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Bodenständige Laborschleudern
Produktübersicht: Standzentrifugen

Standzentrifugen
Unfälle mit Ultrazentrifugen oder anderen Standzentrifugen sind zum Glück selten. Aber wenn es doch einmal einen großen Festwinkelrotor einer UZ zerreißt, dann rumpelt es meist gewaltig und die Zentrifuge ist danach häufig nur noch Schrott.

Wenn die Kapazität oder die Leistung der kleinen Tischzentrifuge nicht mehr ausreicht, schlägt die Stunde der großen Standzentrifuge.

Das Zentrifugieren von Proben gehört für Biowissenschaftler zur täglichen Laborroutine. Meist verwenden sie hierzu handliche Tisch- oder Mikrozentrifugen (siehe LJ 6/2009), die auf jeder Laborbank Platz finden. Hin und wieder kommen aber auch Molekularbiologen oder Biochemiker nicht darum herum, in den Zentrifugenraum zu latschen und eine wuchtige, auf dem Boden stehende Standzentrifuge anzuwerfen. Diese funktionieren nach demselben simplen Prinzip wie Tischzentrifugen, können aber mit deutlich größeren Festwinkel oder Ausschwing-Rotoren bestückt werden, die auch großvolumige Probengefäße aufnehmen können.


Beindruckende Kräfte

Die in schnell laufenden Standzentrifugen auftretenden Kräfte sind beeindruckend. So erzeugt zum Beispiel ein typischer Festwinkelrotor einer Ultrazentrifuge (UZ), der sich 60.000 mal in der Minute um seine eigene Achse dreht, ein Schwerefeld, das 250.000 mal stärker ist als die Erdbeschleunigung (250.000 g). Das bedeutet anschaulich, dass ein Gramm Masse in diesem Schwerefeld ein scheinbares Gewicht von einer viertel Tonne erreicht.

Auch die kinetische Energie die ein 20 Kilogramm schwerer Festwinkelrotor aus Aluminium erlangt, wenn er sich mit 60.000 oder mehr Umdrehungen in der Minute dreht, sollte man nicht unterschätzen. Bei einem Rotorversagen reicht diese allemal dazu aus, eine UZ komplett zu zerlegen, und den Zentrifugenraum in ein Trümmerfeld zu verwandeln. Standzentrifugen sind deshalb sehr massiv und stabil gebaut und können durchaus eine halbe Tonne wiegen.

Unfälle mit hochtourigen Standzentrifugen sind häufig auf Fehlbedienungen, etwa zu hohe Umdrehungszahlen oder auf Materialermüdung der Rotoren zurückzuführen. Mit ausgeklügelten Sicherheitssystemen und Rotoren aus Karbonfasern versuchen die Zentrifugen-Hersteller das Unfallrisiko so weit als möglich zu senken.

So sollen zum Beispiel Rotorerkennungssysteme verhindern, dass die Maximal-Drehzahl des eingesetzten Rotors überschritten wird. Meist bestehen diese aus einer Kombination verschiedener, voneinander unabhängiger Systeme. So ergänzen die Hersteller zum Beispiel die altbewährten Überdrehscheiben, die auf den Rotorfuß aufgeklebt werden und einer integrierten Optik als „Strichcode“ für die Rotoridentifizierung dienen, mit der Messung des Trägheitsmoments des eingesetzten Rotors. Stimmt das Trägheitsmoment mit den Werten der gespeicherten Rotoren überein, startet die Zentrifuge. Passen sie nicht zusammen, verweigert sie ihren Dienst.


Zusätzliche Sicherheit

Weitere Sicherheitsstufen bei der Rotoridentifizierung sind zum Beispiel magnetische Rotor-Kodierungen sowie die Analyse der Luftreibung des Rotors. Bei letzterer bremst die Zentrifuge den Rotor in der Anlaufphase kurz ab und vergleicht die Reibungszahlen mit hinterlegten Werten.


Müdes Material

Metallrotoren sieht man die Beanspruchung auch nach unzähligen Zentrifugations-Runden äußerlich meist nicht an, dennoch kann das Material mit der Zeit ermüden. Bei maximaler Belastung können dann bereits kleinste Risse zum Rotorversagen führen. Rotoren aus Karbonfasern, die seit etwa zehn Jahren erhältlich sind, schneiden nach Angaben der Hersteller, hier deutlich besser ab. Das Material ermüdet so gut wie gar nicht und ist im Gegensatz zu Aluminium-Rotoren inert gegen korrosive Flüssigkeiten, die mit Zentrifugen-Rotoren in Berührung kommen können.

