Základný princíp odstredivých vákuových koncentrátorov

Odstredivé vákuové koncentrátory alebo zjednodušene tiež vákuové odstredivky (po anglicky najčastejšie: Rotating Vacuum Concentrators - RVC alebo Vacuum Centrifuge Concentrators - VCC) v sebe spájajú pôsobenie vákua, odstreďovania a väčšinou i ohrevu. Tieto veličiny potom spoločne pôsobia na zakoncentrovávaný materiál. Táto špecifická situácia má mnoho pozitívnych efektov. Pôsobenie vákua a ohrevu je dobre známe napríklad z veľmi bežných vákuových odpariek. To, čo je navyše a čo odlišuje tieto koncentrátory od všetkých ostatných, je pôsobenie odstredivej sily (generovanej otáčaním rotora koncentrátora). Tá vytvára silový gradient vo vzorke, ktorý nepôsobí v tomto prípade len na pevný podiel, ktorý postupne vzniká, ale aj na tvoriacu sa plynnú fázu rozpúšťadla počas jeho varu. Vzniká tak zásadný efekt „varu rozpúšťadla zhora nadol“, čo v konečnom dôsledku zabraňuje predčasnému vyvretiu celého obsahu, a teda i znehodnoteniu vzorky. Súčasne vďaka tomuto odstreďovaniu sa zahustený podiel nachádza na dne nádoby, kde sa homogenizuje a následná manipulácia s produktom je potom ďaleko jednoduchšia.

Moderné odstredivé vákuové koncentrátory umožňujú optimalizovať nastavenie troch základných parametrov, ktorými teda sú: hĺbka vákua, rýchlosť rotácie rotora a teplota (intenzita) pridruženého ohrevu. Výnimkou nie je možnosť nastavovať časové profily zmien týchto veličín - najmä rýchlosti rotácie a ohrevu, čo vedie k vysokej opakovateľnosti dosiahnutých výsledkov a možnosti spracovávať rôzne typy materiálov v rámci jedného procesu.

Značným benefitom odstredivých vákuových koncentrátorov je, že je možné, na rozdiel od bežných vákuových odpariek, spracovávať vzorky z veľmi širokej palety nádob, s ktorými sa práve stretávame u bežných odstrediviek - v tomto sa tieto stroje v podstate kopírujú. Vo výsledku to znamená, že je možné pracovať s nádobami typu bežných skúmaviek s objemami až v stovkách ml, ďalej potom napr. s 1-2 ml Eppendorf skúmavkami a vo finále aj s mikrotitračnými platničkami. Dôležité je, ako už bolo uvedené vyššie, že nie je problémom súčasne odparovať rôzne typy vzoriek, čo je napríklad na bežných a najrozšírenejších vákuových odparovačkách úplne nemožné. Odlišnosť typológie spracovávaných vzoriek v jednom kroku nie je prirodzene neobmedzená, ale s ohľadom na uvedenú skutočnosť, že odstredivé vákuové koncentrátory umožňujú precíznu reguláciu všetkých parametrov, je táto škála prekvapivo široká.

Aplikácie odstredivých vákuových koncentrátorov

Aplikačné možnosti odstredivých vákuových koncentrátorov sú veľmi značné a uplatňujú sa všade tam, kde je potreba šetrného a nedeštruktívneho zahustenia materiálov. Ide prirodzene o tepelne senzitívne materiály (napr. biologické vzorky), pri ktorých by už bežná teplota varu prítomného rozpúšťadla viedla k ich termickému rozkladu či poškodeniu. Ďalej sú to roztoky, ktoré obsahujú vysokovriace a za normálnych okolností ťažko odpariteľné rozpúšťadlá (napr .: dimetylacetamid, N-metylpyrolidón, dimetylsulfoxid atď.). V neposlednom rade je to tiež tam, kde je potreba šetriť čas a pracovať s pestrou typológiou vzoriek. Tabuľka 1 uvádza najobvyklejšie aplikačné nasadenie pre odstredivé vákuové koncentrátory.

Tab. 1 - Zhrnutie aplikačných oblastí pre vákuové odstredivky

Ďalšie typy bežných koncentrátorov a ich výhody a nevýhody v porovnaní s odstredivými vákuovými koncentrátormi

Techník, umožňujúcich zakoncentrovávať roztoky vzoriek, dnes existuje niekoľko a mnohé z nich sú veľmi rozšírené.

Dusíkový koncentrátor

Dusíkové koncentrátory používajú prúd plynného dusíka, ktorý obmýva povrch rozpúšťadla. Tým sa zníži tlak pary a zväčší sa povrchová plocha odparovaného rozpúšťadla, čo vedie k zrýchleniu jeho odparovania. Výhody a nevýhody tohto spôsobu zakoncentrovávania zahŕňa tabuľka 2.

