30. 5. 2023

Základní princip odstředivých vakuových koncentrátorů

Odstředivé vakuové koncentrátory nebo zjednodušeně také vakuové odstředivky (anglicky nejčastěji: Rotating Vaccum Concentrators – RVC nebo Vacuum Centrifuge Concentrators – VCC) v sobě spojují působení vakua, odstřeďování a většinou i ohřevu. Tyto veličiny pak společně působí na zakoncentrovávaný materiál. Tato specifická situace má mnoho pozitivních efektů. Působení vakua a ohřevu je dobře známé například z velmi běžných vakuových odparek. To, co je navíc a co odlišuje tyto koncentrátory od všech ostatních, je působení odstředivé síly (generované otáčením rotoru koncentrátoru). Ta vytváří silový gradient ve vzorku, který nepůsobí v tomto případě jen na pevný podíl, který postupně vzniká, ale i na tvořící se plynnou fázi rozpouštědla během jeho varu. Vzniká tak zásadní efekt „varu rozpouštědla shora dolů“, což v konečném důsledku zabraňuje překotnému vyvření celého obsahu, a tedy i znehodnocení vzorku. Současně díky tomuto odstřeďování se zahuštěný podíl nachází na dně nádoby, kde se homogenizuje a následná manipulace s produktem je pak daleko jednodušší. 

Moderní odstředivé vakuové koncentrátory umožňují optimalizovat nastavení tří základních parametrů, kterými tedy jsou: hloubka va­kua, rychlost rotace rotoru a teplota (intenzita) přidruženého ohřevu. Výjimkou není možnost nastavovat časové profily změn těchto veličin – zejména rychlosti rotace a ohřevu, což vede k vysoké opakovatelnosti dosažených výsledků a možnosti zpracovávat různé typy materiálů v rámci jednoho procesu.

Značným benefitem odstředivých vakuových koncentrátorů je, že lze na rozdíl od běžných vakuových odparek zpracovávat vzorky z velmi široké palety nádob, se kterými se právě setkáváme u běžných odstředivek – v tomto se tyto stroje v podstatě kopírují. Ve výsledku to znamená, že lze pracovat s nádobami typu běžných zkumavek s objemy až ve stovkách ml, dále pak např. s 1–2 ml Eppendorf zkumavkami a ve finále také s mikrotitračnímí destičkami. Důležité je, jak už bylo uvedeno výše, že není problémem současně odpařovat různé typy vzorků, což je například na běžných a nejrozšířenějších vakuových odparkách zcela nemožné. Rozlišnost typologie zpracovávaných vzorků v jednom kroku není přirozeně neomezená, ale s ohledem na zmíněnou skutečnost, že odstředivé vakuové koncentrátory umožňují precizní regulaci všech parametrů, je tato škála překvapivě široká.

Aplikace odstředivých vakuových koncentrátorů

Aplikační možnosti odstředivých vakuových koncentrátorů jsou velmi značné a uplatňují se všude tam, kde je potřeba šetrného a nedestruk­tivního zahuštění materiálů. Jedná se přirozeně o tepelně senzitivní materiály (např. biologické vzorky), u kterých by již běžná teplota varu přítomného rozpouštědla vedla k jejich termickému rozkladu či poško­zení. Dále jsou to roztoky, které obsahují vysokovroucí a za normálních okolností obtížně odpařitelná rozpouštědla (např.: dimethylacetamid, N-methylpyrrolidon, dimethylsulfoxid atd.). V neposlední řadě je to také tam, kde je potřeba šetřit čas a pracovat s pestrou typologií vzor­ků. Tabulka 1 uvádí nejobvyklejší aplikační nasazení pro odstředivé vakuové koncentrátory.

Tab. 1 - Shrnutí aplikačních oblastí pro vakuové odstředivky

Další typy běžných koncentrátorů a jejich výhody a nevýhody v porovnání s odstředivými vakuovými koncentrátory

Technik, umožňujících zakoncentrovávat roztoky vzorků, dnes existuje několik a řada z nich je velmi rozšířená.

