Trong quá trình loại bỏ dung môi, năng lượng được dùng là gia nhiệt để chất lỏng bay hơi thành dạng khí, sau đó được loại bỏ để tạo thành sản phẩm không chứa dung môi hoặc sản phẩm cô đặc.

Có rất nhiều hệ thống được gọi là máy cô dung môi (evaporator), tuy nhiên, quá trình bay hơi đúng nghĩa là bay hơi thành khí ở trên bề mặt chất lỏng; trong rất nhiều máy cô quá trình sôi xảy ra chứ không phải là sự bay hơi.

Quá trình đông khô không liên quan tới quá trình bay hơi hay sôi, nhưng lại xảy ra quá trình thăng hoa – chuyển đổi từ pha rắn sang pha hơi mà không chuyển qua pha lỏng.

Trạng thái của một chất được xác định bởi 2 yếu tố chính: nhiệt độ và áp suất, và nhiệt độ tại đó quá trình sôi hay bay hơi xảy ra là do áp suất.

Vì vậy, máy cô chân không (vacuum concentrators) sử dụng chân không làm giảm nhiệt độ sôi để quá trình bay hơi chất lỏng xảy ra ở nhiệt độ thấp , ví dụ: nước sôi ở -7.5^oC ở áp suất 10mbar.

Tương tự như vậy, trong máy đông khô (freeze dryer), năng lượng nhiệt cung cấp để làm đông khô mẫu (frozen) ở áp suất thấp được chuyển sang năng lượng đủ để làm tan bang, nhưng áp suất lại không đủ để tạo thành chất lỏng và do đó dung môi sẽ thăng hoa để tạo thành khí. Hơi tạo ra được loại bỏ bởi bẫy lạnh (cold trap) hoặc bộ ngưng tụ (condenser), nhờ đó sẽ thu hồi được dung môi

Nhiệt và Nhiệt độ

Hệ thống tách loại dung môi sử dụng năng lượng đầu vào để kích thích quá trình bay hơi dung môi, và các cơ chế gia nhiệt khác nhau được sử dụng, như block gia nhiệt bằng điện, đèn và hơi nhiệt độ thấp.

Nhiệt và nhiệt độ hoàn toàn khác nhau.

Nhiệt đề cập đến năng lượng nhiệt (jun), còn nhiệt độ đo mức năng lượng nhiệt. Ứng dụng chân không vào 1 hệ thống là để giảm nhiệt độ sôi của dung môi nhờ đó quá trình bay hơi chất lỏng xảy ra ở nhiệt độ thấp, đảm bảo an toàn cho mẫu

Q = mcΔT,

Q là năng lượng nhiệt, m: khối lượng vật, c là nhiệt dung cụ thể của vật, ΔT : sự thay đổi nhiệt độ

Tuy nhiên, khi có sự thay đổi trạng thái, năng lượng nhiệt thêm vào không làm tăng nhiệt độ vì năng lượng này dùng để thay đổi trạng thái (như từ lỏng sang khí). Do đó, hệ thống bay hơi thật sự (không có quá trình đun sôi), mẫu ở nhiệt độ mà hệ thống điều khiển, trong khi đó ở máy đông khô, mẫu ở nhiệt độ mà tại đó nó bị đóng băng và sau đó nhiệt độ của nó được điều chỉnh bởi nhiệt độ thăng hoa – nhiệt độ này được điều khiển bằng độ chân không.

Mối liên hệ giữa nhiệt độ sôi và áp suất của một số dung môi

Động học đối nghịch trong bộ cô mẫu chân không làm sôi dung môi . Khi một mẫu ẩm và đun sôi, mẫu ở nhiệt độ sôi của chất lỏng. Ở giai đoạn này, có thể gia nhiệt đến nhiệt độ cao, và mẫu sẽ không đạt đến được nhiệt độ này tới khi dung môi được loại bỏ hoàn toàn. Chỉ khi tất cả các dung môi đc loại bỏ thì mẫu sẽ được làm nóng đến nhiệt độ của hệ thống. Kiểm soát chính xác nhiệt độ là rất quan trọng.

Điều khiển nhiệt độ bình đựng mẫu bảo vệ sẽ tốt vì mẫu trong đó không thể đạt đc nhietj độ trừ khi mẫu được gia nhiệt trực tiếp và độc lập với bình đựng.

Phải sử dụng các kim loại cứng như nhôm, có khả năng truyền nhiệt tối đa tới mẫu và được làm mát bằng hơi dung môi. Kiểm soát nhiệt độ đồng thời, cho phép xác định chính xác khi quá trình bay hơi đc hoàn tất và tránh được quá trình quá nhiệt mẫu.

PHƯƠNG PHÁP SẤY KHÔ

1/ Đông khô

Có 2 kiểu máy đông khô:

1. Hệ thống làm lạnh mẫu được đặt trên các giá làm lạnh như trong tủ âm sâu phòng TN
2. (Thụ động) hệ thống không làm lạnh nhưng thay vào đó sử dụng 1 manifold (giá chia) gắn với các bình có chứa mẫu trực tiếp hoặc trong các lọ.

Độ chân không cao được dùng để giữ lạnh các mẫu và do đó bảo quản tốt khi dung môi thăng hoa và được thu nhận lại trong bẫy lạnh

Một sản phẩm sau khi đông khô điển hình là dạng bột mịn, rất khô (phụ thuộc diện tích bề mặt khi cô dung môi), dễ cân và hòa tan lại. Một số mẫu, như ADN, có thể có thêm yêu cầu xử lý để tránh mất mát. Đông khô là quá trình tương đối chậm, có thể tăng khi tăng mẻ lớn trên một chu kỳ. Có thể xảy ra quá trình đuổi dung môi nhưng có thể giảm nhờ quá trình làm lạnh mẫu trước

Quá trình đông khô bị giới hạn với các mẫu nước hoặc một số ít dung môi hữu cơ dễ bị đóng băng. Các mẫu chứa các dung môi dễ bay hơi cần được đông khô mạnh ở nhiệt độ thấp, và điều này có thể yêu cầu áp suất chân không rất thấp, và rất lạnh làm cho bộ cô (condenser) hoạt động không hiệu quả.

