Wie wählt man die richtige Zentrifuge aus: Rohrzentrifuge, Scheibenzentrifuge oder Horizontalzentrifuge?

I. Zentrifugation ist eine gängige Methode zur Konzentration von Fermentationsbrühe. Die Wahl des geeigneten Geräts beeinflusst direkt die Zellausbeute, die Zellüberlebensrate und die Produktionseffizienz. Rohrzentrifugen, Scheibenzentrifugen und Horizontalzentrifugen sind die drei am häufigsten verwendeten Zentrifugentypen. Aufgrund von Unterschieden in Struktur und Funktionsprinzip variieren ihre Anwendungsbereiche erheblich. Dieser Artikel beschreibt die Prinzipien, Strukturen und Auswahlmethoden dieser drei Zentrifugentypen basierend auf praktischer Erfahrung und Literaturrecherche und bietet eine Referenz für die Konzentration von Fermentationsbrühe.

II. Das grundlegende Funktionsprinzip der drei Zentrifugentypen ist identisch: Sie alle nutzen die Zentrifugalkraft anstelle der Schwerkraft, um Komponenten unterschiedlicher Dichte (Zellen und Fermentationsbrühe) schnell zu trennen. Aufgrund unterschiedlicher Konstruktionen unterscheiden sie sich jedoch in Trenneffizienz, Durchsatzkapazität und Anwendungsbereichen.

1. Rohrzentrifugen zeichnen sich durch hohe Drehzahl und hohen Trennfaktor aus. Sie bestehen im Wesentlichen aus einer rotierenden Trommel, einem Zufuhrrohr, einem Überlaufrohr, einem Antriebssystem und einem Gehäuse. Die rotierende Trommel ist ein schlankes Rohr mit kleinem Durchmesser (typischerweise 50–150 mm) und großer Länge, wodurch der Trennweg der Flüssigkeit verlängert und die Trennwirkung verbessert wird. Die Flüssigkeit wird von unten in die schnell rotierende Rohrtrommel eingeleitet. Die Trommeldrehzahl kann 10.000–25.000 U/min erreichen und erzeugt so eine extrem hohe Zentrifugalkraft. Dies führt dazu, dass sich die dichteren Bakterienzellen schnell an der Innenwand der Trommel absetzen, während die klare Flüssigkeit entlang der Innenwand aufsteigt und über den oberen Überlauf abgelassen wird. Dadurch werden die Bakterienzellen von der klaren Flüssigkeit getrennt. Rohrzentrifugen zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise, geringen Platzbedarf und einen schonenden Trennprozess mit minimalen Auswirkungen auf die Überlebensrate der Bakterien aus. Sie eignen sich zur Konzentrierung von Fermentationsbrühen mit niedrigem Feststoffgehalt (≤ 5 %) und niedriger Viskosität und sind besonders geeignet für die Gewinnung hochaktiver Bakterienzellen in Pilot- und Kleinserien.

2. Scheibenzentrifugen sind die Standardausrüstung für die industrielle Großproduktion. Ihre Kernkomponenten sind die rotierende Trommel und die Scheibenanordnung. Die Trommel ist zylindrisch und enthält Dutzende bis Hunderte von konischen Scheiben, die übereinander gestapelt sind und enge Kanäle bilden. Sie ist außerdem mit einer Zuführvorrichtung, einem Schlackenaustrag und einem Antriebssystem ausgestattet. Das Prinzip beruht darauf, dass die mehreren Scheibenschichten in der Trommel die Trennfläche vergrößern und den Sedimentationsweg verkürzen. Nachdem die Speiseflüssigkeit in die Trommel gelangt ist, sedimentieren die Bakterien unter Einwirkung der Zentrifugalkraft entlang der Scheibenoberfläche zum Trommelboden, während die klare Flüssigkeit oben abgeführt wird. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Zufuhr und Entnahme. Im Vergleich zu Rohrzentrifugen bieten Scheibenzentrifugen eine höhere Durchsatzleistung, einen höheren Automatisierungsgrad, einen moderaten Trennfaktor (3000–10000 U/min) und eine geringere Scherkraft. Sie erfüllen die Anforderungen an die kontinuierliche Trennung von Fermentationsbrühen im großen Maßstab und gewährleisten gleichzeitig die Überlebensrate der Bakterien. Geeignet für die Verarbeitung von Speiseflüssigkeiten mit einem Feststoffgehalt von 2–10 %, sind sie die bevorzugte Ausrüstung für die industrielle Herstellung von Bakterienpulver.

3. Horizontale Schneckenzentrifugen nutzen das Prinzip der Schneckenzufuhr und kontinuierlichen Sedimentation. Die Speiseflüssigkeit gelangt über das Zufuhrrohr in die schnell rotierende Trommel. Unter Einwirkung der Zentrifugalkraft sedimentieren die Bakterienzellen an der Innenwand der Trommel. Die Förderschnecke, die sich mit einer anderen Drehzahl als die Trommel dreht, befördert die abgesetzten Bakterienzellen zum Auslass am konischen Ende der Trommel, während die klare Flüssigkeit über den Überlauf am anderen Ende abfließt. Dadurch werden eine kontinuierliche Trennung und ein kontinuierlicher Austrag erreicht. Eine horizontale Schneckenzentrifuge besteht aus Trommel, Förderschnecke, Zuführvorrichtung, Differenzialgetriebe und Gehäuse. Die Trommel ist zylindrisch-horizontal und an einem Ende zylindrisch, am anderen konisch. Die Förderschnecke arbeitet mit einer anderen Drehzahl als die Trommel und ist für den Austrag verantwortlich. Zu ihren Vorteilen zählen ein hoher Durchsatz und die Fähigkeit, Flüssigkeiten mit hohem Feststoffgehalt (5–20 %) und vielen Verunreinigungen zu verarbeiten. Allerdings ist die Scherkraft relativ hoch, was die Überlebensrate der Bakterienzellen beeinträchtigen kann. Sie wird hauptsächlich zur Grobtrennung von Fermentationsbrühen oder in großtechnischen Produktionsanlagen eingesetzt, in denen die Anforderungen an die Bakterienaktivität gering sind.

III. Wie wählt man also zwischen diesen drei Zentrifugentypen? Die Auswahl sollte sich nach Produktionsumfang, Eigenschaften der Ausgangsflüssigkeit und Anforderungen an den Sporenschutz richten, wobei die Eigenschaften der drei Gerätetypen zu berücksichtigen sind. Für die Kleinserienfertigung im Labor- oder Pilotmaßstab sind Röhrenzentrifugen vorzuziehen, wenn eine hohe Bakterienüberlebensrate und die Verarbeitung von Ausgangsflüssigkeiten mit geringem Feststoffgehalt erwünscht sind. Diese können zur zusätzlichen Bakterienpflege mit einem Kühlsystem (4 °C) kombiniert werden. Für die industrielle Großproduktion sind Scheibenzentrifugen die bessere Wahl, wenn ein kontinuierlicher Betrieb und die Verarbeitung von Ausgangsflüssigkeiten mit mittlerem Feststoffgehalt erforderlich sind, da sie ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Effizienz und Bakterienaktivität bieten. Enthält die Ausgangsflüssigkeit viele Verunreinigungen und einen hohen Feststoffgehalt und sind die Anforderungen an die Bakterienüberlebensrate nicht hoch, können horizontale Schneckenzentrifugen zur Reduzierung der Verarbeitungskosten eingesetzt werden.