Vriesdrogen - chem

PRACTICUM ANALYTISCH CHEMISCH METEN
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 (bijv. door karamelliseren van suikers) 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 een uitkomst bieden. Bij dit proces wordt het te
drogen monster afgekoeld tot een temperatuur van bijv. -75°C, waardoor het monster bevriest. Het monster wordt dan in een vacuüm (<10-4 atmosfeer) ruimte
gebracht. Onder deze omstandigheden wordt het water selectief uit het monster
verwijderd door sublimatie (overgang van vast naar gas). Tijdens het vriesdroogproces wordt het monster (meestal) niet gekoeld of verwarmd.
Ten gevolge van de benodigde verdampingswarmte 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 lager is dan de
temperatuur van het monster. Indien het water in het monster onvoldoende (snel)
kan verdampen (bijv. door een te lage monstertemperatuur) wordt weinig verdampingswarmte gevraagd. In dat zal geval zal de temperatuur van het monster stijgen.
Het sublimatieproces versnelt daardoor. Indien de verdamping van water snel
verloopt wordt zoveel verdampingswarmte verbruikt dat het monster weer afkoelt
waardoor het verdampingsproces 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.
Het verdampingsproces kan worden bevorderd door het monster over een groot
oppervlak te spreiden. Dit kan bijv. 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 CO21 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.
1
Voor meer gegevens, zie: “Koudmakende mengsels, haalbare temperaturen en eigenschappen”, een stencil
uitgegeven door het Practicum Analytisch Chemisch Meten, of andere relevante literatuur.
versie 002, Vriesdrogen
blad 1 van 4
PRACTICUM ANALYTISCH CHEMISCH METEN
Huidcontact met oppervlakken of stoffen met een temperatuur van « 0°C kan
leiden tot blaarvorming. Draag daarom rubber handschoenen en hanteer vast
CO2 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 erlemeyers bijv. mogen beslist niet
vacuüm gepompt worden.
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.
Dankzij genoemde voordelen wordt vriesdrogen industrieel gebruikt voor het maken
van oploskoffie, gedroogde stamppot, gedroogde soep e.d. Voorts wordt vriesdrogen
gebruikt bijv. voor het drogen van nat geworden boeken en documenten.
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, SO2 e.d.) valt te denken aan een buis gevuld met droge
KOH-korrels. In het geval van NH3 bijv. 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.
versie 002, Vriesdrogen
blad 2 van 4
PRACTICUM ANALYTISCH CHEMISCH METEN
Koudmakende mengsels, haalbare temperaturen en eigenschappen.
Bruikbare ijs-zout combinaties
zout
begintemp. [°C]
g zout / 100 g ijs
eindtemp [°C]
KCl
0 (ijs)
30
-10
NaCl
0 (ijs)
33
-21
MgCl2
0 (ijs)
85
-34
CaCl2.6H2O
0 (ijs)
143
-55
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 CO2 (droog ijs) en aceton, methanol of ethanol zijn
temperaturen haalbaar van -72 tot -77 °C. Vast CO2 mag niet met blote handen
gehanteerd te worden, aangezien brandblaren het gevolg kunnen zijn. Gebruik b.v.
een pincet. Een koelbad met vast CO2 wordt bij voorkeur in een dewarvat 2 gemaakt
en bewaard. Giet eerst weinig oplosmiddel in het dewarvat en breng de vaste CO2 in
kleine hoeveelheden in het oplosmiddel. Aanvankelijk gaat het CO2 hard koken, zodat
het oplosmiddel gemakkelijk uit het dewarvat kan borrelen. Naarmate de
badtemperatuur lager wordt zal de reactie op het toevoegen van vast CO2 minder fel
worden. Uiteraard is geen zeer zuiver oplosmiddel 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 -195.8 °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 -183.0 °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. 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.
2
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.
versie 002, Vriesdrogen
blad 3 van 4