TWEEDEJAARS PRACTICUM, ONDERDEEL ANALYTISCH CHEMISCH METEN. Vriesdrogen

Transcriptie

1 Vriesdrogen Sommige stoffen kunnen niet bij verhoogde temperatuur en/of atmosferische druk worden gedroogd zonder dat het monster uiteenvalt of zonder dat analyt uit het monster verloren gaat. Veel voedingsmiddelen vertonen de neiging een afgesloten koek te vormen (b.v. door karamelliseren van suikers), bruin te worden t.g.v. de Maillard reactie tussen aminozuren en suikers (bekend voorbeeld: geschilde appels worden aan de lucht bruin) en/of te verkolen als ze bij verhoogde temperatuur worden gedroogd. Na koekvorming verloopt het droogproces traag en/of onvolledig. Als (gedeeltelijke) verkoling heeft plaats gevonden is het meestal ook veel moeilijker het monster te destrueren. Andere stoffen (oppervlakte actieve stoffen, vloeibare zepen, bier e.d.) schuimen zodanig dat het vrijwel onmogelijk is de watercomponent door verwarmen en/of evacueren te verwijderen. In al die gevallen kan vriesdrogen (Engels: Freeze-drying of Lyophilization ) een uitkomst bieden. Bij dit proces wordt het te drogen monster afgekoeld tot een temperatuur van b.v. -75 C, waardoor het monster bevriest. Het monster wordt dan in een vacuüm (<10-4 atmosfeer) ruimte gebracht. Onder deze omstandigheden wordt het water uit het monster verwijderd door sublimatie (overgang van vast naar gas). Ook andere voldoende vluchtige stoffen (oplosmiddelen) worden uit het monster verwijderd. Tijdens het vriesdroogproces wordt het monster (meestal) niet extra gekoeld of verwarmd. Uit het fasediagram (dampdruk p vs. temperatuur T, zie blad 5) van water blijkt dat de directe overgang vast damp (sublimatie) alleen kan plaats vinden bij omstandigheden beneden het triple-punt. Het triple-punt van zuiver water ligt bij C en 4.58 mm Hg-druk. Ten gevolge van vriespuntsverlaging door de in water opgeloste stoffen kan het triple-punt bij een beduidend lagere temperatuur en druk komen te liggen. Sommige stoffen ondergaan een structuurverandering gedurende het droogproces. Men noemt dit verschijnsel collaps. Om collaps van b.v. suikerhoudende producten te voorkomen moet de temperatuur onder een kritische waarde, de collaps-temperatuur blijven. De collaps-temperatuur van sucrose is -32 C, die van b.v. appelsap -42 C. Collaps dient natuurlijk voorkomen te worden als de vorm van het monster van belang is, b.v. bij het drogen van nat geworden documenten of als een celstructuur intact moet blijven. Bij destructies is collaps alleen van belang als door de structuurverandering het droogproces minder efficiënt verloopt, b.v. door verglazing van het monster. Omdat het effect van collaps op het droogproces niet te voorspellen is, is het beter collaps te voorkomen en tot ruim onder de collapstemperatuur te koelen. Homogeen koelen tot <-50 C is daartoe voldoende, beter is het tot ca. -70 C te koelen b.v. met ethanol / CO 2, (zie blad 4 e.v.). De hoeveelheid energie die nodig is om 1 g ijs te laten sublimeren is bijna 10 x zo groot als de hoeveelheid energie benodigd om 1 g ijs te doen ontdooien. Ten gevolge van de benodigde sublimatiewarmte blijft het monster in een bevroren toestand. Het gesublimeerde water slaat neer op een sterk gekoelde condensorspiraal (bij ons: tot ca. -55 C) die zich in het vriesdroogapparaat bevindt. Het droogproces kan alléén verlopen als de temperatuur van de koelspiraal zo n 10 C lager is dan de blad 1 van 6

