufige Anwendungen und trennbare Gemische
Dieses Prinzip ermöglicht eine unglaublich breite Palette von Anwendungen in Biologie, Chemie und Industrie.
Feststoff-Flüssigkeits-Trennungen
Dies ist die häufigste Anwendung der Zentrifugation. Sie wird verwendet, um feste Partikel zu trennen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind.
Beispiele hierfür sind das Pelletieren von Bakterienzellen oder Eukaryotenzellen aus einem Wachstumsmedium, das Sammeln eines bei einer chemischen Reaktion gebildeten Niederschlags oder die Klärung von Wein und Bier durch Entfernung von Hefe.
Flüssig-Flüssig-Trennungen
Die Zentrifugation ist sehr effektiv bei der Trennung von zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten – Flüssigkeiten, die sich nicht vermischen, wie Öl und Wasser.
Der Prozess bricht Emulsionen schnell auf und zwingt die dichtere Flüssigkeit nach unten und die weniger dichte Flüssigkeit nach oben, wodurch sich zwei getrennte Schichten bilden. Dies wird in der Milchverarbeitung verwendet, um Sahne (Fett) von Milch zu trennen.
Biologische und makromolekulare Trennungen
Mit Hochgeschwindigkeits- oder Ultrazentrifugen ist es möglich, sehr kleine Komponenten mit nur geringen Dichteunterschieden zu trennen.
Dazu gehören die Trennung von Blutbestandteilen (rote und weiße Blutkörperchen vom Plasma), die Isolierung von zellulären Organellen (wie Mitochondrien, Zellkernen und Ribosomen) und die Reinigung von Makromolekülen wie Proteinen, DNA und RNA aus Zellextrakten.
Verständnis der Grenzen
Dem Prozess zu vertrauen bedeutet zu verstehen, was er nicht leisten kann. Die physikalischen Prinzipien, die die Zentrifugation so leistungsfähig machen, definieren auch ihre Grenzen.
Was die Zentrifugation nicht trennen kann
Die Zentrifugation ist bei homogenen Gemischen, oft als echte Lösungen bezeichnet, unwirksam. In einer echten Lösung, wie Salz in Wasser gelöst, ist das gelöste Mittel auf molekularer Ebene zerlegt und gleichmäßig verteilt.
Es gibt keine signifikanten Dichteunterschiede, auf die die Zentrifugalkraft einwirken könnte. Die gelösten Partikel sind einfach zu klein und integriert, um allein durch physikalische Kraft getrennt zu werden.
Die Bedeutung der Ausrüstung
Die Art der erzielbaren Trennung hängt direkt von der verwendeten Ausrüstung ab. Eine einfache Tischzentrifuge ist perfekt für das Pelletieren von Zellen.
Die Trennung winziger Viren oder einzelner Proteine erfordert jedoch eine Ultrazentrifuge, ein spezialisiertes und teures Gerät, das in der Lage ist, extreme G-Kräfte zu erzeugen.
Die richtige Wahl für Ihr Gemisch treffen
Um dieses Wissen anzuwenden, identifizieren Sie zunächst die Art Ihres Gemisches und Ihr Ziel.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Trennung sichtbarer Feststoffe von einer Flüssigkeit liegt: Eine Standardzentrifuge bei moderater Geschwindigkeit ist fast immer das richtige Werkzeug.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf dem Aufbrechen einer Emulsion zweier Flüssigkeiten liegt: Die Zentrifugation beschleunigt den Schichtungsprozess basierend auf der Dichte dramatisch.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Isolierung sehr kleiner biologischer Partikel liegt (z. B. Organellen, Viren): Sie benötigen eine Ultrazentrifuge, die in der Lage ist, außergewöhnlich hohe G-Kräfte zu erzeugen.
- Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Trennung eines gelösten Feststoffs von einem Lösungsmittel liegt: Die Zentrifugation funktioniert nicht; Sie müssen eine andere Methode wie Verdampfung, Chromatographie oder Destillation verwenden.
Letztendlich ist die Zentrifugation ein physikalisches Werkzeug, das physikalische Unterschiede ausnutzt, um eine Trennung zu erreichen.
Zusammenfassungstabelle:
| Art der Trennung | Häufige Beispiele | Schlüsselprinzip |
|---|---|---|
| Feststoff-Flüssigkeit | Bakterienzellen, Niederschläge | Dichteunterschied zwingt Feststoffe zum Pelletieren |
| Flüssig-Flüssig | Öl/Wasser, Sahne/Milch | Nicht mischbare Flüssigkeiten schichten sich nach Dichte |
| Biologisch | Blutbestandteile, Organellen, Proteine | Hohe G-Kräfte trennen nach Größe/Dichte |
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