DE1604853C - Verfahren zum Gefriertrocknen und Gefriertrockner zur Durchfuhrung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gefriertrocknung einer kleinen Probe tierischen oder pflanzlichen Zellgewebes mit geringer Wärmekapazität unter Verwendung von Mitteln zum Entfernen der flüchtigen Stoffe, besonders des Wasserdampfes, in ihrer dampfförmigen Phase aus der Kammer und einer Erwärm- und Kühlvorrichtung zum Erwärmen oder Kühlen der Probe. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Gefriertrockner zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei dem bekannten vorgenannten Verfahren wird die Probe tiefgekühlt und dann einem Vakuum ausgesetzt. Dabei wird der Dampf aus der Probe sublimiert und aus dem Vakuumsystem durch direktes Pumpen oder durch einen gekühlten Abscheider oder Kondensator, z. B. mittels eines Dampffängers oder mittels eines Trocknungsmittels entfernt. Die Zufuhr der für die Sublimierung erforderlichen Wärme bzw. Energie erfolgt gewöhnlich durch Wärmezufuhr; in manchen Fällen kann die Probe natürliche, in ihrer Umgebung vorhandene Wärme aufnehmen. Für viele Anwendungsgebiete der Gefriertrocknung beträgt die Durchschnittstemperatur der Probe ungefähr — 20⁰C. In diesen Fällen besteht keine ernstliche Schwierigkeit, diese Temperatur bei der eigentlichen Gefriertrocknung aufrechtzuerhalten. Für die besondere Art der Behandlung und Gefriertrocknung tierischen oder pflanzlichen Zellgewebes mit geringer Wärmekapazität, von dem gewöhnlich dünne Abschnitte hergestellt und meist für chemische oder mikroskopische Prüfung vorbereitet werden, wie diese von Zytologcn, Histologen und auf dem Gebiet der Zellgewebe arbeitende Chemiker ausgeübt wird, ist es jedoch oft erforderlich, das Eis für die Kühlung des Präparates auf einer zwischen —30 und —50° C, manchmal sogar auf einer noch niedriger liegenden Temperatur zu halten.

In diesen Fällen entstehen erhebliche Schwierigkeiten für die Aufrechterhaltung einer solchen Temperatur bei der Gefriertrocknung, weil wegen der Art und der geringen Größe und Wärmekapazität der Probe aus tierischem oder pflanzlichem Zellgewebe schon eine von selbst oder zufällig eintretende Zufuhr von Wärme aus der Umgebung einen Anstieg der Eistemperatur der Probe über die einzuhaltende Höhe zur Folge haben kann, wenn nicht besondere Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden. Diese Vorsichtsmaßregeln bestehen bei dem bekannten Verfahren darin, den evakuierten Gefriertrockner selbst in ein Tiefkühlbad einzutauchen oder die Probe im Trockner auf einer gekühlten Unterlage, z. B. Platte, zu lagern.

Man verwendet im letztgenannten Fall ein Kühlbad, das entweder Kohlundioxyd in fester Form enthält oder aus verflüssigten Gasen oder aus geeigneten Gefriermi.schungen besteht. FJn solches Kühlbad hat gewöhnlich den Nachteil, daß die Probe auf eine Temperatur gebracht und auf einer Temperatur gehalten wird, die so niedrig ist, daß sie eine Durchführung der Trocknung innerhalb einer praktisch in Betracht kommenden, relativ kurzen Zeitspanne nicht erlaubt, denn die Probe muß die Sublimationswärmc ihrer Umgehung entnehmen, f-inc solche Zeilspanne sollte nämlich für eine Probe von I mm Dicke nicht mehr als einige wenige Stunden betragen. Daher muß der Probe Wärme zugeführt werden, um diese auf die gewünschte oder erforderliche Temperatur zu bringen. Unter den genannten Bedingungen ist es dann aber schwierig, wenn nicht unmöglich, die Temperatur der Probe genau zu messen. Andererseits ist eine solche genaue Temperaturmessung bei der Gefriertrocknung unerläßlich, um zu verhindern, daß sich dabei eine zu hohe Temperatur einstellt, bei der die wertvolle und häufig unersetzliche Probe zerstört werden könnte. Wegen der Schwierigkeit oder.praktischen Unmöglichkeit einer genügend genauen Temperaturmessung während der Wärmezufuhr scheidet

ίο dieser Weg, die Trocknungszeit auf eine angemessene Dauer herabzusetzen, praktisch aus, und der Trocknungsvorgang muß bei einer sehr tiefen Temperatur während einer Zeitspanne durchgeführt werden, die übermäßig lang ist und unter Umständen mehrere Tage beträgt.