Tab. 2 - Výhody a nevýhody dusíkového koncentrátora

Rotačná vákuová odparka (koncentrátor)

Rotačná odparka (rotavap) je snáď najrozšírenejším spôsobom zakoncentrovávania roztokov v celej škále laboratórií. Vzorka sa umiestni do vákua, čím sa zníži bod varu rozpúšťadla. Typicky sa nádoba s guľatým dnom (banka) spustí do vyhrievaného vodného kúpeľa. Banka sa otáča, aby sa zväčšila povrchová plocha a zaistil rovnomerný prenos tepla. Zvyčajne sa používa pri odparovaní jednotlivých prchavých vzoriek pri relatívne väčších objemoch (až jednotky stoviek ml). Vzhľadom na to, že je vzorka pod vysokým vákuom, vždy existuje riziko prehriatia rozpúšťadla a jeho rýchleho odparenia a znehodnotenia celej vzorky. Je tu tiež riziko týkajúce sa použitého materiálu, pretože nesprávny výber alebo chybné sklo môže viesť k implózii a zraneniu obsluhy. Navyše, pretože rotavap dokáže pracovať iba s jednou nádobou, musí byť odparovanie viacej vzoriek vykonané v sérii, čo je časovo náročné. Hlavné výhody a nevýhody tohto spôsobu zakoncentrovávania sú zhrnuté v tabuľke 3.

Tab. 3 - Výhody a nevýhody vákuovej rotačnej odparky

Vortex vákuový koncentrátor

Ďalším spôsobom (menej obvyklým) ako odstraňovať rozpúšťadlá zo vzoriek je kombinácia vákua a vírenie vzorky. Výnimkou tu tiež nie je ani pridaný ohrev. Na rozdiel od jednoduchého vákuového koncentrátora používa pre urýchlenie odparovania vírivý pohyb, čo zvyšuje výkon odparenia. Výhody a nevýhody tohto spôsobu zakoncentrovávania sú zhrnuté v tabuľke 4.

Tab. 4 - Výhody a nevýhody Vortex koncentrátora

Odstredivý vákuový koncentrátor

Rad benefitov tohto spôsobu zahusťovania vzoriek bola už uvedená v úvodnej časti tohto článku. Žiadny spôsob ale nie je úplne univerzálny a je poctivé si uviesť nielen benefity, ale aj nedostatky tohto spôsobu odparovania - pozri tabuľku 5.

Tab. 5 - Výhody a nevýhody odstredivého vákuového odparovača

Príklady profesionálnych odstredivých vákuových koncentrátorov

Odstredivé vákuové koncentrátory môžu nadobúdať rozličné podoby a veľkosti. Vždy ale stoja na základe odstredivky, ktorá je upravená tak, aby sa dalo vákuovať a v niektorých prípadoch aj ohrievať, čo sa najčastejšie rieši pomocou infračervených žiaričov. Pre bližšiu predstavu o týchto zariadeniach sú ďalej uvedené príklady základných odstredivých koncentrátorov nemeckej spoločnosti Martin Christ GmbH.

Malý odstredivý vákuový koncentrátor

Malý koncentrátor RVC 2-18 CDplus je ekonomický a kompaktný stroj na laboratórny stôl. Umožňuje spracovávať malé objemy vzorky, napr. známe 1-2 ml skúmavky Eppendorf, ktorých pojme až 72 ks. Je ideálny pre šetrné zaobchádzanie s roztokmi DNA/RNA, proteínov a iných kvapalných vzoriek. Bol by ale omyl myslieť si, že tento koncentrátor môže mať využitie smerujúce len do oblasti biologických a medicinálnych aplikácií, pretože aj napríklad chemickí syntetici, ktorí pracujú s malými množstvami vzoriek v kombinatoriálnej chémii, môžu v tomto stroji nájsť silného pomocníka.
Koncentrátor je štandardne konfigurovaný s chemickou odolnosťou a membránovým čerpadlom so sacím výkonom 2 m³/h a konečným vákuom 8 alebo 2 mbar. Zariadenie je k dispozícii aj v špeciálnej DNA a HCl verzii.

