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Verdampfung Grundsätze gängiger Verdampfungstechnologien

Autor / Redakteur: Induka Abeysena und Rob Darrington* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Das Entfernen von Lösungsmitteln ist ein Kernprozess bei vielen Anwendungen in der Arzneimittelindustrie, Chemie und Biotechnologie. Es gibt unterschiedliche Methoden der Verdampfung, jedoch keine einzige Technik zur Entfernung von Lösungsmitteln, die eine Pauschallösung liefern würde.

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Abb.3: Funktionsweise der Vortex-Verdampfung
Abb.3: Funktionsweise der Vortex-Verdampfung
(Bild: Genevac)

Das Entfernen von Lösungsmitteln ist ein Kernprozess bei vielen Anwendungen in der Arzneimittelindustrie, Chemie und Biotechnologie. Es gibt unterschiedlichste Arten von Proben und Lösungsmitteln, jedoch kein Universal-Verfahren zur Entfernung letzterer, das allen Anwendungen gerecht wird. Die Entwicklung diverser kommerzieller Verdampfungs- und Konzentrationsanlagen zeugt von dem Bestreben, der Vielfalt von Anwendungen Rechnung zu tragen. Diese Systeme und die zugehörige Hardware – Vakuumpumpen, Kühlfallen und Heiztechnik – profitieren von neuen Entwicklungen aus den Bereichen Gefriertrocknung und Zentrifugalkonzentration, die die Evaporationsleistung und Intaktheit von Proben verbessern. Ein klares Verständnis des Evaporations- und Konzentrationsprozesses, die praktische Anwendung und der Einsatz modernster Geräte erlauben die Optimierung von Methoden zur verbesserten und schnelleren Konzentration von Proben.

Lösemittel und Temperatur

Systeme zum Entfernen von Lösungsmitteln nutzen die Zufuhr von Wärmeenergie zur Verdampfung der Lösungsmittel. Es kommen verschiedene Heizmechanismen zum Einsatz wie elektrische Heizblöcke, Lampen oder Niedrigtemperaturdampf. Wärme und Temperatur hängen zwar eng zusammen, sind aber nicht gleich zu setzen, und ihre Unterscheidung ist wichtig. Wärme ist die in Joule gemessene Wärmeenergie, Temperatur misst die Intensität der Wärmeenergie, d.h. wie heiß oder kalt ein Gegenstand ist. Als wärmeempfindlich bezeichnete Proben sind in der Regel temperaturempfindlich, und die meisten Proben können ohne Qualitätseinbußen erwärmt werden, sofern sich die Temperatur innerhalb festgelegter Grenzen bewegt. Das Anlegen eines Vakuums in einem System senkt den Siedepunkt eines Lösungsmittels so weit, dass die Flüssigkeit bei niedrigeren, für die Probe unbedenklichen Temperaturen verdampft. Bei der Gefriertrocknung erfolgt der Phasenübergang von fest zu gasförmig. Dazu wird die Probe vor Anlegen des Vakuums eingefroren. Während der Trocknung bestimmt die, üblicherweise über die Stellflächen, zugeführte Wärme und das angelegte Vakuum die Temperatur der (immer noch) gefrorenen Probe.

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Die umgekehrte Dynamik ist bei Vakuumkonzentratoren gegeben. Hier verbleibt das Lösungsmittel flüssig, es siedet. Ist eine Probe feucht und siedet, hat sie die Siedetemperatur der Flüssigkeit. Abbildung 1 stellt den Zusammenhang zwischen dem Siedepunkt und Druck für einige gängige Lösungsmittel dar.