Dusíkový koncentrátor

Dusíkové koncentrátory používají proud plynného dusíku, který omývá povrch rozpouštědla. Tím se sníží tlak par a zvětší se povrchová plocha odpařovaného rozpouštědla, což vede k zrychlení jeho odparu. Výhody a nevýhody tohoto způsobu zakoncentrovávání shrnuje tabulka 2.

Tab. 2 - Výhody a nevýhody dusíkového koncentrátoru

Rotační vakuová odparka (koncentrátor)

Rotační odparka (rotavap) je snad nejrozšířenější způsob zakoncent­rovávání roztoků v celé škále laboratoří. Vzorek se umístí do vakua, čímž se sníží bod varu rozpouštědla. Typicky se nádoba s kulatým dnem (baňka) spustí do vyhřívané vodní lázně. Baňka se otáčí, aby se zvětšila povrchová plocha a zajistil rovnoměrný přenos tepla. Obvykle se používá při odpařování jednotlivých těkavých vzorků při relativně větších objemech (až jednotky stovek ml). Vzhledem k tomu, že je vzorek pod vysokým vakuem, vždy existuje riziko přehřátí rozpouš­tědla a jeho překotného odparu a znehodnocení celého vzorku. Je zde také riziko týkající se používaného materiálu, protože nesprávný výběr nebo vadné sklo může vést k implozi a zranění obsluhy. Navíc, protože rotavap dokáže pracovat pouze s jednou nádobou, musí být odpařování více vzorků provedeno v sérii, což je časově náročné. Hlavní výhody a nevýhody tohoto způsobu zakoncentrovávání jsou shrnuty v tabulce 3.

Tab. 3 - Výhody a nevýhody vakuové rotační odparky

Vortex vakuový koncentrátor

Dalším způsobem (méně obvyklým) jak odstraňovat rozpouštědla ze vzorků je kombinace vakua a víření vzorku. Výjimkou zde také není i přidaný ohřev. Na rozdíl od jednoduchého vakuového koncentráto­ru používá pro urychlení odparu vířivý pohyb, což zvyšuje výkon odparu. Výhody a nevýhody tohoto způsobu zakoncentrovávání shrnuje tabulka 4.

Tab. 4 - Výhody a nevýhody Vortex koncentrátoru

Odstředivý vakuový koncentrátor

Řada benefitů tohoto způsobu zahušťování vzorků byla již uvedena v úvodní části článku. Žádný způsob ale není zcela univerzální a je poctivé si uvést nejen benefity, ale i nedostatky tohoto způsobu odpa­řování – viz tabulka 5.

Tab. 5 - Výhody a nevýhody odstředivého vakuového odpařovače

Příklady profesionálních odstředivých vakuových koncentrátorů

Odstředivé vakuové koncentrátory mohou nabývat rozličných podob a velikostí. Vždy ale stojí na základu odstředivky, která je upravena tak, aby šla vakuovat a v některých případech i ohřívat, což se nejčastěji řeší pomocí infračervených zářičů. Pro bližší představu o těchto zařízeních jsou dále uvedeny příklady základních odstředivých koncentrátorů německé společnosti Martin Christ GmbH.

Malý odstředivý vakuový koncentrátor

Koncentrátor je standardně konfigurován s chemickou odolností a membránovým čerpadlem se sacím výkonem 2 m3/h a konečným vakuem 8 nebo 2 mbar. Zařízení je k dispozici také ve speciální DNA a HCl verzi.

Obr. 1 - Malý laboratorní odstředivý vakuový koncentrátor RVC 2-18 CDplus společnosti MARTIN CHRIST (Německo)

Odstředivý vakuový koncentrátor střední velikosti

Střední koncentrátor RVC 2-25 CDplus je též univerzální stolní zařízení zaměřené velmi dobře i pro rutinní práce. Je kompaktní a efektivní, hodí se do každé laboratoře, přičemž nabízí již poměrně velkou kapacitu v podobě až 108 ks 1–2 ml zkumavek Eppendorf nebo i jednotlivě až 6 x 100 ml zkumavky. Podle typu rotoru lze použít též mikrotitrační destičky. Stejně jako RVC 2-18 CDplus je vhodný pro šetrné zpracovávání roztoků DNA / RNA, proteinů atd. Disponuje kompozitním víkem z nerezové oceli a skla. Standardní příslušenství je membránové čerpadlo o sacím výkonu 2 m3/h a koncovým vakuem 8 mbar, které lze ale zaměnit za čerpadlo s koncovým vakuem až 2 mbar. Pokud je požadována vyšší odpařovací kapacita, je možnost již vzorky přihřívat pomocí infračerveného ohřevu. Tento koncentrátor může být vybaven také vymražovacími odlučovači par pro vyšší bezpečnost proti emisím rozpouštědel do okolí.

