gumimacik
granulált műanyagok
másodlagos üzemanyagok
gumicukor
gumikacsa
A szilárd mintaanyagot mindig megfelelően elő kell készíteni méretcsökkentéssel és homogenizálással, mielőtt kémiai vagy fizikai elemzésnek vetnénk alá. Ügyelni kell arra, hogy az elemzett minta teljes mértékben reprezentálja az eredeti anyagot, és hogy a mintaelőkészítési folyamatot reprodukálhatóan végezzék el. Csak így garantálhatóak az értelmes eredmények. A legtöbb mintaanyag szobahőmérsékleten a szükséges analitikai finomságra csökkenthető a megfelelő méretcsökkentési elvvel (ütés, nyomás, súrlódás, nyírás, vágás) rendelkező malom kiválasztásával.
A szobahőmérsékleten történő méretcsökkentésnek azonban vannak korlátai, például ha már kis hőmérséklet-emelkedés is negatívan hat a mintára; vagy ha az anyag nagyon rugalmas, és a fent említett méretcsökkentési elvek csak deformációt okoznak. Az ilyen típusú minták esetében a tökéletes megoldás a hideg- vagy kriogén őrlés. Ez olyan őrlési segédanyagokat foglal magában, mint a folyékony nitrogén (-196 °C) vagy a szárazjég (-78 °C), amelyek a hűtés hatására a minta rideggé válik, és könnyebben törik. Egy másik előnye a minta illékony összetevőinek megőrzése. Ebben a fehér könyvben bemutatjuk, hogy milyen mintaanyagok esetében alkalmazható a kriogén őrlés, mely laboratóriumi malmok alkalmasak erre, és milyen egyéb szempontokat kell figyelembe venni.
Számos polimer (műanyag, mint például PP, PET, PA stb.), valamint más anyagok is viszkoelasztikus viselkedést mutatnak a őrlés során, ami plasztikus deformációt eredményez. Ez azt jelenti, hogy repedés keletkezése - és így törés - nem következik be. Az olyan elasztomerek, mint a szilikon sütőedények vagy a gumiabroncsok, amelyeket rugalmasságuk miatt szobahőmérsékleten használnak, úgynevezett üvegesedési hőmérsékletük jóval a szobahőmérséklet alatt van. Ha a rugalmas műanyag mintákat folyékony nitrogénbe merítjük, hőmérsékletük az üvegesedési hőmérséklet alá csökken; ez csökkenti az anyag azon képességét, hogy rugalmas-plasztikus viselkedés vagy viszkózus áramlás révén ellenálljon a nagy mechanikai igénybevételnek. Ha ezt az előhűtött anyagot ezután malomban őrlik, a minta rideg törési viselkedést mutat. A kriogén őrlés kemény műanyagok esetében is alkalmas, annak ellenére, hogy ez az anyag szobahőmérsékleten rideg. A sikeres méretcsökkentési folyamathoz a minta hőmérséklete nem haladhatja meg az üvegesedési hőmérsékletet.
Az illékony komponenseket, például oldószereket (benzol, toluol, PCB, PCP stb.) tartalmazó anyagokat nehéz megfelelően előkészíteni az elemzéshez, mivel az őrlés közbeni hőmérséklet-emelkedés az analitok elvesztéséhez vezethet. Az őrlési folyamat következtében megnövekedett részecskefelület tovább elősegíti az illékony anyagok kibocsátását. A folyékony nitrogén vagy szárazjég alacsony hőmérséklete jelentősen csökkenti az összetevők magas gőznyomását, és megszilárdítja a mintamátrixot. Így az illékony komponenseket alig érinti az őrlési folyamat során bekövetkező relatív hőmérséklet-emelkedés.
Ha biológiai mintákat készítenek elő, például élesztőből, baktériumokból, növényekből vagy emberi/állati szövetekből történő későbbi nukleinsavkivonás céljából, akkor azok a folyamat során és utána nagyon érzékenyen reagálhatnak a hőmérsékletre, és akár meg is semmisülhetnek. Ilyen esetekben a kriogén őrlés segít javítani a folyamatot azáltal, hogy a sejtcsoportokat és a sejtfalakat megtöri, könnyebben bonthatóvá teszi, és lassítja a sejtdarabok későbbi bomlását. A nem kívánt sejtreakciókat gyakorlatilag "lefagyasztják" a minta LN2-be merítésével, így a sejtek aktivitása egy későbbi időpontban megfigyelhető.