Gefriertrocknen

Es gibt zwei Grundtypen von Gefriertrocknern: der eine gefriert Proben aktiv auf gekühlten Stellflächen ähnlich wie ein Laborgefriergerät, der zweite Typ (passive Systeme) gefriert die Proben nicht aktiv, sondern verwendet stattdessen einen Ansaugkrümmer mit angeschlossenen Kolben, die entweder die Probe unmittelbar oder Reagenzgläser mit Proben enthalten. Oft wird ein starkes Vakuum erzeugt, damit die Proben gefroren und so gut konserviert werden, wenn das Lösungsmittel sublimiert und in der Kühlfalle aufgefangen wird. Ein typisches gefriergetrocknetes Produkt ist ein diffuses, „flockiges“ Pulver, das aufgrund der großen Oberfläche zum Entfernen von Lösungsmittel sehr trocken ist und mühelos gewogen und erneut gelöst werden kann. Einige Proben – wie DNA – verlangen sorgsamen Umgang während der Handhabung, damit das feine Pulver nicht verloren geht. Das Gefriertrocknen ist ein vergleichsweise langsamer Chargenprozess, auch wenn es Gerätekonfigurationen gibt, mit denen große Probenchargen pro Zyklus verarbeitet werden können. Ein Siedeverzug des Lösungsmittels ist nicht auszuschließen. Diese Gefahr kann aber durch das Vorgefrieren von Proben – sofern möglich – reduziert werden. Durch den Gefrierprozess kann diese Technik nur auf wässrige Lösungen oder eins von einigen wenigen organischen Lösungsmitteln angewandt werden, die leicht gefrieren (wie tertiär-Butanol oder 1,4-Dioxan). Proben mit flüchtigen Lösungsmitteln müssen aktiv bei sehr niedrigen Temperaturen gefroren werden. Dafür kann eine Vakuumkontrolle bei sehr niedrigem Druck und so kalten Temperaturen erforderlich sein, dass der Kondensator ineffizient funktioniert.

Zentrifugalkonzentration

Zentrifugalkonzentratoren bewirken das Sieden von Lösungsmitteln unter Vakuum. Die Proben sind daher kalt, aber im Unterschied zu den Gefriertrocknern nicht gefroren. Daher kann der Prozess schneller ablaufen als das Gefriertrocknen. Bei der Zentrifugalverdampfung wässriger Proben ist Sorgfalt vonnöten, wenn die Proben gefrieren könnten. Zentrifugalverdampfer arbeiten zur Rückgewinnung von verdampftem Lösungsmittel mit Kühlfallen. Die Zentrifugation, das Schleudern, gewährleistet, dass das Lösungsmittel von der Probenoberfläche nach unten siedet. Dadurch werden ein Überkochen und Siedeverzug des Lösungsmittels und dementsprechend ein Verlust von Proben und eine Kreuzkontamination weitgehend vermieden. Die Zentrifugalverdampfung ist für eine breite Palette von Lösungsmitteln geeignet. Proben können konzentriert, zu einem Film getrocknet oder gefriergetrocknet werden. Proben müssen in Chargen verarbeitet werden. Kleine Probenmengen können allerdings auch in großer Anzahl gleichzeitig verarbeitet werden.

Die ersten Anlagen galten als langsam. Moderne Entwicklungen im Bereich der Hochenergieerwärmung von Proben mit Niedrigtemperatur-Niederdruckdampf – wie beim Genevac Rocket-Verdampfer – ermöglichen aber die schnelle Konzentration großer Mengen mit der Geschwindigkeit eines Rotationsverdampfers. Bei derartigen Anlagen kommt es nicht zum Siedeverzug von Lösungsmitteln, daher ist die bei Rotationsverdampfern sonst übliche ständige Überwachung nicht erforderlich.

Abblasverdampfung

Bei diesen Verdampfungsanlagen wird ein Inertgas (z.B. Stickstoff) durch Nadeln auf Proben in Röhrchen, Fläschchen oder auf Mikrotiterplatten geblasen. Bei diesem Verfahren können Geräte mit offenem Zugang verwendet werden. Es ist relativ preisgünstig – von selbstgebauten Anlagen bis hin zu einfachen, kommerziell erhältlichen Geräten. Die Abblasverdampfung erfolgt für flüchtige Lösungsmittel zwar relativ schnell, kann bei Lösungsmitteln mit hohem Siedepunkt oder schwer verdampfbaren Lösungsmitteln aber langsam sein. Proben werden bei der Abblasverdampfung während des Verfahrens oft heiß. Bei diesem Verfahren können flüchtige Analyten daher kaum wieder rückgewonnen werden. Wird das Abblasen manuell durchgeführt, muss das Verfahren kontinuierlich vom Nutzer überwacht werden, damit der Endpunkt des Trocknungsprozesses ermittelt werden kann. Das Endprodukt ist in der Regel nicht ausreichend trocken und es können Proben verspritzt werden (vor allem, wenn die Gasflussrate zu hoch ist). Dies kann zu Kreuzkontaminationen führen. Das Abblasverfahren wird meist zur Konzentration großer Volumina auf wenige Milliliter für spätere Verarbeitung verwendet. Für dieses Verfahren sind spezielle Röhrchen mit Saugerende geeignet. Einige kommerziell erhältliche Anlagen verfügen über einen automatischen Stoppmechanismus, der den Flüssigkeitsstand registriert.