In diesem vorstehenden Fall der Gefriertrocknung wird die Temperatur des Trägers bzw. der Unterlage der Probe einerseits durch Zufuhr von Wärme, die von der Umgebung oder von einem Heizkörper herkommt, und andererseits durch die Wärmeverluste, die durch einen mit festem Kohlendioxyd oder mit Gas gekühlten Kondensator oder Dampffänger herbeigeführt werden, beeinflußt und möglichst konstant gehalten. Dabei ist es aber in der Regel sehr schwierig, den Träger der Probe, der deren Temperatur weitgehend bestimmt (wenn z. B. die Probe mittels Kollodium an den Träger angeklebt wird), auf konstanter Temperatur zu halten.
Beide vorgenannten Verfahren haben außerdem den Nachteil, daß sie es notwendig machen, einen Kondensator oder Dampffänger mit einem Kühlmittel zu speisen und dieses periodisch nachzufüllen; denn die Verwendung eines mit einem mechanischen Verdichter arbeitenden Kühlsystems wäre bei dem beabsichtigten Trocknungsverfahren übermäßig unhandlich und kostspielig.

Andererseits ist es auch bekannt, den Dampffänger bzw. die Kältefalle einer an eine Kammer angeschlossenen Vakuumanlage außerhalb dieser Kammer elektrothermisch durch Anwendung von Peltierblökken zu kühlen (deutsche Auslegeschriften 1122 212 und 1130 553). In diesen bekannten Fällen ist es jedoch weder offenbart noch nahegelegt, die Temperatur einer Probe im Innern der evakuierten Kammer auf einer vorgeschriebenen geringen Höhe durch Wärmeabfuhr oder nötigenfalls Wärmezufuhr konstant zu halten oder gar die Probeunterlage selbst einer solchen Wärmeabfuhr oder für andere Zwecke einer Wärmezufuhr zu unterziehen —— obgleich es ja an sich bekannt ist, daß der Peltiereffekt wahlweise je nach der Durchflußrichtung des Stromes entweder einen Kühl- oder einen Hcizeffckt bewirkt — (vgl. Westphal, »Physik«, Berlin, 1937, S. 306).

Es ist ferner für Gefriertrockner an sich bekannt, ein und denselben und nur einen Teil der Anlage sowohl als Kühl- als auch als Heizvorrichtung für das Gut auszubilden, jedoch ohne daß dabei zum Kühlen oder Heizen Peltierblöcke verwendet werden (vgl. britische Patentschrift 757 728· und USA.-Patentschrift 2 453 033).

Bei beiden in den zwei vorstehenden Absätzen beschriebenen Arten von Anlagen werden daher die weiter oben dargelegten Nachteile der bekannten Gcfriertrocknungsverfahren und Gefriertrockner-Vakuumanlagen nicht behoben und bleibt überdies mehr oder weniger auch der Nachteil bestehen, daß die Kühl- und Heizvorrichtung für den Zweck der Trocknung kleiner Proben tierischen oder pflanz-

lichen Zellgewebes mit geringer Wärmekapazität unnötig umständlich aufgebaut und zu handhaben ist.