Az olyan ragadós vagy kemény mintaanyagok, mint a sajt, a mazsola, a borgumi vagy a marcipán szobahőmérsékleten történő őrléskor egyszerűen összecsomósodnak, és nem homogenizálódnak kellőképpen. A kriogén eljárás alacsony hőmérséklete megakadályozza a minta csomósodását, így az alaposan homogenizálódik és alkalmas az elemzésre.
gumimacik
granulált műanyagok
másodlagos üzemanyagok
gumicukor
gumikacsa
kaucsuk
szárított alma gyógynövényekkel
karamellás édességek
mogyorós csokoládé
tabletták
| Minta | Malom | Kiegésztők | Feed quantity | Grinding time | Sebesség | Végső finomság (d90) |
| gumimacik | MM 400 |
|
10 Darabok | 1 minimum | 30 Hz | < 300 µm |
| kaucsuk | CryoMill |
|
4 g | 2 minimum | 30 Hz | < 500 µm |
| E. coli baktériumok | CryoMill |
|
10 ml fagyasztott sejtpelletek | 2 minimum | 30 Hz | teljes sejtbontás |
| granulált műanyagok | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000min-1 | < 500 µm |
| másodlagos üzemanyagok | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000min-1 | < 0.75 mm |
| gumicukor | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 1000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| gumikacsa | SM 300 |
|
5 Darabok | 40 s | 3000min-1 | < 2 mm |
| Folyékony töltésű tabletták | RM 200 |
|
40 Darabok | 3 minimum | 100 min-1 | < 250 µm |
| gumimacik | MM 500 control |
|
28 Darabok | 30 s | 30 hz | < 100 µm |
| szárított alma gyógynövényekkel | MM 500 control |
|
30 g | 2 minimum | 30 hz | < 150 µm |
| karamellás édességek | GM 200 |
|
15 g | 2 minimum | 4000 min-1 | < 300 µm |
| mogyorós csokoládé | GM 200 |
|
100 g | 4 minimum | 10000 min-1 | < 1 mm |
A kriogén őrléshez megfelelő laboratóriumi malom kiválasztásakor különböző szempontokat kell figyelembe venni. Egyrészt a minta mennyisége döntő fontosságú a döntés szempontjából, másrészt a betét mérete és a kívánt végső finomság is fontos tényező. Az MM 400 és a CryoMill keverőmalmokat kis mintamennyiségek feldolgozására tervezték. Ezekkel a malmokkal gyakran még a nehéz műanyag minták esetében is finomabb őrlési méreteket érnek el, mint például a rotoros malmokkal, mivel a minta hosszabb ideig marad a zárt őrlőedényben, mint a rotoros malmok nyitott őrlőkamrájában. A CryoMillben a minta a teljes őrlési folyamat alatt folyamatosan hűl, akár állandó -196 °C-os hőmérsékleten is. Az MM 500 vezérlés képes a kiválasztott hőmérsékletet -100 °C és 0 °C között tartani. Lehetőséget biztosít nagyobb mintamennyiség pf akár 80 ml-es tételenkénti őrlésére is.
A cirkónium-oxidból vagy volfrámkarbidból készült edények használata megengedett ezeken a hőmérsékleteken. A nagyon kemény minták, például a legtöbb műanyag esetében a porlasztás csak a leghidegebb opcióval - a CryoMill-lel - lehetséges. A rotoros malmok, mozsaras malmok, késes malmok vagy vágómalmok lényegesen nagyobb mennyiségeket és adagolási méreteket dolgoznak fel, mint a keverőmalmok. E malmok méretcsökkentési elvei azonban általában nagyobb őrlési méreteket eredményeznek, különösen a műanyagok őrlésénél. A GRINDOMIX GM 200 vagy GM 300 késes malom elsősorban élelmiszeripari minták kriogén őrlésére alkalmas, azzal a megszorítással, hogy csak szárazjég és nem folyékony nitrogén használható, mivel a malmot nem -196 °C-os hőmérsékletre tervezték. Az előfagyasztott (fagyasztó, LN2 fürdő anélkül, hogy LN2-t juttatnánk a malomba) minták rendben vannak. A rotor- és vágómalmok azonban szárazjeget és folyékony nitrogént is elfogadnak őrlési segédanyagként.