Vortex-Verdampfung

Bei diesen Anlagen werden Probenchargen im Vakuum zum Sieden gebracht, damit die Proben während der Verdampfung kalt bleiben. Gleichzeitig werden die Probenröhrchen kreisförmig geschüttelt, sodass ein Wirbel entsteht. Ein Rotationsverdampfer funktioniert sehr ähnlich, wird aber für eine einzelne Probe in einem Kolben eingesetzt. Der erzeugte Wirbel erzeugt eine sehr große Probenoberfläche zur Verdampfung. Dadurch ist das Verfahren relativ schnell. Das getrocknete Endprodukt ist aber über die Gefäßwände verteilt und die Rückgewinnung daher mitunter schwierig. Im Unterschied zu Zentrifugalkonzentratoren erzeugt die Wirbelbewegung auch nicht ausreichend Gravitationskraft, um einen Siedeverzug von Lösungsmittel zu vermeiden. Vortex-Verdampfer sind insofern anfällig für Produktverlust und Kreuzkontamination. Bei einigen Vortexanlagen wird die Verdampfung durch auf die Probenröhrchen gerichtete Wärmelampen beschleunigt. Allerdings besteht hierbei die Gefahr, dass die Probe beim Trocknen ganz oder teilweise überhitzt wird.

Verdampfungsgeschwindigkeit

Drei Faktoren beeinflussen die Konzentrationsgeschwindigkeit: Zufuhr von Wärmeenergie, Dampfentfernung und die Lösungsmitteloberfläche. Für siedende Lösungsmittel gilt: Je schneller der Energieeintrag, desto schneller sieden Lösungsmittel. Ähnliches gilt für Verdampfungssysteme. Mehr Wärme beschleunigt die Verdampfung. Allerdings haben die Proben die festgelegte Systemtemperatur und erhitzen sich nicht weiter. Wärme wird durch Lampen, erwärmte Blöcke/Bäder oder – bei der neuesten Generation von Zentrifugalsystemen – durch Niedrigtemperatur-Niederdruckdampf zugeführt. Bei diesen Anlagen nimmt Wasser die Wärme aus der Kammerwand auf, wird zu Dampf, kondensiert dann auf den Probenbehältern (die durch das darin siedende Lösungsmittel kalt sind) und gibt die Wärme an die Proben ab. Der Wärmedampf erreicht alle Bereiche, es wird minimale Wärme vergeudet und die benötigte Temperatur wird schnell erreicht. Die Effizienz des Aufkonzentrationsprozesses wird auf diese Weise verbessert. Abgesehen von der Erwärmungsgeschwindigkeit bringt auch das schnellere Entfernen der Dämpfe die Lösungsmittel schneller zum Sieden. Wenn eine feuchte, siedende Probe die Siedetemperatur des Lösungsmittels hat, kann die Anlage Wärme besser in die Probe leiten, die Aufkonzentrierung wird beschleunigt und die Anlage entfernt Dämpfe effizienter durch Kondensation in einer Kühlfalle. Obwohl die Konzentrationsgeschwindigkeit mit dem Vakuum steigen kann, gilt dies nur bis zu einem gewissen Punkt. Im höchsten, von modernen Anlagen erreichbaren Vakuum siedet ein flüchtiges Lösungsmittel bei äußerst niedrigen Temperaturen – so niedrig, dass eine Kühlfalle das Lösungsmittel nicht wirksam auffangen kann und somit nutzlos ist. Optimale Leistung kann eine Anlage nur dann erzielen, wenn die Wärmezufuhr zur Probe und der Wärmeentzug am Kondensator ausgeglichen sind. Ist eine Anlage nicht ausgeglichen, fängt die Kühlfalle entweder das Lösungsmittel nicht auf, sodass dieses zur Pumpe weitergeleitet wird, der Druck in der Anlage steigt und das Lösungsmittel nicht wieder zurück gewonnen werden kann. Oder die Kühlfalle steuert wirksam den Druck, sodass die Anlage langsamer als gewünscht läuft. Bei einem Gefriertrockner ist die Gasflussrate der dominierende Faktor.

Es gilt also: Je schneller der Dampf abgeleitet wird, desto schneller trocknen die Proben. Dabei spielen die Kühlfallen-Leistungsfähigkeit und die Temperatur die größte Rolle. Die Aufkonzentrierung oder Verdampfung kann auch durch Schaffung einer größeren Oberfläche beschleunigt werden. Abblasanlagen beschleunigen die Verdampfung durch eine Gleichgewichts-Verschiebung zwischen Aggregatzuständen.

* Dr. I. Abeysena, R. Darrington: Genevac Ltd, Ipswich/Großbritannien

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