Die Erfindung bezweckt daher die sämtlichen vorstehend genannten Nachteile der bekannten Gefriertrocknungsverfahren und -anlagen gleichzeitig zu beheben. Ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art und bei Verwendung eines Gefriertrockners, der aus einer evakuierbaren Kammer mit Mitieln zum Entfernen der flüchtigen Stoffe, besonders des Wasserdampfes, in ihrer Dampfphase aus der Kammer besteht, die mit einer Vorrichtung zum Erwärmen oder Kühlen der Probe ausgestattet ist, sollen durch die Erfindung ein wirksames Verfahren und eine handliche, einfach bedienbare Vorrichtung zur Gefriertrocknung kleiner Proben tierischen oder pflanzlichen Zellgewebes mit entsprechend geringer Wärmekapazität geschaffen werden, die diesem besonderen Anwendungsgebiet angepaßt sind, in einer .Verfahrensstufe eine genaue Einhaltung einer vorgeschriebenen sehr niedrigen Temperatur und bei Bedarf in einer anderen Verfahrensstufe mit einfachen Mitteln eine Wärmezufuhr für besondere Zwecke erlauben, ohne daß dabei eine Gefahr für die auf übermäßige Erwärmung empfindliche Probe entsteht und ohne daß der Trocknungsvorgang ungewöhnlich lange Zeit in Anspruch nimmt.

Diese der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Verwendung eines oder mehrerer thermoelektrischer Peltierblöcke als Erwärm- und Kühlvorrichtung gelöst, die in der Weise vorgenommen wird, daß die Blöcke die Temperatur der vorher auf einer gekühlten Unterlage aus Wachs oder Imprägniermittel auf eine vorbestimmte niedrige Temperatur gekühlten, in die einem Unterdruck ausgesetzte Kammer eingebrachten Probe bis zu deren Fertigtrocknung aufrechterhalten und daß anschließend die Probeunterlage mittels der Peltierblöcke einer solchen Wärmebehandlung unterzogen wird,, daß sich die Probe in diese einbettet, während sie noch unter Vakuum steht.

Durch die Verwendung eines oder mehrerer Peltierblöcke als Erwärm- und Kühlvorrichtung werden die obengenannten Schwierigkeiten der bekannten Verfahren, die Kühltemperatur in dem gewünschten Bereich aufrechtzuerhalten, auch bei der Behandlung von empfindlichen Proben tierischen oder pflanzlichen Zellgewebes behoben, so daß während der Gefriertrocknung und während der anschließenden Erwärmung Messung und Regelung der Temperatur leicht möglich und übermäßig lange Trocknungszeiten nicht erforderlich sind, wobei gleichwohl eine Beeinträchtigung der Probe vermieden wird. Vihi besonderem Vorteil ist ferner, daß die an die Gefriertrocknung anschließende Erwärmung gleichfalls mittels der Peltierblöcke über die Probeunterlage in der Form bewirkt wird, daß sich die Probe von selbst in die Unterlage (/. H. Wachs) einbettet, während sie noch unter Vakuum steht; sie kann danach leicht gehandhabt und in üblicher Weise z. Ii. in ein Mikroskop gebracht werden.

Die Erfindung ermöglicht es auch, die Umständlichkeiten des Aufbaues und der Bedienung der bisher bekannten Gefriertrockner-Vakuumaiilageii zu beheben: gemäß der lirfiiuliing dient zur Durchführung des eriiiuliingsgemäßen Verfahrens für kleine Proben tierischen oder pflanzlichen Zellgewebes mit geringer Wärmekapazität ein Gefriertrockner, der aus einer evakuierbaren Kammer mit Mitteln zum Entfernen der flüchtigen Stoffe, besonders des Wasserdampfes, in ihrer Dampfphase aus der Kammer und mit einer Erwärm- und Kühlvorrichtung zum Erwärmen oder Kühlen der Probe besteht und der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Erwärm- und Kühlvorrichtung aus einem oder mehreren in der Kammer angeordneten, jeweils mit der Stromquelle in Reihe geschalteten und hintereinander wärmeleitend miteinander verbundenen thermoelektrischen Peltierblöcken besteht, deren letzter Block mit dem Gutträger und deren erster Block mit einer Kühlvorrichtung ebenfalls wärmeleitend verbunden sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gefriertrocknung wird — vorzugsweise unter Verwendung eines Gefriertrockners der vorgenannten Art — vorteilhaft in der Weise durchgeführt, daß der. Druck innerhalb der evakuierten Kammer während der Gefriertrocknung im wesentlichen unter 1 Torr gehalten

wird. .

Eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend im einzelnen an Hand der Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt

Fi g. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Vakuumkammer, die Teile der Erfindung enthält, und

F i g. 2 eine waagerechte Draufsicht auf die Kammer von oben.

Eine übliche Glasglocke, die mit einem vakuumdichten Stopfen 3 versehen ist und eine Kammer! bildet, ist auf einer kreisförmigen Grundplatte 2 gelagert, die bei 4 mittels eines in eine Nut einspringenden O-Rings abgedichtet-ist. Die Grundplatte 2. ist mit einem Auslaßstutzen 5 versehen, der mittels einer Rohrleitung 6 mit einer zweistufigen, ölgedichteten

. Rotationsvakuumpumpe verbunden ist. Unterhalb der Grundplatte 2 sind Kühlschlangen 7 und ein Thermostat 20 angebracht. Innerhalb der auf der Grundplatte 2 ruhenden Kammer ist ein Behälter 8 vorgesehen, der ein Trocknungsmittel, nämlich Phosphorpentoxyd, enthält. In der Nähe dieses Behälters; sind zwei thermoelektrische Peltierblöcke in Form von Modulen angebracht, von denen jeder aus thermoelektrischen Wismut-Tellurid-Elementen, z. B. Thcrmopaaren vom p-n-Typ besteht, wobei ein erster Peltierblock 10 einen zweiten Pcltierblock Π trägt. Beide Thcrmopaare besitzen den gleichen elektrischen Widerstand und sind in Reihe mit einer cinzigen (in der Zeichnung nicht dargestellten) Stromquelle mittels Leitungen 13 und !4 geschaltet, die mit dem Peltierblock 10 bzw. mit dem Pcltierblock 11 verbunden sind.

Ein Gutträger in Form eines Probenbehälters 12 ruht auf der Oberseite des Peltierblocks 11 in gutem thermischem Kontakt mit diesem. Ein Thermoelement 15 zur Temperaturmessung, das in eine Ausnehmung der oberen Platte des oberen Peltierblocks 1.1 eingesetzt ist, ist an elektrische Leitungen 16 angeschlossen. Die Leitungen 13, 14 und 16 werden mittels vakuumdichler Elektroden 17 durch die Grundplatte 2 hindurchgefühlt. Um an der oberen Oberfläche die geringsten Temperaturen zu erzielen, muß guter thermischer Kontakt zwischen den beiden thermoelektrische!! Peltierblöcken und dem unteren Peltierblock und der Grundplatte bestehen. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Berührungsflächen geläppt oder poliert und mit einem dünnen Film

Claims (1)

1. 5 6

   aus mit Aluminiumpulver versehenen Fett überzogen braucht die Kammer nicht notwendig eine Glocke zu

   werden. sein, sondern kann als irgendwelche geeignete, eva-

   Bei der Gefriertrocknung wird die Probe in den kuierbare Kammer ausgebildet sein. Eine Diffusions-Probcnbehälter 12 eingebracht, der vorher entgastes pumpe, an die sich eine Rotationspumpe anschließt, Wachs 18 enthält, das einen mittleren Hohlraum 19 5 kann an Stelle einer Rotationspumpe allein yerwenbildet, der die Unterseite des Behälters frei läßt. Die det werden. Die Kühlschlangen 7 können durch Luft-Probe wird durch Eintauchen in Kühlmittel — und kühlrippen oder auch durch ein übliches Kühlmittel, zwar flüssigen Stickstoff oder flüssige Luft — auf ihre wie z. B. Eis, festes Kohlendioxyd oder durch einen Gefriertempcratur gebracht und dann in den Hohl- üblichen Kühlumlauf ersetzt werden. Statt dessen raum des Proben-Zcllgewebebchälters 12 eingeführt, io können die Kühlschlangen oder eine gleichwirkende der in gleicher Weise gekühlt wird. Die Probe und Einrichtung im Inneren der Vakuumkammer unterder Behälter werden dann auf die obere Oberfläche gebracht werden. Der Behälter 8 für das Trocknungsdcs thcrmoelektrischen Peltierbloeks 11 aufgesetzt, mittel und das Trocknungsmittel 9 können durch der zuvor schon auf etwa —60° C dadurch gekühlt andere Mittel ersetzt werden, um Wasserdampf zu worden ist, daß ein Strom durch die thermoelektri- 15 entfernen, z.B. eine mit einer Diffusionspumpe arbeischen Pcltierblöcke geschickt wurde. Die Glas- tende direkte Vakuumpumpanlage oder eine gekühlte glocke 1 wird wieder aufgesetzt und die Kammer mit- Fläche. Diese Fläche selbst kann wiederum durch tels einer üblichen Vakuumpumpanlage auf einen thermoelektrische Peltierblöcke oder statt dessen Druck unterhalb 1 Torr evakuiert,, der mittels eines durch übliche Kühlmittel oder auch durch eine Komgceigneten (in der Zeichnung nicht dargestellten) 20 bination dieser beiden Mittel mit Trocknungsmittel Vakuummcßgerätes gemessen wird. oder ohne Trocknungsmittel gekühlt werden. Die