Obr. 1 - Malý laboratórny odstredivý vákuový koncentrátor RVC 2-18 CDplus spoločnosti MARTIN CHRIST (Nemecko)

Odstredivý vákuový koncentrátor strednej veľkosti

Stredný koncentrátor RVC 2-25 CDplus je tiež univerzálne stolné zariadenie zamerané v značnej miere aj pre rutinné práce. Je kompaktný a efektívny, hodí sa do každého laboratória, pričom ponúka už pomerne veľkú kapacitu v podobe až 108 ks 1-2 ml skúmaviek Eppendorf alebo aj jednotlivo až 6 x 100 ml skúmaviek. Podľa typu rotora môže napojiť aj mikrotitračné platničky. Rovnako ako RVC 2-18 CDplus je vhodný pre šetrné spracovávanie roztokov DNA/RNA, proteínov atď. Disponuje kompozitným vekom z nerezovej ocele a skla. Štandardné príslušenstvo je membránové čerpadlo so sacím výkonom 2 m³/h a koncovým vákuom 8 mbar, ktoré možno ale zameniť za čerpadlo s koncovým vákuom až 2 mbar. Ak je požadovaná vyššia odparovacia kapacita, je možnosť už vzorky prihrievať pomocou infračerveného ohrevu. Tento koncentrátor môže byť vybavený aj vymrazovacími odlučovačmi pár pre vyššiu bezpečnosť proti emisiám rozpúšťadiel do okolia.

Obr. 2 - Stredný laboratórny odstredivý vákuový koncentrátor RVC 2-25 CDplus spoločnosti MARTIN CHRIST (Nemecko)

Veľký odstredivý vákuový koncentrátor

Koncentrátor RVC 2-33 CDplus je vysoko univerzálne a výkonné zariadenie vhodné pre veľké objemy vzoriek a to až 216 ks 1-2 ml skúmaviek Eppendorf alebo skúmaviek 6 x 1-500 ml. Možno pracovať s prakticky všetkými bežne používanými rozpúšťadlami. Vysoko výkonný systém s rýchlosťou až 1 550 ot./min spoľahlivo zabraňuje predčasnému odpareniu vzoriek. Sklenené/oceľové veko z kompozitu s priehľadným oknom je vysoko odolné proti korózii. Štandardné príslušenstvo je membránové čerpadlo so sacím výkonom 4 m³/h s koncovým vákuom 1,5 mbar. Chemicky odolná vákuová pumpa je tiež vhodná pre rozpúšťadlá s vysokou teplotou varu, ako je DMSO alebo DMF. Súčasťou sú tiež vymrazovače pár rozpúšťadiel pre vyššiu bezpečnosť proti emisiám rozpúšťadiel do okolia.

Obr. 3 - Veľký laboratórny odstredivý vákuový koncentrátor RVC 2-33 CDplus spoločnosti MARTIN CHRIST (Nemecko)

V tomto článku bol vymenovaný celý rad výhod a možností aplikácií odstredivých vákuových koncentrátorov. Najzásadnejšou výhodou je, že odstredivé vákuové koncentrátory jednoznačne zabraňujú predčasnému odpareniu a speneniu vzoriek. Sú tiež veľmi bezpečné, pretože je vákuovaná celá komora odstredivky, a nie len samotná nádoba so vzorkou. Možnosť spracovávania rôznych typov vzoriek v rámci jedného odparovacieho kroku je tiež značným benefitom. Prax ukázala, že odstredivé vákuové koncentrátory zvládajú spracovávať aj zmesi metanolu/vody alebo acetonitrilu/vody a môžu tak spracovávať napr. extrakty z potravín, rastlín. Ďalej sulfónamidy a ďalšie lieky možno zakoncentrovávať so 100% výťažkom. Extrakty s niektorými látkami citlivými na svetlo (nitrofurány) je možné odpariť bez strát a taktiež niektoré látky citlivé na hydrolýzu (penicilíny). U prchavých látok (ako sú organochlórové pesticídy alebo polychlórované bifenyly) možno pre predbežné zakoncentrovanie použiť práve odstredivé vákuové koncentrátory, napr. v prípade eluátu z gélovej permeačnej chromatografie. Dnes je už samozrejmosťou riadené IR žiarenie pre ohrev s reguláciou teploty v odstreďovaných nádobách. To v kombinácii s reguláciou tlaku a rýchlosti otáčania rotora zaisťuje optimálne riadenie a kontrolu procesu zahusťovania.

Je prekvapujúce, že hoci odstredivé vákuové koncentrátory vynašla už v 60. rokoch 20. storočia spoločnosť Savant Inc USA, ich rozšírenie nie je veľké a obmedzuje sa väčšinou len na špecializované laboratóriá pracujúce s biologickými materiálmi. Skúsenosť z praxe ukazuje, že všeobecná znalosť tohto komfortného spôsobu zakoncentrovávania roztokov je prekvapivo malá.

Odstredivé vákuové koncentrátory by si naopak vzhľadom na svoje univerzálnosti a vyspelé inštrumentácie zaslúžili byť takmer v každom laboratóriu, nevynímajúc bežné chemické laboratóriá. Tento článok má práve za cieľ týchto dômyselných a účinných pomocníkov v laboratóriu predstaviť.

David PETRÁŠ ( petras@pragolab.cz )