深度解析：真空離心濃縮中不同加熱方式對濃縮效率的影響

真空離心濃縮儀

這是一種用于濃縮溶液或懸浮液的技術(shù)，它結(jié)合了離心力和真空原理。該過程在低真空下對濃縮的樣品施加離心力，以控制暴沸；利用真空泵降低腔體壓力，從而使溶劑快速并安全蒸發(fā)。對比傳統(tǒng)的濃縮方式旋蒸和氮吹來說，它有著多種優(yōu)點(diǎn)：高通量、防暴沸、低溫下濃縮等，在生命科學(xué)、食品、環(huán)境檢測、分子生物學(xué)等有著廣泛用途。

在使用中，用戶經(jīng)常關(guān)注的一個問題就是蒸發(fā)速率，如果使用的溶劑為水或者在常壓下沸點(diǎn)高于100攝氏度的溶劑DMF、DMSO等，蒸發(fā)速率將會是更加需要關(guān)注的事情。

以下小編將市面上幾種常用的加熱方式做對比，當(dāng)加熱溫度設(shè)定至相同溫度時，以下不同加熱方式將會表現(xiàn)出不同的蒸發(fā)效率。系統(tǒng)地讓讀者了解，加熱方式是如何影響蒸發(fā)速率，這將會幫助用戶選到更適宜的真空離心濃縮儀。

這里首先要了解熱量傳遞的三個方式：熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。

這是指在物體內(nèi)部或相互接觸的物體表面之間，由于分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運(yùn)動，而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象；

又稱熱對流，是指由于流體的宏觀運(yùn)動而引起的流體各部分之間發(fā)生相對位移（對流），冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程；

這是物體用電磁輻射把熱能向外散發(fā)的熱傳方式，以熱輻射傳遞熱時不需要介質(zhì)。

區(qū)別：熱傳導(dǎo)是熱能從高溫向低溫部分轉(zhuǎn)移的過程；熱對流是熱量通過流動介質(zhì)傳遞的過程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，是在真空中的傳熱方式。

不同加熱方式是如何影響蒸發(fā)速率？

了解上面的熱交換的方式之后，熱交換效率影響因素有很多，當(dāng)在濃縮儀這個環(huán)境下使用時，熱交換效率越高，代表濃縮速度越快。

電阻絲加熱

這是一種應(yīng)用很廣泛的加熱方式，其原理是電流通過一段帶電阻的導(dǎo)體會產(chǎn)生熱量，它的發(fā)熱和電流I電壓U和電阻R成正比。電熱量Q等于電流I的平方乘以電阻R乘以時間t。當(dāng)把它應(yīng)用到真空離心濃縮儀中時，電阻絲加熱，繼而給腔體環(huán)境加熱，最終給樣品加熱。熱量傳遞需要介質(zhì)，當(dāng)腔體內(nèi)處于低真空的環(huán)境下時，這時熱量傳遞有限，不得不通過向腔體內(nèi)補(bǔ)空氣進(jìn)來，以到達(dá)熱量傳遞的目的（主要熱交換方式為熱對流）。影響熱對流效率的因素主要是對流傳熱系數(shù)，這包含介質(zhì)的流體性質(zhì)與流動形式。

電熱絲加熱濃縮儀的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：價格便宜；

缺點(diǎn)：濃縮效率低，尤其是在濃縮水溶液時，這時將不得不提高加熱溫度來補(bǔ)足。

試用溶劑：乙/甲醇、已腈等少量低沸點(diǎn)溶劑。

紅外加熱

它是一種輻射源內(nèi)能轉(zhuǎn)化為輻射能進(jìn)行熱傳遞的非接觸式加熱過程。在濃縮儀中的紅外燈射線將直接照射到適配器或者樣品容器上來實(shí)現(xiàn)加熱（主要熱交換方式為熱輻射）。影響熱輻射速率的因素主要是發(fā)射率（紅外燈的功率）。輻照加熱就彌補(bǔ)了電阻絲加熱效率低的問題，處理起高沸點(diǎn)溶劑更加得心應(yīng)手。

紅外加熱濃縮儀的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：熱效率高，通常紅外加熱源的電熱轉(zhuǎn)化效率都超過90%，濃速度快；

缺點(diǎn)：價格較高，容易造成加熱不均勻。

適用溶劑：已腈、水、DMF、DMSO等500ml以下中高沸點(diǎn)溶劑。

圖1：Genevac EZ-2 4.0 溶劑蒸發(fā)工作站加熱示意圖

水蒸氣加熱

這種加熱方式屬于熱傳導(dǎo)的一種，利用水較高的比潛熱(specific latent heat)，通過水蒸氣包裹在容器外部實(shí)現(xiàn)熱交換。由于它具有最大的傳熱面積，所以在上述的幾種加熱方式中，采用這種方式加熱的熱交換速率最高，濃縮速度最快。同時采用這種加熱方式的濃縮儀在速度和處理量上可以媲美旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。但又可以做到同時處理多個樣品。

圖2：Rocket快速蒸發(fā)濃縮儀加熱方式示意圖

試用溶劑：乙/甲醇、已腈、水等幾百毫升到幾升，大量中低沸點(diǎn)溶劑。

不同加熱方式下濃縮時間的對比

設(shè)定單個樣品體積為25ml，共4個樣品管，總體積100ml，加熱溫度為30攝氏度。

*以下數(shù)據(jù)均來自Genevac 公司研發(fā)EVAPSIM軟件（一款可測試蒸發(fā)時間與回收率的軟件）

從圖中數(shù)據(jù)對比可看出，選擇紅外燈加熱與蒸汽加熱明顯速度要更快一些，尤其在處理水等中高沸點(diǎn)溶劑來說。

總結(jié)

了解了上述幾種加熱方式對傳熱效率的影響之后，在選購濃縮儀時可根據(jù)自己的溶劑、樣品體積、數(shù)量來確定選擇以上幾種加熱方式。

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Genevac

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