A nagyon alacsony hőmérséklet miatt a folyékony nitrogén különösen alkalmas olyan anyagokhoz, amelyek üvegesedési hőmérséklete -50 °C alatt van. A szárazjég előnye, hogy kevésbé gyorsan párolog el, mint a folyékony nitrogén; ráadásul az őrléshez keverhető a mintával, így meghosszabbítva a hűtőhatást. Ez különösen előnyös az alacsony hőkapacitású anyagok esetében, amelyek nem képesek megtartani az alacsony hőmérsékletet, például vékony műanyag fóliák esetében. A minta szárazjéggel történő adagolása általában egyszerűbb, különösen, ha a részecskék 1 mm-nél kisebbek, mint az anyag folyékony nitrogénből történő kivonása. Ezenkívül a szárazjég biztonságosabban kezelhető, mivel sokkal kisebb például a fulladás veszélye. Emellett a szárazjég nem fröccsen a darálás során, mivel teljesen összekeveredik a mintaanyaggal. Ezektől a szempontoktól függetlenül mindig be kell tartani a megfelelő biztonsági előírásokat, amikor kriogén őrlési segédanyagokkal foglalkozunk. A következő fejezetben a kriogén őrlésre alkalmas laboratóriumi malmok választékát mutatjuk be.
A golyósmalmok, pl. az MM 400, MM 500 vario és a CryoMill tökéletesen alkalmasak kis mintamennyiségek homogenizálására, maximum 8 mm-es adagolási mérettel. Ezek a malmok két, illetve egy vagy hat őrlőállomással rendelkeznek, amelyekbe az őrlőgolyókkal és a mintával töltött, csavaros tetejű őrlőedényeket az őrléshez biztonságosan be kell szorítani. A zárt őrlőedényeket, és így a mintát is, folyékony nitrogénnel süttetik. Az MM 400 vagy az MM 500 vario megfelelő őrlőedényei acélból vagy PTFE-ből készülnek; 1,5, 2 és 5 ml-es egyszer használatos fiolák vagy acélcsövek is rendelkezésre állnak. Ügyelni kell arra, hogy az őrlőedényekbe ne kerüljön folyékony nitrogén. Az őrlési folyamat súrlódási hője miatt az LN2 gázfázisba kerül, ami jelentős nyomásnövekedést eredményez az őrlőedényben. A zárt őrlőedényt fogó segítségével 2-3 percre egy folyékony nitrogénnel töltött szigetelőedénybe helyezzük, majd az MM 400 vagy MM 500 vario készülékbe szorítjuk.
A nagy energiabevitel és a keletkező súrlódási hő miatt az őrlési folyamat nem tarthat tovább 3 percnél, hogy a minta ne melegedjen fel, és megőrizze törési tulajdonságait. Ha hosszabb őrlési időre van szükség, ezt a zárt őrlőedények közbenső hűtésével kell megszakítani. A két említett kegolyósmalommal ellentétben a CryoMill előnye, hogy az őrlőedényt folyékony nitrogénnel folyamatosan hűti, így az edény és a minta hőmérséklete percek alatt -196 °C-ra csökken. Így a -196°C-os állandó hőmérséklet hosszú őrlési idő alatt is garantált, közbenső hűtési ciklusok nélkül. Ráadásul a felhasználó egyetlen ponton sem érintkezik folyékony nitrogénnel, ami a CryoMill üzemeltetését biztonságossá és felhasználóbaráttá teszi. Az automatikus előhűtési funkció biztosítja, hogy az őrlési folyamat nem indul el a -196°C-os hőmérséklet elérése és fenntartása előtt. A nehézfémektől mentes őrléshez cirkónium-oxid őrlőedény áll rendelkezésre.
Ez a malom a legmegfelelőbb gép a legkeményebb műanyag anyagok porítására is. Az MM 500 nano és az MM 500 control különböző őrlőedényekkel működik, és nagyobb, akár 125 ml térfogatú edényeket is kínál - így egy tételben akár 80 ml is feldolgozható. Az MM 500 nano nagyon magas, akár 35 Hz-es energiabemenetet is kínál, ami a keményebb minták hatékony aprításához is előnyös. Az MM 500 nano esetében a kezelés ugyanaz, mint az MM 400 és az MM 500 vario esetében. A kriogén őrlés teljesen új módja valósul meg az MM 500 controlban. Az edények hűtése a hőlemezeken keresztül történik. Itt, ha egy CryoPad is csatlakoztatva van, a hőmérséklet -100°C és 0°C közötti értékre állítható. A CryoPad szabályozza a beállított hőmérséklet fenntartásához szükséges LN2 áramlást. Ez a malom optimális az olyan mintákhoz, mint az édességek és élelmiszerek, mivel itt csak "mérsékelt", -40°C-os vagy akár -20°C-os kriogén hőmérsékletre van szükség az ilyen minták porlasztásához. Mivel a hőmérséklet folyamatosan csökken, és a maximális negatív hőmérséklet -100°C, a kriogén őrléshez volfrámkarbidból készült edények és cirkóniumból készült edények használata megengedett.
