Gummibärchen
Kunststoffgranulate
Sekundärbrennstoffe
Weingummi
Gummiente
Bevor eine zuverlässige und genaue chemische oder physikalische Analyse an einer Feststoffprobe durchgeführt werden kann, muss diese im Rahmen der Probenvorbereitung hinreichend zerkleinert und homogenisiert werden. Dabei ist darauf zu achten, dass die Einzelprobe repräsentativ für das Ausgangsmaterial ist, und die Probenvorbereitung reproduzierbar abläuft. Nur so können aussagekräftige Analysenergebnisse garantiert werden. Die meisten Probenmaterialien lassen sich durch die Wahl des geeigneten Zerkleinerungsgerätes und des darin wirkenden Beanspruchungsmechanismus (Prall, Druck, Reibung, Scherung, Schneiden) problemlos bei Raumtemperatur auf die benötigte Analysenfeinheit zerkleinern.
Allerdings gibt es Grenzen für eine Vermahlung bei Raumtemperatur, z. B. wenn schon eine geringe Erwärmung der Probe ein Problem darstellt, oder das Material so elastisch ist, dass es mit den genannten Zerkleinerungsprinzipien lediglich verformt wird. Eine ideale Lösung für die Zerkleinerung solcher Proben bietet die sogenannte Kryogen- bzw. Kaltvermahlung. Dabei kommen Mahlhilfsmittel wie Flüssigstickstoff (-196°C) oder Trockeneis (-78°C) zum Einsatz, die das Probenmaterial durch Kühlung verspröden und dadurch das Bruchverhalten verbessern. Außerdem bleiben leicht flüchtige Bestandteile durch die Kühlung besser in der Probe erhalten. Im Folgenden wird erläutert, für welche Proben eine Kryogenvermahlung sinnvoll ist, welche Mühlen geeignet sind, und welche Aspekte beachtet werden müssen.
Bei vielen Polymeren (Kunststoffen wie PP, PET, PA, etc.), aber auch bei anderen Materialien mit visko-elastischem Verhalten kommt es bei der Vermahlung bei Raumtemperatur nur zu einer erheblichen plastischen Verformung, d. h. eine Rissinitiierung - und damit ein Zerbrechen - finden nicht statt. Bei Polymeren, die aufgrund ihrer Flexibilität bei Raumtemperatur Verwendung finden, z. B. Elastomere wie Silikonformen oder Gummireifen, liegt die sogenannte Glasübergangstemperatur weit unter Raumtemperatur. Durch Eintauchen elastischer Kunststoffe in Flüssigstickstoff wird die Glasübergangstemperatur unterschritten und dadurch die Fähigkeit des Materials reduziert, einer hohen mechanischen Beanspruchung durch elastisch-plastisches Verhalten oder viskoses Fließen auszuweichen. Bei der anschließenden Vermahlung des vorgekühlten und erstarrten Materials in einer geeigneten Mühle kommt es zu einem spröden Bruchverhalten der Probe. Eine Kryogenvermahlung ist auch bei Hartplastik sinnvoll, obwohl dies bei Raumtemperatur bereits spröde ist, also die Glasübergangstemperatur über Raumtemperatur liegt. Für die erfolgreiche Aufbereitung muss aber ebenso durch Kaltvermahlung sichergestellt werden, dass die Probentemperatur während des Mahlprozesses die Glasübergangstemperatur nicht überschreitet.
Bei Materialien, die leicht flüchtige Bestandteile wie z. B. Lösungsmittel (Benzol, Toluol, PCB, PCP, o.ä.) enthalten, wird eine zuverlässige, analysengerechte Aufbereitung erschwert, da eine Erwärmung im Laufe der mechanischen Probenaufbereitung zum Verlust dieser Analyten führen kann. Die als Resultat der Zerkleinerung vergrößerte Probenoberfläche erleichtert zusätzlich eine erhöhte Emission der leichtflüchtigen Bestandteile. Durch den Einfluss der tiefen Temperatur von Flüssigstickstoff oder Trockeneis wird der hohe Dampfdruck der Inhaltsstoffe erheblich gesenkt und die Probenmatrix versprödet. Die bei der Zerkleinerung auftretende relative Temperaturerhö- hung bewirkt so kaum noch eine Verflüchtigung der Inhaltstoffe.
