真空离心浓缩仪的原理和应用

 溶剂去除是制药、化学和生物技术行业广泛应用中的过程。尽管使用了多种样品形式和溶剂，但没有一种单一的溶剂去除技术可以提供通用的解决方案。随着冷冻干燥和离心浓缩技术的不断成熟，结合 真空泵、冷阱和加热蒸发设备，所开发的新一代高功率冷阱、真空离心浓缩仪等仪器，既 提高了蒸发性能又改善了样品完整度，这类仪器还进一步地提升了溶剂回收率，从而减少了蒸发- 浓缩过程对环境的影响。 只有充分了解离心浓缩仪的基本原理与应用才能更好地在实验中发挥它的作用。

溶剂去除的原理

   在溶剂去除过程中，以热量的形式施加能量，使液体蒸发成气体，气体被去除，留下浓缩或无溶剂（干燥）的产品。许多系统统称为“蒸发器"。然而，真正的蒸发是在液体表面蒸发成气体；对于许多 “蒸发器"来说，发生的是沸腾而不是蒸发。冷冻干燥过程既不涉及蒸发也不涉及沸腾，而是涉及升华，即从固相转变为气相而没有液相。

   物质的相由两个主要因素决定——热量和压力——而发生沸腾或汽化的温度由压力决定。因此，真空浓缩器在系统中施加真空以降低溶剂的沸点，以便在较低温度下发生液体蒸发，例如，水在 10 mbar 压力下的沸点为 –7.5 °C。类似地，在冷冻干燥机中，在低压下提供给冷冻样品的热能会传递足够的能量来解冻，但压力不足以形成液体，因此溶剂会升华成气体。产生的蒸气通过冷阱或冷凝器除去，在此回收溶剂。

热量和温度

   溶剂去除系统使用热能输入来诱导溶剂蒸发，并采用各种加热机制，例如电加热块、灯或低温蒸汽。热量和温度虽然联系在一起，但它们是不同的，区分它们很重要。热量是指以焦耳为单位测量的热能，而温度测量热能的水平，即物体的热度或冷度。被称为热敏的样品通常对温度敏感，如果温度保持在规定的范围内，大多数样品可以在不降解的情况下加热。在系统中施加真空会降低溶剂的沸点，以便在对样品安全的较低温度下发生液体汽化。

   热量和温度通过方程Q = m cΔ T相关，其中Q是添加的热能， m是物体的质量，c 是被加热物体的比热容，Δ T是温度的变化。ΔT 可以用添加的热量表示为ΔT = Q / mC。当所有其他参数保持不变时，这些等式成立。然而，在相变时，添加的热能不会增加温度，因为状态变化需要能量，例如从液态变为气态。因此，在真正的蒸发系统（非沸腾）中，样品处于控制它的系统温度，而在主动冷冻产品的冷冻干燥机中，样品处于冷冻时的温度，然后其温度为由真空度控制的冰升华温度控制。

图 1 – 一些常见溶剂的压力和沸点之间的关系。

    相反的动态存在于使溶剂沸腾的真空浓缩器中。当样品潮湿和沸腾时，样品处于液体的沸腾温度。图1显示了一些常见溶剂的沸点和压力之间的关系。在这个阶段，可以将系统加热到高温，直到溶剂*去除，样品才会达到这个温度。只有在去除所有溶剂后，样品才会升温至系统温度。因此，准确控制和 检测样品温度至关重要。样品架温度的控制通常提供有效的保护，因为其中的样品不能超过该温度，除非样品被直接加热并且独立于样品架。这需要使用由铝等材料制成的固体金属支架，这些金属支架可以将最大量的热量传递到样品中，并通过蒸发溶剂进行冷却。

