Die Vakuumpumpe - Ein wichtiges Laborgerät

Vakuumpumpe

Eine Vakuumpumpe hilft dabei, bestimmte Experimente durchführen zu können. Finde hier eine Übersicht zu Modellen, die in diese Kategorie passen.

Einkaufsführer für Vakuumpumpen in Laboratorien

Eine Vakuumpumpe ist ein anpassungsfähiges Werkzeug, das einer großen Vielfalt von Forschern und Ingenieuren helfen kann. Vakuumpumpen werden routinemäßig in Labors eingesetzt:

  • Zum Ansaugen, um das Ansaugen oder Filtrieren von flüssigen oder suspendierten Proben voranzutreiben
  • Induzieren oder Kontrollieren der Lösungsmittelverdampfung durch Reduzierung des Dampfdrucks, wie in Öfen, Rotationsverdampfern, Geltrocknern und Konzentratoren
  • Verbesserung der Empfindlichkeit des Instrumentennachweises durch Auswertung von Luftmolekülen, die Proben verdecken oder kontaminieren könnten, wie in einem Massenspektrometer
  • Zur Entnahme von Gasproben aus Prüfkammern oder der Atmosphäre
  • Bereitstellung einer Umgebung mit Unterdruck (d.h. weniger als Atmosphärendruck), um das Entweichen von potenziell gefährlichen Probenmaterialien zu verhindern.

Die ersten beiden dieser Anwendungen stellen die überwiegende Mehrheit der Anwendungen dar, für die Vakuumpumpen in Chemie- und Biowissenschaftslabors gekauft werden, daher werden sie im Mittelpunkt dieses Artikels stehen. Vakuumpumpen, die die Empfindlichkeit der Instrumente unterstützen, sind in der Regel in die von ihnen unterstützten Instrumente integriert und werden nur selten unabhängig für Laboratorien gekauft, obwohl wir kurz auf Hochvakuumanwendungen eingehen werden, die in der Instrumentierung und Physik verwendet werden. Ein Vakuum zur Erzeugung einer Unterdruckumgebung wird normalerweise durch bautechnische Maßnahmen bereitgestellt. Zu Beginn sei darauf hingewiesen, dass Vakuumpumpen dafür ausgelegt sind, Luft oder Dämpfe zu fördern, und nicht dafür, Flüssigkeiten oder Suspensionen direkt zu pumpen.

Viele Laboratorien - insbesondere in älteren Laborgebäuden - sind mit zentralen Vakuumsystemen (manchmal als "Hausvakuum" bezeichnet) ausgestattet. Diese Systeme können vor allem in Lehrlabors und in Labors, in denen die Hauptanwendungen Filtration und Absaugung sind, eine Erleichterung darstellen. Viele neue Laborgebäude werden aus einer Vielzahl von Gründen ohne solche Systeme gebaut:

  1. Konkurrierende Nutzungen auf zentralen Vakuumsystemen führen oft zu Konflikten zwischen den Nutzern, die ein stabiles Vakuum benötigen, und denjenigen, die Vakuumapparate anschließen und trennen, weil sie eine kurze, intermittierende Vakuumunterstützung benötigen. Diese Vakuuminstabilität kann in modernen, multidisziplinären Laborgebäuden besonders problematisch sein.
  2. Die Vakuumniveaus, die sie erreichen können, sind bescheiden - etwa 75 Torr in einem neuen Gebäude -, so dass das von ihnen bereitgestellte Vakuum für viele Anwendungen der Verdampfungschemie nicht ausreicht, für die am Ende ohnehin spezielle Pumpen benötigt werden.
  3. Da die Zentralsysteme während des ursprünglichen Baus installiert werden, können sie sich nicht an sich ändernde Bedürfnisse während der Lebensdauer eines Laborgebäudes anpassen, ohne für alle möglichen zukünftigen Anforderungen überbaut zu werden. Diese Tatsache und die Energieintensität solcher Systeme während der Lebensdauer des Gebäudes bedeuten, dass sie häufig nicht als eine sehr nachhaltige Option betrachtet werden.
  4. Hausvakuumsysteme saugen chemische Dämpfe und biologische Aerosole von den Anwendungen weg und in Vakuumschläuche hinter den Wänden. Dort können sie zu einer Kreuzkontamination zwischen den Vakuumanwendungen in verschiedenen Labors führen oder einfach in den Rohren kondensieren und sich dort während der Lebensdauer des Gebäudes als eine unbekannte Mischung von Chemikalien ablagern.
  5. Und schließlich, weil das Hausvakuum Dinge in der Wand "verschwinden" lässt, sind die Benutzer möglicherweise weniger vorsichtig, um das Ansaugen von Flüssigkeiten oder Partikeln in das System zu vermeiden, als wenn sie eine Pumpe auf ihrem Labortisch verwenden.