2/ Cô ly tâm

Máy cô chân không làm cho nhiệt độ sôi của dung môi dưới áp suất chân không và do đó các mẫu được làm lạnh, tuy nhiên, ngược lại với máy đông khô, các mẫu không bị đông khô và như vậy quá trình này sẽ diễn ra nhanh hơn, Cần thực hiện cẩn thận với các mẫu nước (aqueous) vì nó dễ bị đóng băng.

Máy cô ly tâm sử dụng bẫy lạnh để thu hồi dung môi bị bay hơi. Việc ly tâm đảm bảo quá trình sôi từ bề mặt đến sâu trong mẫu, do đó sẽ giảm thiểu việc sôi trên bề mặt và tạo bọt, tránh mất mát mẫu và nhiễm chéo. Dung môi trên bề mặt chất lỏng ở áp suất của thiết bị, trong khi đó dung môi ở dưới lại ở áp suất cao hơn do trọng lượng của dung môi nhân với lực ly tâm tạo ra do động cơ ly tâm.

Hệ thống với motor tốc độ cao tạo ra 500g hoặc hơn để ngăn quá trình bắn dung môi . Kỹ thuật cô ly tâm cho phép ứng dụng với rất nhiều dung môi , để khô trên màng hoặc đông khô mẫu.

Hệ thống cô ly tâm tiên tiến có thể đạt đc qtrinhf đông khô nhanh chóng nhờ khả năng cô một lượng chủ yếu với lượng mẫu lớn trước khi đông khô vài ml mẫu cuối cùng. Mẫu phải được xử lý theo mẻ, mặc dù một lượng lớn các mẫu nhỏ có thể được xử lý cùng lúc.

3/ Cô mẫu bằng thổi khí

Trong các quá trình cô mẫu này, khí trơ (nitơ) được thổi xuống thông qua các kim vào các ống đựng mẫu (tube, vial, microplate) để tạo ra một dòng đối lưu trên bề mặt mẫu. Điều này sẽ làm thay đổi cân bằng giữa pha lỏng và hơi, và nghiêng về pha hơi. Nhiệt thường được gia nhiệt thêm vào mẫu để đẩy nhanh quá trình bay hơi, có thể làm nóng khí nếu cần.

Kỹ thuật này cho phép sử dụng thiết bị mở, và tương đối rẻ.

Mặc dù việc cô mẫu bằng thổi khí tương đối nhanh với các dung môi dễ bay hơi, nhưng sẽ là chậm với các dung môi có nhiệt độ sôi cao, khó bay hơi (như nước). Các mẫu cô bằng thổi khí dễ được gia nhiệt vì khi ở nhiệt độ của block gia nhiệt trong, khả năng thu hồi chất bay hơi kém. Là quá trình thủ công, đòi hỏi người sử dụng kiểm soát liên tục để nhận biết điểm cuối của quá trình.

Kỹ thuật này cho kết quả cô mẫu không cao, có thể bị bắn, đặc biệt nếu tốc độ thổi khí cao, có thể bị nhiễm chéo.

4/ Quá trình cô quay và cô vortex

Thiết bị bay hơi bằng vortex làm sôi các mẫu dưới điều kiện chân không để giữ mẫu lạnh trong suốt quá trình bay hơi, trong khi các mẫu bị xoay để tạo ra độ xoáy.

Cô quay cũng tương tự, nhưng chỉ áp dụng cho 1 mẫu

Các điểm xoáy tạo ra bề mặt lớn để bay hơi, làm tăng tốc độ quá trình. Tuy nhiên, mẫu sau cô sẽ chảy trên thành bình, làm cho quá trình thu hồi khó hơn. Hơn nữa, ngược lại quá trình cô ly tâm, chuyển động xoáy không đủ để tạo lực ly tâm để tránh tạo bọt dung môi, và do đó dễ bị mất mẫu, và nhiễm chéo.

Trong một số hệ thống vortex, quá trình bay hơi có thể được tăng tốc nhờ sử dụng đèn gia nhiệt trực tiếp vào ống mẫu, tuy nhiên lại dễ làm mẫu bị quá nhiệt.

5/ Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ cô mẫu

3 yếu tố ảnh hưởng: nhiệt cung cấp, hơi cần tách, bề mặt dung môi

Để đun sôi dung môi , năng lượng càng nhiều, thì tốc độ đun sôi càng nhanh.

Tuy nhiên, tốc độ cô có thể tăng khi độ chân không tăng, điều này chỉ đúng ở một số trường hợp. Ở mức chân không cao nhất có thể đạt được, dung môi bay hơi sẽ sôi ở nhiệt độ cực thấp, cực lạnh mà bẫy lạnh không còn có hiệu quả để thu hồi lại dung môi.

Nếu 1 hệ thống không cân bằng, không những bẫy lạnh không giữ được dung môi mà dung môi còn có thể đi vào bơm, áp suất của hệ thống sẽ giảm, dung môi thu hồi sẽ mất, hoặc bẫy lạnh điều chỉnh áp suất hiệu quả làm chậm tốc độ của cả hệ thống.

Đối với máy đông khô, việc tách dung môi càng nhanh thì quá trình đông khô mẫu càng nhanh.

Nguồn: http://www.americanlaboratory.com

Dịch và tổng hợp BioMedia