Obr. 2 - Střední laboratorní odstředivý vakuový koncentrátor RVC 2-25 CDplus společnosti MARTIN CHRIST (Německo)

Velký odstředivý vakuový koncentrátor

Koncentrátor RVC 2-33 CDplus je vysoce univerzální a výkonné zařízení vhodné pro velké objemy vzorků a to až 216 ks 1–2 ml zkumavek Eppendorf nebo zkumavek 6 x 1–500 ml. Lze pracovat s prakticky všemi běžně používanými rozpouštědly. Vysoce výkonný systém s rychlostí až 1 550 ot./min spolehlivě zabraňuje překotnému odparu vzorků. Skleněné / ocelové víko z kompozitu s průhledovým oknem je vysoce odolné proti korozi. Standardní příslušenství je mem­bránové čerpadlo o sacím výkonu 4 m3/h s koncovým vakuem 1,5 mbar. Chemicky odolná vakuová pumpa je také vhodná pro rozpouštědla s vysokou teplotou varu, jako je DMSO nebo DMF. Součásti jsou také vymražovací odlučovače par rozpouštědel pro vyšší bezpečnost proti emisím rozpouštědel do okolí.

Obr. 3 - Velký laboratorní odstředivý vakuový koncentrátor RVC 2-33 CDplus s společnosti MARTIN CHRIST (Německo)

V tomto článku byla vyjmenována celá řada výhod a možností aplikací odstředivých vakuových koncentrátorů. Naprosto zásadní výhodou je, že odstředivé vakuové koncentrátory jednoznačně zabraňují překotné­mu odparu a zpěňování vzorků. Jsou též velmi bezpečné, protože je vakuována celá komora odstředivky, a nikoliv jen samotná nádoba se vzorkem. Možnost zpracovávání různého typů vzorků v rámci jednoho odpařovacího kroku je také značným benefitem. Praxe ukázala, že od­středivé vakuové koncentrátory zvládají zpracovat i směsi methanolu/ vody nebo acetonitrilu/vody a mohou tak zpracovávat např. extrakty z potravin, rostlin. Dále sulfonamidy a další léky lze zakoncentrovávat se 100 % výtěžkem. Extrakty s některými látkami citlivými na světlo (nitrofurany) je možné odpařit beze ztrát a taktéž některé látky citlivé na hydrolýzu (peniciliny). U těkavějších látek (jako jsou organochlorové pesticidy nebo polychlorované bifenyly) lze pro předběžné zakoncen­trování použít právě odstředivé vakuové koncentrátory, např. u eluátu z gelové permeační chromatografie. Dnes už je také samozřejmou součástí řízené IR záření pro ohřev s regulací teploty v odstřeďovaných nádobách. To v kombinaci s regulací tlaku a rychlosti otáčení rotoru zajišťuje optimální řízení a kontrolu procesu zahušťování.

Je s podivem, že přestože odstředivé vakuové koncentrátory vynalezla už v 60. letech 20. století společnost Savant Inc USA, jejich rozšíření není velké a omezuje se většinou jen na specializované laboratoře pracující s biologickými materiály. Zkušenost z praxe ukazuje, že obecná znalost tohoto komfortního způsobu zakoncentrování roztoků je překvapivě malá.

Odstředivé vakuové koncentrátory by si naopak vzhledem ke své univerzálnosti a vyspělé instrumentaci zasloužily být téměř v každé laboratoři nevyjímaje běžné chemické laboratoře. Tento článek má právě za cíl tyto důmyslné a účinné pomocníky v laboratoři představit.

Pro více informací nebo nezávaznou cenovou nabídku nás neváhejte kontaktovat na petras@pragolab.cz.

Tým Pragolab s.r.o.