Auswahl einer Vakuumpumpe für Ihr Labor

In der Vergangenheit waren die meisten in Laboratorien verwendeten Vakuumpumpen ölgedichtete Drehschieberpumpen. Zu den bekannten Formen gehören Modelle mit Riemenantrieb und Direktantrieb. Das Öl in diesen Pumpen wird zur Schmierung und Abdichtung der Pumpen verwendet. Aufgrund der Öldichtung können diese Pumpen typischerweise Vakuumdrücke von 10-3 Torr erreichen - ein wesentlich tieferes Vakuum als die meisten Trockenlabor-Vakuumpumpen, die typischerweise nicht unter 10-1 Torr reichen. Für Gefriertrockner, Molekulardestillationsanwendungen und Schlenk-Linien werden Vakuumniveaus von 10-3 Torr benötigt.

Eine erste Regel bei der Auswahl einer Labor-Vakuumpumpe ist die Auswahl nach den Anforderungen der Anwendung. Sauganwendungen, wie Filtration und Aspiration, können effektiv bei einigen hundert Torr erfolgen, und viele Lösungsmittel in Labors können bei Raumtemperatur bei Drücken von 1 Torr oder höher verdampft werden. Alle diese Anwendungen liegen im Bereich der trockenen Pumpen.

Membranpumpen

Übliche ölfreie Vakuumpumpen, die in Laboratorien eingesetzt werden, sind Kolben- und Membranpumpen und seit kurzem auch Scroll-Pumpen. Jede dieser Pumpen hat Vorteile. Membranpumpen arbeiten mit einer pulsierenden Bewegung, wie ein Herz, und benötigen daher kein Öl als Dichtung. Ventile öffnen und schließen abwechselnd, um die Dämpfe in die richtige Richtung zu bewegen und ein Vakuum zu erzeugen. Membranpumpen haben eine physikalische Vakuumgrenze von ca. 0,45 Torr, so dass Modelle erhältlich sind, die alle Sauganwendungen sowie Verdampfungsanwendungen für praktisch alle Lösungsmittel bei Raumtemperatur bewältigen können, mit Ausnahme von DMSO, das sanft erwärmt werden muss, um bei diesen Vakuumgraden zu verdampfen.

Kolbenpumpen

Kolbenpumpen sind eine wirtschaftliche Wahl für Labor-Vakuumanwendungen, die keine chemisch aggressiven Dämpfe erzeugen. Mit einem Bereich von einstellbaren Vakuumniveaus bis hinunter zu 5 Torr werden Kolbenpumpen typischerweise für wässrige Dämpfe in den Biowissenschaften wie Filtration, Aspiration und Vakuumschranktrocknung eingesetzt.

Hybrid-Vakuumpumpen, die die Eigenschaften von Drehschieber- und Membranpumpen kombinieren, sind erhältlich. Diese Pumpen eignen sich besonders gut für Anwendungen, die den "Feinvakuum"-Bereich (10-3 Torr) einer Drehschieberpumpe benötigen, aber hohe Dampfbelastungen aufweisen, die sehr häufige Ölwechsel erforderlich machen würden. Eine typische Anwendung sind Gefriertrockner. Bei einer Hybridpumpe hält die Membranpumpe das Öl in der Drehschieberpumpe unter Vakuum, wodurch die Kondensation von Dämpfen im Pumpenöl reduziert und die Notwendigkeit von Ölwechseln erheblich verringert wird.

Drehschieberpumpen

Schneckenpumpen sind die andere trockene Pumpentechnologie, die häufig in Labors anzutreffen ist. Sie arbeiten mit zwei ineinander verschachtelten Spiralwalzen, die sich exzentrisch gegeneinander bewegen, Luft und Dämpfe komprimieren und zum Auslass hinbewegen. Spiralpumpen erreichen tiefere Vakuumniveaus als Membranpumpen - einige neuere Modelle können 10-3 Torr erreichen - und ein höheres Saugvermögen, so dass sie für Anwendungen wie Gloveboxen, die hohe Fördermengen benötigen, attraktiv sind. Jede der beiden Scrolls verfügt über eine Spitzendichtung, die Dämpfe im richtigen Kanal hält.