In der Probenaufbereitung z. B. zur Extraktion von Nukleinsäuren aus Hefen, Bakterien, Pflanzen, menschlichen und tierischen Geweben, können solche Materialien während und insbesondere nach der Aufbereitung extrem temperatursensibel reagieren und zerstört werden. Auch in diesen Fällen kann die Kaltvermahlung Abhilfe schaffen, da sich die versprödeten Zellverbände und Zellwände einfacher aufbrechen lassen und der anschließende schnelle Zerfall der Zellfragmente erheblich verlangsamt wird. Unerwünschte Zellreaktionen werden durch das Eintauchen der Proben in flüssigen Stickstoff quasi eingefroren, so dass ein späterer Einblick in die Zellaktivitäten zum Zeitpunkt des Interesses möglich ist.
Klebrige oder zähe Proben, wie z. B. Käse, Rosinen, Fruchtgummi oder Marzipan, verklumpen bei Vermahlung bei Raumtemperatur, so dass nur eine unzureichende Homogenisierung stattfindet. Durch deutliches Absenken der Temperatur bei der Kryogenvermahlung wird ein Verklumpen der Probe verhindert und eine hinreichende Homogenisierung für die nachfolgende Analytik sichergestellt.
Gummibärchen
Kunststoffgranulate
Sekundärbrennstoffe
Weingummi
Gummiente
Kautschuk
Getrocknete Äpfel mit Kräutern
Karamell-Bonbons
Schokolade mit Haselnüssen
Pillen
| Probe | Mühle | Zubehör | Aufgabemenge | Mahldauer | Geschwindigkeit | Endfeinheit (d90) |
| Gummibärchen | MM 400 |
|
10 Stück | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| Kautschuk | CryoMill |
|
4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| E. coli Bakterien | CryoMill |
|
10 ml gefrorene Zellpellets | 2 min | 30 Hz | vollständiger Zellaufschluss |
| Kunststoffgranulate | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000min-1 | < 500 µm |
| Sekundärbrennstoffe | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000min-1 | < 0.75 mm |
| Weingummi | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 1000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| Gummiente | SM 300 |
|
5 Stück | 40 s | 3000min-1 | < 2 mm |
| Pillen mit Flüssigfüllung | RM 200 |
|
40 Stück | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| Gummibärchen | MM 500 control |
|
28 Stück | 30 s | 30 hz | < 100 µm |
| Getrocknete Äpfel mit Kräutern | MM 500 control |
|
30 g | 2 min | 30 hz | < 150 µm |
| Karamell-Bonbons | GM 200 |
|
15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| Schokolade mit Haselnüssen | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
Bei der Auswahl einer geeigneten Labormühle für die Kryogenvermahlung müssen einige Aspekte beachtet werden. Zum einen ist die Menge der Probe ausschlaggebend für die Wahl der Mühle, aber auch die Aufgabekorngröße und gewünschte Endfeinheit spielen eine wichtige Rolle. Die Schwingmühlen MM 400 und CryoMill sind für die Vermahlung kleiner Probenmengen geeignet. In diesen Mühlen werden selbst bei anspruchsvollen Kunststoffproben häufig höhere Endfeinheiten als z. B. in Rotormühlen erreicht, da die Probe längere Zeit im geschlossenen Mahlbecher verbleibt als im offenen Mahlraum der Rotormühlen. Die Probe wird dabei während der gesamten Mahldauer kontinuierlich gekühlt, in der CryoMill sogar mit Temperaturkonstanz bei -196 °C. Die MM 500 control ist in der Lage, eine gewählte Temperatur von -100°C bis 0 °C zu halten. Sie bietet die Möglichkeit, auch größere Probenmengen von bis zu 80 ml pro Charge zu mahlen. Die Verwendung von Bechern aus Zirkoniumoxid oder Wolframkarbid ist für diese Temperaturen zulässig. Für sehr zähe Proben, wie die meisten Kunststoffe, ist eine Zerkleinerung nur in der Mühle mit der kältesten Mahlung möglich - der CryoMill. Rotormühlen, Mörsermühlen, Messermühlen oder Schneidmühlen können wesentlich größere Probenmengen bzw. Aufgabekorngrößen vermahlen als Schwingmühlen. Durch die Zerkleinerungsmechanismen dieser Mühlen sind die erzielten Endfeinheiten in der Regel jedoch geringer, besonders bei der Zerkleinerung von Kunststoffen.