2 temperatuur van het monster. Indien het water in het monster onvoldoende (snel) kan sublimeren (b.v. door een te lage monstertemperatuur) wordt weinig sublimatiewarmte gevraagd. In dat zal geval zal de temperatuur van het monster stijgen. Het sublimatieproces versnelt daardoor. Indien de sublimatie van water snel verloopt wordt zoveel sublimatiewarmte verbruikt dat het monster weer afkoelt waardoor het sublimatieproces weer wordt afgeremd. Het resultaat van het evenwicht dat ontstaat is dat vriesdrogen een nogal traag proces is. Indien het droogproces (bijna) voltooid is, zal de temperatuur van het monster vanzelf stijgen tot kamertemperatuur. Na het beëindigen van het vriesdroogproces ziet het monster er op het oog droog uit. Er kan echter nog een min of meer gebonden restant water achterblijven. Dit restant kan nog tot 8% van het monster bedragen. Om ook dit restant water te verwijderen is droging bij een temperatuur van >0 C noodzakelijk. De daartoe vereiste omstandigheden zijn sterk afhankelijk van de aard van het monster. Voor de meeste destructies zal dit restant water geen obstakel vormen. Het sublimatieproces kan worden bevorderd door het monster over een groot oppervlak te spreiden. Dit kan b.v. gebeuren door het monster in een rondbodem te brengen en het te laten bevriezen terwijl de schuin gehouden rondbodem met het monster erin roteert. Dit gaat goed door de rondbodem aan een rotatieverdamper te hangen. Alleen de rotatiemotor van dit instrument wordt gebruikt. Het invriezen van het monster kan worden gerealiseerd door de draaiende rondbodem in een bakje met ethanol (of aceton) met vast CO 2 1 te houden, met een temperatuur van -72 C tot -75 C. Het monster komt dan als een bevroren laag op de wand van de rondbodem te zitten. Soms is het nodig eerst extra water toe te voegen om het monster in de gewenste laag te krijgen. Het is belangrijk dat het hele monster tot de lage temperatuur gekoeld wordt. Huidcontact met oppervlakken of stoffen met een temperatuur van «0 C kan leiden tot blaarvorming. Draag daarom rubber handschoenen en hanteer vast CO 2 uitsluitend met een pincet. Bedenk dat water bij bevriezen uitzet, zodat niet iedere vorm van vriesdroogvat bruikbaar is. Een kristalliseerschaal of een bekerglas kan gemakkelijk kapot vriezen. Niet elk vat is bestand tegen vacuüm. Gewone erlenmeyers b.v. mogen beslist niet vacuüm gepompt worden i.v.m. implosiegevaar. Voordelen van vriesdrogen boven andere methoden van drogen zijn: 1. Het analyt en andere componenten van het monster worden in de ijsmatrix vastgehouden en kunnen derhalve niet ontwijken of interacties aangaan met elkaar of met hun omgeving. Schuimvorming wordt onmogelijk gemaakt. 2. Het analyt kan niet oxyderen in het vacuüm milieu. 3. Het analyt kan niet kapot gaan door een te hoge temperatuur. Het product van het vriesdrogen is identiek aan het oorspronkelijke monster minus het water. 1 ) Voor meer gegevens, zie: Koudmakende mengsels, haalbare temperaturen en eigenschappen, een stencil uitgegeven door het Practicum Analytisch Chemisch Meten, (blad 4 en 5). blad 2 van 6

