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Leitfaden zur Trockenverdampfung von Lösungsmitteln Lösungsmittel wie weggeblasen – Trockenverdampfung

Ein Gastbeitrag von James Edwards*

Ein Gebläse für das Labor? Tatsächlich sind so genannte Abblasverdampfer eine gute Alternative zu Wasserbad und Co, besonders, um kleinere Proben in Biolaboren vom Lösungsmittel zu befreien. Doch wie funktionieren die Verdampfungsgeräte und was ist bei ihrem Einsatz zu beachten? Ein Überblick.

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Abb.1: Aus den Nadeln des Abblasverdampfers strömt heiße Luft auf die Probenröhrchen.
Abb.1: Aus den Nadeln des Abblasverdampfers strömt heiße Luft auf die Probenröhrchen.
(Bild: Porvair)

Chemische Reaktionen laufen scheinbar „sofort“ ab, doch selbst die schnellsten Reaktionen lassen sich in einzelne Reaktionsschritte unterteilen, von denen einer langsamer ist als die anderen. Dieser langsamste Schritt bestimmt letztlich die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion. Ganz ähnlich verhält es sich auch mit den Arbeitsabläufen im Labor. Jeder Workflow hat einen Schritt – ob Probenentnahme, Lagerung, Vorbereitung, Verarbeitung oder Analyse (Abbildung 1) – der die meiste Zeit in Anspruch nimmt und damit letzten Endes den Durchsatz definiert. Egal, wie sehr die Effizienz der anderen Stellen im Prozess verbessert wird, der gesamte Probendurchsatz hängt nur von diesem einen Schritt ab, sozusagen dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Laborarbeit.

In analytischen oder biowissenschaftlichen Laboratorien ist oft das Entfernen von Lösungsmitteln der geschwindigkeitsbestimmende Schritt. Lösungsmittel können in Öfen, Rotationsverdampfern oder Gefriertrocknungskammern verdampft werden. Bei diesen Verfahren ist allerdings schwierig, Kreuzkontaminationen zu vermeiden und den Verdampfungs- bzw. Trockungs­grad zu regeln. Auch die Wartung gestaltet sich oft aufwändig. Eine alternative Lösung ist das Abblasen: Heißer Stickstoff strömt aus Nadeln, die sich über dem Probenröhrchen oder der Probenplatte befinden, und bläst kontinuierlich heiße Luft über die Oberfläche des Lösungsmittels (daher „Abblasen“).

Wie funktionieren Abblasverdampfer?

Ein Abblasverdampfer leitet das Gas vom Einlass durch einen variablen Durchflussregler und ein Heizelement. Danach wird der erhitzte Gasstrom über die Proben geleitet, die in entsprechenden Adaptern für Probenbehälter, Multiwellenplatten, Fläschchen oder Rohre gehalten werden. Für die Reproduzierbarkeit ist es wichtig, dass Temperatur und Gasfluss über jede Probenoberfläche und von Probe zu Probe gleichmäßig verlaufen. Da die Nadeln nicht mit der Probe in Kontakt kommen, ist zudem die Kreuzkontamination auf ein Minimum reduziert.

Es gibt vier Variablen, die sich bei einem Abblasverdampfer steuern lassen: Zeit, Temperatur, Gasfluss und Nadelposition. Sehen wir uns diese Parameter und deren Effekt auf den Verdampfungsvorgang genauer an:

Gastemperatur: Je höher die Temperatur des Gasflusses, desto schneller ist der Verdampfungseffekt. Die thermische Stabilität der Probe muss jedoch berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass labile bzw. empfindliche Proben keinen schädlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Ein Abblasverdampfer minimiert dieses Risiko, da durch das Gas nur die Oberfläche der Probe erwärmt wird und der Rest des Stoffes während des Verdampfungsvorgangs überwiegend bei Umgebungstemperatur verbleibt. Für empfindlichere Proben empfiehlt es sich dennoch, die Temperatur am Ende des Programms zu reduzieren, um das Risiko einer Schädigung zu verringern.

Gasfluss: Je höher der Gasfluss, desto schneller das Entfernen des Lösungsmitteldampfes. Dies sollte jedoch an zwei Stellen in der Pro­zessprogrammierung kontrolliert werden:

  • am Anfang, um Spritzer zu vermeiden sowie die Gefahr einer Kreuzkontamination
  • am Ende, um zu verhindern, dass die getrocknete Probe weggeblasen wird und verloren geht.

Ideal ist ein stufenweises Starten und ein geringerer Gasfluss zum Ende hin.