   Durch die Verbindungsstellen in den Peltierblök- thermoelektrischen Elemente brauchen nicht unbe-

   kcn 10 und 11 wird Strom in einer solchen Richtung dingt den gleichen elektrischen Widerstand zu haben,

   geleitet, daß Wärme auf Grund des PeltierefTektes Auch ist die Erfindung nicht auf eine besondere

   von der oberen, Oberfläche des Peltierbloeks 11 ab- 25 Ausführung der Thermopaare in Stufen beschränkt,

   geführt und der unteren Oberfläche des Peltierbloeks Zum Beispiel können die Peltierblöcke in an sich be-

   10 zugeführt wird. Ein auf diese Weise auf die kannter Weise in drei Stufen aufgebaut sein, wobei

   Grundplatte 2 übertragener Wärmeüberschuß wird eines der Thermoelemente auf vieren ruht, die ihrer-

   dadurch abgeführt, daß Wasser durch die Kühl- · seits auf sechzehn Thermoelemente ruhen. Die Probe

   schlangen 7 geleitet wird. Auf diese Weise wird das 30 kann dann auf die zweite Stufe aufgesetzt werden,

   in der Probe befindliche Eis auf irgendeiner ge- die aus vier Thermoelementen besteht, und die oberste

   wünschten, unterhalb — 60° C liegenden Temperatur Stufe, die aus einem Thermoelement besteht, kann als

   gehalten. gekühlter Kondensator für Wasserdampf dienen.

   Nach Beendigung der Gefriertrocknung, wird der Ebenso ist die Erfindung nicht auf die Verwendung Strom in dem- thcrmoelektrischen Peltierblock umge- 35 von Wismut-Tellurid-Thermopaaren vom p-n-Typ kehrt, und die Erobe^und das sie umgebende Wachs beschränkt, sondern umfaßt auch die Verwendung werden erhitzt. Das Wachs schmilzt, und die Probe jeglicher geeigneter Thermopaare. Bei einer abgewird eingebettet, ohne daß die Vakuumdichtung änderten Ausführungsform des Speisestromkreises unterbochen wird. Ist die Probe einmal mit Wachs können- die Leitungen 14 durch innere Verbindungen überzogen, so wird das Vakuum aufgehoben und 40 zwischen der Oberseite des ersten Peltierbloeks 10 hierdurch das Wachs in seinen ursprünglichen Zu- und der Unterseite des zweiten Peltierbloeks 11 erstand zurückgebracht, indem ' durch nochmalige setzt werden.