3 Dankzij genoemde voordelen wordt vriesdrogen industrieel gebruikt voor het maken van oploskoffie, gedroogde stamppot, gedroogde soep e.d. Voorts wordt vriesdrogen gebruikt b.v. voor het drogen van nat geworden boeken en documenten, en voor het ontwateren van plantaardig, dierlijk en menselijk weefsel, bloedplasma en antibiotica. Indien de mogelijkheid bestaat dat bij het vriesdrogen corrosieve gassen (zuren of basen) vrijkomen is het noodzakelijk tussen de vriesdroger en de vacuümpomp een geschikt absorptievat aan te brengen. In het geval van corrosieve zuren (HCl, SO 2 e.d.) valt te denken aan een buis gevuld met droge KOH-korrels. In het geval van NH 3 b.v. aan een buis met droge citroenzuur. Schakel nooit de pomp uit terwijl de vacuümkamer nog vacuüm is. Dit zou terugslag van de olie tot gevolg hebben. In dat geval komt het inwendige van het hele vriesdroog-apparaat onder de pompolie te zitten. Vóór het apparaat uitgeschakeld wordt moet de vacuümkamer belucht zijn en op atmosferische druk. HANDLEIDING van de Virtis vriesdroger, type VIB3SL 1. Sluit het apparaat vacuümdicht af. 2. Laat het apparaat (pomp en koeler: twee schakelaars) draaien totdat de beide lichtjes OK aan zijn. Het apparaat geeft op het display achtereenvolgend de volgende informatie: VI = vacuüm in millitorr 2 Tijdens het vriesdroogproces kan de druk oplopen tot een paar honderd millitorr, uiteindelijk (d.i. als het vriesdroog-proces vrijwel voltooid is) moet het vacuüm beter zijn dan 50 millitorr. Als het vacuüm voldoende is gaat een rood OK-lichtje branden. Als twee OK- lichtjes (temperatuur en vacuüm) branden is het apparaat gereed voor gebruik. AT = temperatuur [ C] van de koellucht van de koelunit (ambient temperature). LV = netspanning [V] (line voltage). RT = tijdsduur sinds het aanzetten [h] (run time). Het vriesdroogproces is een traag proces, en wordt daarom ook s nachts voortgezet. CI = temperatuur van de condensorspiraal [ C]. Deze moet voor een goed verloop van het vriesdroogproces <-55 C zijn. Als een voldoende lage temperatuur bereikt is gaat een rood OK-lichtje branden. Als twee OKlichtjes (temperatuur en vacuüm) branden is het apparaat gereed voor gebruik. De maximaal af te dampen hoeveelheid water is ca. 3 liter. Als de koelunit enige tijd uit staat kan het ontdooide gecondenseerde water via een slang worden afgetapt. Vacuüm is een zeer goede thermische isolator, het ontdooien verloopt der- 2 ) 1 millitorr = 1µm Hg-druk millitorr = 1 Torr = 1 mm Hg-druk = 133 pascal = bar = atmosfeer). Alleen de pascal (afkorting Pa en gelijk aan N m -2 ) is een S.I.-eenheid. blad 3 van 6

4 halve aanzienlijk sneller bij atmosferische druk. 3. Sluit het (met ethanol / CO 2 of een ander geschikt koelmiddel) voldoende vóórgekoelde monsterkolfje vacuümdicht aan op één van de rubber kranen, open de kraan. De verbinding tussen kolf en vacuümpomp bestaat als de handle van de witte kraan aan de kant van de kolf staat. Het vriesdroogproces vangt aan. De kraan mag alleen geopend worden als de monsterkolf is aangesloten. Het vriesdroogapparaat zelf blijft altijd onder vacuüm. Het vacuüm wordt alleen verbroken als de vacuümkamer belucht moet worden om de pomp uit te zetten. 4. Als het vriesdroogproces voltooid is, belucht dan de kolf door de handle van de witte kraan 180 te draaien, de handle is nu van de kolf af gericht. Het vriesdroogapparaat zelf blijft altijd onder vacuüm. Dit vacuüm wordt alleen verbroken als de vacuümkamer belucht moet worden om de pomp uit te zetten. Zet de vacuümpomp nooit zomaar uit! Ernstige schade is dan het gevolg! Koudmakende mengsels, haalbare temperaturen en eigenschappen. TABEL I Bruikbare ijs-zout combinaties voor koelbaden zout begintemp. [ C] g zout / 100 g ijs eindtemp [ C] KCl 0 (ijs) NaCl 0 (ijs) MgCl 2 0 (ijs) CaCl 2.6H 2 O 0 (ijs) De NaCl-ijs combinatie wordt, mede vanwege de lage prijs, verreweg het meest gebruikt. Het chemicaliën-magazijn levert goedkope NaCl die goed genoeg is voor een ijs/zout bad. De aanwezigheid van wat water in het bad is gewenst voor een goede warmte-overdracht. Met mengsels van gemalen vast CO 2 (droog ijs) en aceton, methanol of ethanol zijn temperaturen haalbaar van -72 tot -77 C. Vast CO 2 mag niet met blote handen gehanteerd te worden, aangezien blaren het gevolg kunnen zijn. Gebruik b.v. een pincet. Een koelbad met vast CO 2 wordt bij voorkeur in een dewarvat 3 gemaakt en bewaard. Giet eerst weinig oplosmiddel in het dewarvat en breng de vaste CO 2 in kleine hoeveelheden in het oplosmiddel. Aanvankelijk gaat het CO 2 hard koken, zodat het oplosmiddel gemakkelijk uit het dewarvat kan borrelen. Naarmate de badtemperatuur lager wordt zal de reactie op het toevoegen van vast CO 2 minder fel worden. Uiteraard is geen zeer zuiver oplosmiddel 3 ) Een dewarvat is een dubbelwandig vat, waarvan de dubbele wand geëvacueerd en verspiegeld is. Daardoor is de isolatie voor geleidingswarmte en stralingswarmte zeer hoog. In het dagelijks leven worden dewarvaten gebruikt als thermoskan. blad 4 van 6