A golyósmalmokat kis mintamennyiségek őrlésére tervezték. Különböző adapterekkel 1,5 ml-es, 2 ml-es vagy 5 ml-es egyszer használatos csövek is használhatók - de a kriogén őrléshez ezeknek a csöveknek az a negatívuma, hogy törékenyek és hajlamosak eltörni. Minden Retsch kegolyósmalomban 2 ml-es acélcsövek is használhatók, amelyek ellenállnak a kriogén őrlés kemény körülményeinek. Továbbá vannak adapterek 4 x 5 ml-es acél edények tartásához. Az MM 500 nano és az MM 500 control továbbá lehetőséget kínál 2 x 25 ml-es vagy 4 x 10 ml-es több üregű befőttesüvegek használatára.
A fent említett, az őrlési segédanyag kiválasztását befolyásoló szempontok az SM 300 vágómalomban történő kriogén őrlés során is érvényesek. Ez a malom különösen alkalmas kemény anyagok, például cipőtalpak vagy bitumen feldolgozására, és nagyobb adagolási méreteket fogad el, mint a ZM 300-as malom. Az SM 300-as malommal még a durván vágott és törmelékes autógumik is homogenizálhatók. Az embrittált mintaanyag meglehetősen kemény, ezért javasoljuk a 6 tárcsás rotor használatát, mivel az inkább aprítógépként működik. Alkalmas heterogén minták, például fagyasztott csirkedarabok, beleértve a csontokat is, darabolására is. A vékony műanyag fólia őrléséhez, amely gyakran része a hulladékból származó üzemanyagoknak, szárazjég használatát javasoljuk a folyamatos hűtőhatás miatt az őrlési folyamat során.
A GRINDOMIX GM 200 vagy GM 300 késes malom tökéletesen homogenizálja az olyan ragadós és kemény élelmiszer-mintákat, mint a sajt, a mazsola, a borgumi vagy a marcipán. Még a csokoládé is, amely szobahőmérsékleten feldolgozva egyszerűen pépszerűvé válik, sikeresen porlasztható kriogén úton. A mintát 1:2 arányban szárazjéggel keverjük össze; néhány perc múlva alaposan lehűtjük, és megkezdődik az őrlési folyamat. A szárazjég végig hűvösen tartja a mintát. A GM 200 vagy GM 300 készülékben végzett kriogén őrlés során ügyelni kell arra, hogy ne használjon műanyag tartozékokat, mivel ezek a folyamat során megsérülhetnek. A megfelelő tartozékok közé tartozik egy rozsdamentes acélból készült őrlőedény, egy teljes fém kés és egy nyílással ellátott fedél a gáznemű szén-dioxid elpárolgásához.
A mozsárőrlőben a mintákat nyomás és súrlódás hatására porlasztják, és annyi ideig őrlik, amíg a kívánt végső finomság eléréséhez szükséges. A Mortar Grinder RM 200 nem egy zárt rendszer; az őrlési folyamat során szárazjég vagy folyékony nitrogén hozzáadása lehetséges a fedélben lévő ablakon keresztül. A kriogén alkalmazásokhoz a mozsárnak és a mozsártörőnek rozsdamentes acélból kell készülnie. A folyékony töltelékkel ellátott tabletták például sikeresen poríthatók mozsárőrlőben.
| Malom | adagolható méret | Feed quantity | Max. végfinomság | Megjegyzés |
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 µm |
|
| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 µm |
|
| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 µm |
|
| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
|
| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
|
| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm |
|
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
|
Sok anyag esetében a folyékony nitrogénnel vagy szárazjéggel történő porlasztás az egyetlen lehetséges módja a későbbi elemzésre alkalmas minta kinyerésének. A RETSCH olyan laboratóriumi malmokat kínál, amelyek lehetővé teszik a kíméletes és hatékony kriogén mintaelőkészítést. Használatuk jelentősen csökkenti mind az alacsony hőmérsékletű őrléshez szükséges költségeket, mind a munkaerőt. A megfelelő tartozékok kiválasztása biztosítja az őrlési folyamat biztonságos elvégzését.