Während man Aluminium-Rotoren besser aussortiert, wenn sie sichtbare Risse oder andere Beschädigungen aufweisen, lassen sich Rotoren aus Karbonfasern sogar reparieren. Darüber hinaus sind diese nur etwa halb so schwer wie ihre Pendants aus Metall. Das schont nicht nur das Kreuz, wenn man den Rotor in die Zentrifuge hievt. Die leichteren Rotoren verkürzen auch die Zentrifugationszeiten, weil sie sich schneller beschleunigen und abbremsen lassen.

Für präparative Standzentrifugen steht meist eine große Palette an Ausschwing- oder Winkelrotoren bereit, die nahezu alles aufnehmen können, was sich im Kreis herumschleudern lässt. Das Spektrum der Probengefäße reicht hier von kleinen 1,5ml Eppendorfgefäßen, Falcontubes, Blutabnahmeröhrchen, Mikrotiterplatten und PCR-Streifen bis hin zu großvolumigen Bechern und Kübeln.


Analytische UZ

Ein bemerkenswertes Comeback feiert derzeit die Analytische Ultrazentrifuge (AUZ). Bis Ende der siebziger Jahre standen noch in vielen biowissenschaftlichen Abteilungen AUZs, die die Forscher für Sedimentations-Geschwindigkeit (SV)- und Sedimentations-Gleichgewichts (SE)-Analysen einsetzten.

Die Sedimentations-Geschwindigkeit beziehungsweise der daraus resultierende Sedimentationskoeffizient (S) hängt von der Größe und der Form eines Makromoleküls ab und lässt sich mit einer AUZ exakt bestimmen. Das Sedimentationsgleichgewicht stellt sich ein, wenn die Makromoleküle bei mäßigen Umdrehungzahlen des Rotors zum Boden des Probengefäßes transportiert werden und gleichzeitig entlang des entstehenden Konzentrationsgradienten in die entgegengesetzte Richtung diffundieren. Da die Einstellung dieses Gleichgewichts nur vom Gewicht aber nicht von der Form des untersuchten Moleküls abhängt, kann man aus den erhaltenen SE-Daten das Molekulargewicht sehr genau bestimmen.

SE-Zentrifugenläufe zur Bestimmung des Molekulargewichts sind aber sehr zeitaufwändig und ihre Auswertung erfordert viel Erfahrung. Das wurde der analytischen Ultrazentrifugation in den achtziger Jahren zum Verhängnis, als ihr schnellere und einfachere Verfahren, wie die Gelelektrophorese oder die Gelfiltration, den Rang abliefen. Die meisten Analytischen Ultrazentrifugen verschwanden in dieser Zeit gänzlich aus den Laboren oder fristeten nur noch ein kümmerliches Schattendasein in dunklen Zentrifugenkellern.


Wieder modern

Erst in den letzten Jahren haben vor allem Proteomiker die Qualitäten der AUZ wiederentdeckt und die ehemals als altmodisch und uncool geltende Methode ist plötzlich wieder supermodern.

Dazu hat unter anderem auch eine weiterentwickelte Detektionstechnik beigetragen, mit der das Sedimentationsverhalten in den Probengefäßen in Echtzeit registriert und an die angeschlossene Auswerteeinheit übermittelt wird. Bei AUZs älterer Bauart geschieht dies über eine Interferenzoptik, die den Brechungsindex der Probe misst. In AUZs der neuesten Generation ist neben der Interferenzoptik ein zusätzlicher Fluoreszenz-Detektor eingebaut. Dieser registriert Fluoreszenzsignale, die von Probenmolekülen ausgehen, wenn sie mit Laserlicht der entsprechenden Wellenlänge angeregt werden.

Da Fluoreszenz-Detektoren deutlich empfindlicher sind als Interferenz-Systeme, kann man mit den neuen Geräten auch sehr verdünnte Proteinlösungen analysieren. Die untersuchten Proteine müssen dazu lediglich mit Fluorophoren versehen werden, die das von einem Laser ausgestrahlte Licht absorbieren und daraufhin fluoreszieren.

Diese zusätzliche Detektionsmöglichkeit machen sich immer mehr Proteomiker zu nutze, die mit der AUZ zum Beispiel Protein-Protein oder DNA-Protein-Wechselwirkungen untersuchen und die entsprechenden Assoziationskonstanten bestimmen.


(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 09/2011, Stand: August 2011, alle Angaben ohne Gewähr)


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Letzte Änderungen: 14.09.2011


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