5 nodig voor een koelbad. Aceton of ethanol van technische kwaliteit is aanzienlijk goedkoper dan aceton of ethanol van pro analyse kwaliteit. Met vloeibare stikstof kan een temperatuur gehaald worden van C (het kookpunt). De soortelijke warmte en de verdampingswarmte van vloeibare stikstof zijn nogal klein. Vrij veel vloeibare stikstof is daarom nodig om het gebruikte dewarvat op de benodigde lage temperatuur te brengen. Het voor de eerste keer vullen van een dewarvat met vloeibare stikstof gaat gepaard met heftig koken van de vloeibare stikstof. Bij een temperatuur van -195 C condenseert zuurstof (kookpunt C). Op den duur hoopt zich derhalve zuurstof op in vloeibare stikstof., Contact van deze vloeistof met organische verbindingen kan een explosie geven. De aanvankelijk kleurloze vloeibare stikstof, wordt door aanwezigheid van zuurstof blauwachtig van kleur. Om die reden mag vloeibare stikstof in open dewarvaten niet te lang (b.v. 's nachts) bewaard blijven. Contact van vloeibare stikstof met de huid dient uiteraard vermeden te worden. TABEL II Dampdruk van water [mm Hg-druk] vs. temperatuur [ C]. Temperatuur Dampdruk Temperatuur Dampdruk Figuur 1. Het verband tussen druk en temperatuur (p vs. T) voor water. S is de vaste fase, L de vloeistoffase en G de gasfase. Sp is het smeltpunt Kp het kookpunt, beiden bij 1 atmosfeer en Tp het triple-punt. Het triple-punt (het punt waar de vaste-, vloeibare- en dampfase coëxisteren) ligt voor zuiver water bij C en 4.58 mm Hg-druk. blad 5 van 6

6 Literatuur: 1. J.M.Barbaree en A.Sanchez, Cryobiology 19 (1982) : Cross-contamination during lyophilization. 2. J.M.Barbaree, A.Sanchez en G.N.Sanden, Developments in Industrial Microbiology 26 (1985) : Problems in freeze-drying I, Stability in glass-sealed rubber stoppered vials. 3. J.M.Barbaree, A.Sanchez en G.N.Sanden, Developments in Industrial Microbiology 26 (1985) : Problems in freeze-drying II, Cross-contamination during lyophilization. 4. E.W.Flosdorf, Freeze Drying, Uitgave Reinhold Publishing Co., New York (1949). 5. R.J.C.Harris, Edt., Biological Applications of Freezing and Drying, Uitgave Academic Press, New York (1954). 6. J.D.Mellor, Fundamentals of Freeze Drying, Uitgave Academic Press, Londen (1978). 7. S.L.Nail, Journal of the Parental Drug Association 34 (1980) : The effect of chamber pressure on heat transfer in the freeze-drying of parental solutions. 8. A.S.Parkes en A.U.Smith, Edts., Recent Research in Freezing and Freeze-Drying, Uitgave Charles C.Thomas, Springfield (1960). 9. T.W.G.Rowe, Current Trends in Cryobiology 61 (1970) 138: Freeze-drying of biological materials: some physical and engineering aspects. 10. E.B.Seligman en J.F.Farber, Cryobiology 8 (1971) : :Freeze-drying and residual moisture. blad 6 van 6