Die Spitzendichtung ist ein Verschleißteil und muss regelmäßig ausgetauscht werden. Wenn sich die Spitzendichtung abnutzt, scheidet sie kleine Partikel ab, was für einige Anwendungen problematisch sein kann. Spiralgehäusepumpen haben nicht ganz die Korrosionsbeständigkeit von Membranpumpen; einige Hersteller raten ausdrücklich vom Einsatz in korrosiven Anwendungen ab, obwohl sich die Korrosionsbeständigkeit einiger Modelle im Laufe der Jahre verbessert hat. Für Anwendungen, bei denen diese Bedingungen jedoch kein Problem darstellen, bietet die Scrollpumpe eine kompakte Alternative zu ölgedichteten und Membranpumpen mit höherem Saugvermögen.

Turbomolekular-Pumpen

Eine wichtige Vakuumtechnologie, die in Labors weit verbreitet ist, aber für einzelne Anwendungen viel seltener gekauft wird, ist die Turbomolekularpumpe. Diese Pumpen können Vakuumniveaus von 10-10 Torr erreichen und werden häufig in der Instrumentierung, z.B. in einem Massenspektrometer, eingesetzt. Das Funktionsprinzip ist der molekulare Impuls; sich schnell drehende Schaufeln stoßen mit Luft- oder Dampfmolekülen zusammen und vermitteln einen Impuls, der diese Moleküle in Richtung des Auslasses bewegt. Luft bei atmosphärischem Druck ist zu dicht, als dass diese Prinzipien funktionieren könnten. Daher benötigen Turbomolekularpumpen eine zweite Pumpe, um die Betriebsdrücke auf den Bereich zu senken, in dem die Turbomolekularpumpe funktionieren kann. 

Andere Überlegungen zu Vakuumpumpe

Nachdem Sie sich für eine Vakuumpumpe entschieden haben, die Ihren Anforderungen an Vakuumtiefe und Saugvermögen entspricht, gibt es noch einige letzte Punkte zu beachten. Die verschiedenen Entscheidungen unter den folgenden Punkten können durch Ihr Budget, durch die Notwendigkeit, kritische Proben zu schützen, durch die Neigung, die Produktivität der Forscher und die Zuverlässigkeit der Ergebnisse zu erhöhen, oder durch die Verpflichtung der Organisation auf Nachhaltigkeitsziele beeinflusst werden:

  • Arbeite ich mit korrosiven Lösungsmitteln (einschließlich Bleichmittel bei biowissenschaftlichen Anwendungen)? Wenn ja, suchen Sie nach Pumpen mit korrosionsbeständigen Strömungswegen.
  • Benötige ich bestimmte Vakuumniveaus, um meine wissenschaftlichen Ziele zu erreichen? Wenn ja, prüfen Sie die verschiedenen Steuerungsmöglichkeiten, bei denen die Elektronik zur Steuerung der Prozesse eingesetzt wird, um Sie für andere Aufgaben freizustellen und um sicherzustellen, dass Ihre Arbeit reproduzierbar ist und die Proben geschützt werden.
  • Bin ich besorgt über Emissionen von Vakuumanwendungen? Für viele Pumpenmodelle ist Zubehör erhältlich, mit dem Dämpfe entweder vor oder nach der Vakuumpumpe aufgefangen werden können. Neben dem Schutz von ölgedichteten Pumpen kann die Abscheidung von Dämpfen sowohl die Gebäudeemissionen reduzieren als auch das Recycling oder die ordnungsgemäße Entsorgung von Abfalllösungsmitteln ermöglichen.
  • Ist der Energieverbrauch ein Problem? Wenn ja, sollten Sie sich nach Optionen umsehen, die es Pumpen erlauben, "Multitasking" zu betreiben, d.h. mehr als eine Vakuumanwendung gleichzeitig zu betreiben. Eine weitere Option sind Pumpen mit drehzahlvariablen Antrieben, die sich automatisch an die Anforderungen beim Pumpen anpassen und Energie sparen, indem sie nur so viel pumpen, wie zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigt wird, um das gewünschte Vakuumniveau zu erzeugen oder aufrechtzuerhalten.

Video - Wie funktioniert eine Vakuumpumpe

Dieses Video erklärt ganz einfach, wie eine Vakuumpumpe funktioniert.

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