m i t Escherichia coli - Forschungszentrum Jülich

3 Stand des Wissens
Es gilt:
Va = d2 (ρs − ρl)
18η
· rω 2
mit:
Va Absetzgeschwindigkeit [m/s]
d Tropfendurchmesser [m]
ρs Dichte der schweren Phase [kg/m 2 ]
ρl Dichte der leichten Phase [kg/m 2 ]
r Abstand zum Mittelpunkt des Rotors [m]
ω Winkelgeschwindigkeit [m/s]
η Dynamische Viskosität [Pa·s]
(3.37)
Demnach ist die Trennung der Phasen umso schneller, je größer die Tropfen, die Drehgeschwindigkeit
des Rotors, der Dichteunterschied zwischen den Phasen und je kleiner
die Viskosität der Flüssigkeiten ist. Im Extraktor sind die genannten Voraussetzungen
jedoch nicht gegeben. Unter anderem treten Tropfenschwärme auf und die Hydrodynamik
wird durch die stattfindende Reaktion beeinflusst. Dennoch kann entnommen
werden, wie das Zentrifugalfeld Koaleszenz und Stofftransfer beeinflusst [Weatherley 1994].
Die Phasentrennung kann durch eine Erhöhung der Verweilzeit verbessert werden. Dies
wird entweder durch einen geringeren Volumenstrom oder eine größere Zentrifuge erreicht.
Durch die Erhöhung der Drehzahl, die zu einer erhöhten Zentrifugalbeschleunigung führt,
können kleinere Tröpfchen abgetrennt werden. Werden im Spalt zwischen Gehäuse und
Rotor durch eine hohe Drehzahl kleine Tröpfchen erzeugt, so wird eine bessere Trennung
eher durch eine größere Verweilzeit als durch eine weitere Erhöhung der Drehzahl erreicht
[Meikrantz u. a. 2001].
Emulsionen bilden sich bei zu geringer Dichtedifferenz, geringer Oberflächenspannung
und hohen Viskositätsunterschieden. Die sich im Inneren des Rotors zwischen den Phasen
ausbildende Dispersionsphase ist von der Dichtedifferenz, der Rotations-Geschwindigkeit,
dem Durchsatz und der Neigung der Phasen zur Emulsionsbildung abhängig. Je stabiler
die gebildete Emulsion ist, desto dicker ist auch die Dispersionszone. Grenzflächenaktive
Stoffe wie Tenside mit lipophilem Rest und hydrophiler Gruppe lagern sich an der Grenzfläche
an und setzen die Oberflächenspannung herab. Emulgatoren, Proteine, Fette oder
Polysaccharide beeinflussen die Grenzfläche [Weatherley 1994].
Stoffübergang
Die Theorie des Stoffübergangs wurde in Abschnitt 3.3.1 genauer erläutert. Bei der
Extraktion in Zentrifugen ist eine Phase dispers, die andere, normalerweise die mit dem
größeren Volumen, kontinuierlich. Die Beschreibung des Stoffübergangs in Extraktoren
ist problematisch, da der Stofftransfer in Tropfen betrachtet werden muss. Verhalten und
Mobilität der Tropfen und Tropfenschwärme sind jedoch nicht verstanden. Kleine Tropfen
(2 mm) sind starr und sphärisch, während bei größeren Tropfen interne Zirkulation
und Oszillation auftritt. Mit zunehmender Größe tritt Turbulenz auf, der Stoffübergang
nimmt zu und ist dann unabhängig von der Diffusion [Bart 2001]. Hinzu kommt das
Marangoni-Phänomen, eine spontane Phasengrenzflächenströmung (Konvektion), die
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