干燥方法

1.冷冻干燥

冷冻干燥机有两种基本类型：1) 主动冷冻放置在冷藏架上的样品的系统，类似于实验室冷冻机。

 2) （被动）系统不主动冷冻，而是使用带有装有样品的烧瓶的歧管直接或在小瓶内。通常使用高真空，以便样品保持冷冻状态，因此在溶剂升华时保存完好，并收集在冷阱中。

图 2 – 冻干过程。

典型的冻干产品是一种分散的“蓬松"粉末，具有非常高的干燥度（由于可用于去除溶剂的表面积很大），并且易于称重和重新溶解。一些样品，如 DNA，在移动过程中可能需要小心处理，以避免细粉丢失。冷冻干燥是一个相对较慢的批处理过程，尽管有一系列配置可以在每个循环中容纳大批量样品。可能会发生溶剂爆沸，但可以通过在可行的情况下预冷冻样品来减少这种情况。冷冻过程将该技术限制在水溶液或几种容易冷冻的简单有机溶剂中的一种。含有挥发性溶剂的样品必须在较低的温度下主动冷冻，这可能需要在 较低的压力下进行真空控制，并且温度过低以至于冷凝器无法有效运行。冷冻干燥或冻干过程在图 2。

图 3 – 离心蒸发过程。

离心浓缩

离心浓缩仪是在真空下引起溶剂沸腾，因此样品很冷；然而，与冷冻干燥机相比，样品不会冷冻，因此该过程可能比冷冻干燥快。必须小心离心蒸发容易结冰的水样。离心蒸发器使用冷阱来回收蒸发的溶剂。离心确保溶剂从样品表面向下沸腾（见图 3），从而减少沸腾和溶剂碰撞，并防止样品损失和交叉污染。液体表面的溶剂处于设备的压力下，而低于该水平的溶剂处于较高的压力，因为溶剂的额外重量乘以g离心机转子施加的力。经证明，具有高转子速度（产生 500克或更多）的系统可防止溶剂爆沸。离心蒸发技术适用于多种溶剂，可以浓缩、干燥成薄膜或冷冻干燥样品。部分离心蒸发系统可以通过在冷冻干燥最后几毫升样品之前浓缩大部分较大体积的样品来实现快速冷冻干燥。

图 4 – 排污蒸发过程。

排污蒸发-氮吹技术

在这些蒸发器系统中，氮气等惰性气体通过针头吹到试管、小瓶或微孔板中的样品上，以在液体表面产生流动（见图 4）。这改变了气相和液相之间的平衡以有利于气相。通常对样品加热以加速蒸发，也可以使用预热的气体。氮吹 技术可以使用开放式访问设备，并且相对便宜，从自组装设备到简单的商业系统。尽管对于挥发性溶剂来说排空蒸发相对较快，但对于沸点高的溶剂或水等难以蒸发的溶剂来说，它可能会很慢。排污蒸发样品在过程中容易升温，因为它们在蒸发过程中处于加热块或浴槽的温度，因此该技术对挥发性分析物的回收率很差。作为手动过程，排空蒸发需要用户持续监控以检测干燥过程的终点。氮吹技术通常会达到较差的干燥度，并且可能会发生飞溅，特别是在气体流速过高的情况下，会导致样品交叉污染。排污的一个常见用途是将大量体积浓缩到几毫升，以便通过其他技术进行后续处理。

涡旋蒸发和旋转蒸发

图 5 – 涡旋蒸发过程。

涡流蒸发器在真空下煮沸批次样品，以在整个汽化过程中保持样品低温，同时旋转样品管以产生涡流（参见图 5）。旋转蒸发仪本质上是相似的，但它适用于包含在烧瓶中的单个样品（参见图 6）。产生的涡流会产生较大的样品表面积用于蒸发，从而使该过程相对较快。然而，得到的干燥产物会散布在容器壁上，这会使样品回收更加困难。此外，与离心选矿机相比，旋转运动产生的 g不足力以防止溶剂碰撞，因此涡旋蒸发器容易发生样品损失和交叉污染。在一些涡流系统中，通过使用指向样品管的加热灯进一步加速蒸发，但这些系统在样品干燥时容易使全部或部分样品过热.

图 6 – 旋转蒸发过程。

影响蒸发浓缩速度的因素

三个因素影响浓缩速度：热能供应、蒸汽去除和溶剂表面积。对于沸腾的溶剂，提供的热能越快，溶剂沸腾的速度就越快。类似地，对于蒸发系统，多热量等于快蒸发，尽管样品处于设定的系统温度，而不是溶剂沸点控制样品温度的沸腾。热量由灯提供；加热块；或者，在新一代的离心浓缩仪 中，采用低温低压蒸汽。