   Stromzufuhr die Probe und das Wachs erneut ge- Bei anderen Ausführungsformen des Verfahrens

   kühlt werden..Die Probe wird dann aus der Kammer zur Gefriertrocknung mittels der erfindungsgemäßen

   herausgenommen, und sie ist nun in einem Zustand, 45 Vorrichtung kann die Probe durch Anwendung des

   in dem sie zerteilt und gefärbt werden kann. einen oder anderen einer Anzahl bekannter Gefrier-

   Der Thermostat 20 wird mit dem die Energie lie- verfahren vorgefroren werden, z.B. durch Eintau-

   fernden Stromkreis so verbunden, daß, wenn die dien in ein Kühlmittel, daß in dem Kühlbehälter 12

   Kühlschlangen 7 aus irgendeinem Grund die heißen enthalten ist, der durch flüssigen Stickstoff oder

   Verbindungsstellen der den unteren Peltierblock 10 50 durch flüssige Luft gekühlt wird. Der Probenbehälter

   bildenden Thermoelemente nicht genügend kühlen kann ein Kunstharz oder Wachs oder sonstiges Im-

   sollten, wodurch diese wegen Überhitzung geschädigt prägniermittel enthalten,
   werden könnten, er die Stromzufuhr abschalten

   würde. Wenn die Temperatur der Grundplatte 2 über Patentansprüche·
   etwa 40° C ansteigt, wird daher die Stromzufuhr zu 55

   den Pelticrblöckcn abgeschaltet. 1. Verfahren zur Gefriertrocknung einer klei-

   Die Temperatur der Probe regelt sich durch ein nen Probe tierischen oder pflanzlichen Zellgewe-Gleichgewicht zwischen der dem Behälter zugeleite- bes mit geringer Wärmekapazität unter Verwenten oder von ihm abgeleiteten und der in den Bchäl- dung von Mitteln zum Entfernen der flüchtigen ter und die Wand der Kammer eingestrahlten bzw. 60 Stoffe, besonders des Wasserdampfes, in ihrer von diesen abgestrahlten Wärme. Die Größenverhält- dampfförmigen Phase aus der Kammer und einer nisse des Behälters bestimmen den relativen Einfluß Erwärm- und Kühlvorrichtung zum Erwärmen des Behälters und der Kammer auf das Wärmegleich- oder Kühlen der Probe, gekennzeichnet gewicht. In der Praxis hat es sich als am besten her- durch die Verwendung eines oder mehrerer ausgestellt, den Behälter so flach als möglich auszu- 65 thermoelektrischer Peltierblöcke als Erwärmbilden, so daß er gerade noch genügend Wachs für und Kühlvorrichtung in der Weise, daß diese die Einbettung der Probe enthält. Blöcke die Temperatur der vorher auf einer ge-Bei anderen Ausführungsformen der Vorrichtung kühlten Unterlage aus Wachs oder Imprägnier-

   mittel auf eine vorbestimmte niedrige Temperatur gekühlten, in die einem Unterdruck ausgesetzte Kammer eingebrachten Probe bis zu deren Feitigtrocknung aufrechterhalten und daß anschließend die Probeunterlage.mittels der Peltierblöcke einer solchen Wärmebehandlung unterzogen wird, daß sich die Probe in diese einbettet, während sie noch unter Vakuum steht.
   ' 2. Gefriertrockner zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 für kleine Proben tie- ίο rischen' oder pflanzlichen Zellgewebes mit geringer Wärmekapazität, bestehend aus einer evakuierbaren Kammer mit Mitteln zum Entfernen der flüchtigen Stoffe, besonders des Wasserdampfes, in ihrer Dampfphase aus der Kammer und mit einer Erwärm- und Kühlvorrichtung zum Erwär-

   men oder Kühlen der Probe, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärm- und Kühlvorrichtung aus einem oder mehreren in der Kammer (1) angeordneten, jeweils mit der Stromquelle in Reihe geschalteten und hintereinander wärmeleitend miteinander verbundenen thermoeiektrischen Peltierblöcken ..(10, 11) besteht, deren letzter Block (11) mit dem Gutträger (12) und deren erster Block (10) mit einer Kühlvorrichtung (7) ebenfalls wärmeleitend verbunden sind.

   3. Verfahren zur Gefriertrocknung nach Anspruch 1, vorzugsweise unter Verwendung eines Gefriertrockners nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb der Kammer (1) während der Gefriertrocknung im wesentlichen unter 1 Torr gehalten wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 623/166