Nadelposition: Die ideale Position für die Nadeln liegt direkt über der Probenoberfläche. Wenn das Lösungsmittel allerdings verdampft, sinkt die Füllhöhe im Well oder Röhrchen. Um die Verdampfungsrate des Lösungsmittels zu halten, muss die Höhe der Nadel deshalb so eingestellt werden, dass die Position der Spitze direkt über der Proben­oberfläche konstant bleibt. Zu hoch und die Heizwirkung wird reduziert, zu niedrig und es besteht die Gefahr, dass Nadeln die Probe berühren und eine Kreuzkontamination verursachen. Die Geschwindigkeit der Nadelbewegung sollte mit der Rate der Verdampfung abgestimmt werden, um eine nahezu konstante Position über der Probenoberfläche zu gewährleisten. In Verbindung mit dem Gasfluss kann die Nadelhöhe gezielt eingestellt werden, um den Verdampfungsvorgang zu verlangsamen und das Risiko eines Probenverlustes zu minimieren.

Zeit: Jeder Schritt des Abblasprozesses sollte lang genug sein, um die Ziele der Phase zu erreichen. Gleichzeitig gilt es, den Prozess so kurz wie möglich zu halten, um den Durchsatz zu maximieren und das Risiko von Probenverlust und -beschädigung zu minimieren.

Das zählt bei der Entwicklung eines Prozesses

Ziel der Verdampfung ist es, eine Probe schnell zu trocknen oder zu konzentrieren, wobei die Integrität der Probe gewährleistet und Kreuzkontaminationen vermieden werden müssen. Um das optimale Ergebnis zu erzielen, helfen folgende Leitfragen.

  • Welches Lösungsmittel kommt zum Einsatz? Dies beeinflusst die Verdampfungsgeschwindigkeit bei gegebener Temperatur.
  • Was ist das Startvolumen der Probe? Dies definiert die Ausgangslage der Nadeln und in Verbindung mit der Verdampfungsgeschwindigkeit des Lösungsmittels die Bewegungsgeschwindigkeit der Nadel. Achtung: letztere hängt auch vom Probenbehälter ab.
  • Ist die Probe wärmeempfindlich in gelöster und/oder trockener Form? Dies bestimmt die maximal tolerierbare Temperatur und entscheidet somit auch, ob es notwendig ist, die Temperaturbelastung am Ende der Trocknung zu senken.

Best-Practice-Beispiel für Abblasprozesse

Die Bereitstellung einer genauen Anleitung zum Lösemittelverdampfen mittels Abblasprozess ist schwierig, da es eine große Auswahl an Proben, Lösungsmitteln, Volumina, Platten etc. gibt. Einige generelle Anhaltspunkte sind aber bei der Arbeit mit den Geräten zu berücksichtigen und im Folgenden hier zusammengestellt:

Abb.2: Gasfluss, Temperatur und Nadelposition beim Verdampfungsvorgang
Abb.2: Gasfluss, Temperatur und Nadelposition beim Verdampfungsvorgang
(Bild: LABORPRAXIS)

Um eine Kreuzkontamination durch Verspritzen der Probe zu vermeiden, sollte der Gasfluss zu Beginn des Verfahrens niedrig sein und nur langsam gesteigert werden.

Nach dem Start einer Methode empfiehlt es sich, die ersten Durchläufe mit „reinen“ Lösungsmitteln zu beobachten (d. h. ohne Probe, damit der Nadelkopf bei unbeabsichtigtem Kontakt mit der Flüssigkeit nicht gereinigt werden muss). Die Nadelköpfe sollten knapp über der Lösungsmitteloberfläche bleiben, ohne diese zu berühren und in ausreichendem Abstand, um eine Bildung von Tröpfchen zu vermeiden. Wenn die Nadeln die Proben­oberfläche berühren, muss die Bewegung der Plattform verlangsamt werden, wenn der Abstand zu groß wird (d. h. die Effizienz fällt), beschleunigt.

Stets die höchstmögliche Temperatur verwenden, solange sie im sicheren Bereich für die Stabilität der Probe liegt. Ist die Probe in ihrer trockenen Form wärmeempfindlich, verhindert eine niedrigere Temperatur am Ende der Verdampfungsphase, dass die trockene Probe am Ende Schaden nimmt.

Wenn das Verfahren auf eine vollständige Trocknung der Probe ausgelegt ist, sollte am Ende ein geringerer Gasfluss in Betracht gezogen werden, damit die Probe nicht aus ihrem Behälter geblasen wird.

Der Hersteller Porvair Sciences bietet unter dem Seriennamen Ultravap insgesamt fünf verschiedene Abblasverdampfer an – vom manuellen Einsteigersystem für gelegentliche Benutzung bis hin zu automatisierten Systemen für die Integration in Laborautomatisierungssysteme für einen höheren Durchsatz von Proben.

* James Edwards, Porvair Sciences Ltd, Surrey KT2 5TX/UK

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