Die Messermühlen GRINDOMIX GM 200 oder GM 300 eignet sich hauptsächlich für die Kryogenvermahlung von Lebensmitteln, wobei die Versprödung ausschließlich mit Trockeneisschnee erfolgen sollte, da die Mühle nicht für Temperaturen bis -196°C geeignet ist. Vorgefrorene Proben (Gefrierschrank, LN2-Bad ohne Übertragung von LN2 in die Mühle) sind in Ordnung. Bei Rotormühlen oder Schneidmühlen hingegen hat der Anwender die Wahl zwischen einer Versprödung mit Trockeneisschnee oder flüssigem Stickstoff. Flüssiger Stickstoff ist aufgrund der sehr tiefen Temperaturen vor allem für Materialien mit einer Glasübergangstemperatur unter -50 °C geeignet. Eine Versprödung mit Trockeneisschnee bietet den Vorteil, dass dieser nicht so schnell verdampft wie flüssiger Stickstoff und zusammen mit der Probe vermahlen werden kann, was zu einem verlängerten Kühleffekt führt. Dies ist gerade für Materialien mit geringer Wärmekapazität von Vorteil, welche die kühle Temperatur schlecht halten können (z. B. dünne Plastikfolien in Sekundärbrennstoffen).
Außerdem ist die Probenaufgabe mit Trockeneisschnee in der Regel einfacher, da die Probe nicht aus einem Bad mit flüssigen Stickstoff geholt werden muss, was vor allem bei sehr feinen Ausgangspartikeln kleiner als 1 mm vorteilhaft ist. Die Handhabung von Trockeneisschnee ist gegenüber flüssigem Stickstoff sicherer, da z. B. geringere Erstickungsgefahr besteht. Zudem wird das Proben-Trockeneis- Gemisch als Ganzes vermahlen, wodurch ein Spritzen wie bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff vermieden wird. Unabhängig davon sollten immer die einschlägigen Sicherheitsvorkehrungen bei Umgang mit tiefkalten Hilfsmitteln beachtet werden. Im Folgenden werden die wichtigsten Mühlen vorgestellt, die für Kryogenvermahlungen in Frage kommen.
Für die Homogenisierung kleinerer Probenmengen sind beispielsweise die Schwingmühlen MM 400, MM 500 vario und CryoMill bestens geeignet, wobei die maximale Aufgabekorngröße bei 8 mm liegt. Diese Mühlen verfügen über zwei bzw. eine oder zwei Mahlstationen, die mit fest verschlossenen Mahlbechern bestückt werden, die mit Probe und Mahlkugeln befüllt sind. Erst dann findet die Versprödung der Probe mit Flüssigstickstoff statt. In der MM 400 oder MM 500 vario kann dies in Mahlbechern aus Stahl oder PTFE bzw. in Einmalgefäßen von 1,5, 2 oder 5 ml Größe erfolgen.
Es ist unbedingt darauf zu achten, dass kein flüssiger Stickstoff in den Mahlbechern eingeschlossen wird, da dieser bei der Erwärmung während des Mahlvorganges durch Übergang in die Gasphase zu einem stark erhöhten Innendruck führen würde. Mit einer Tiegelzange wird der verschlossene Mahlbecher für ca. 2 – 3 Minuten in den mit Flüssigstickstoff gefüllten Isolierbehälter gelegt und danach mit der Tiegelzange entnommen und sicher in die MM 400 oder MM 500 vario eingespannt. Bedingt durch den hohen Energieeintrag und die daraus resultierende Reibungswärme sollte die Mahldauer 3 min nicht überschreiten, um eine signifikante Erwärmung der Probe oder eine Veränderung der Brucheigenschaften zu vermeiden. Bei längeren Mahldauern ist eine Zwischenkühlung des geschlossenen Bechers ratsam.
Im Gegensatz zur dein beiden genannten Schwingmühlen bietet die CryoMill den Vorteil einer kontinuierlichen Spülung der Mahlbecherhalterung mit Flüssigstickstoff, wodurch Mahlbecher und Probe nach wenigen Minuten ebenfalls auf -196°C gekühlt sind. Somit ist eine Temperaturkonstanz bei – 196 °C auch bei längerer Vermahlung garantiert, eine Zwischenkühlung wie bei längeren Kryogenvermahlungen in der MM 400 ist nicht erforderlich. Außerdem kommt der Anwender zu keinem Zeitpunkt mit flüssigem Stickstoff in Kontakt, was den Betrieb der CryoMill besonders sicher macht. Die automatische Vorkühlfunktion der Mühle garantiert, dass die Vermahlung erst bei Erreichen der Temperaturkonstanz bei – 196 °C startet. Für die schwermetallfreie Probenaufbereitung steht für die CryoMill ein Mahlbecher aus Zirkonoxid zur Verfügung.
Diese CryoMill ist die am besten geeignete Mühle zur Zerkleinerung selbst der zähesten Kunststoffe. Die MM 500 nano und die MM 500 control arbeiten mit anderen Mahlbechern und bieten auch größere Becher bis 125 ml Volumen an, so dass bis zu 2x 40 ml in einer Charge verarbeitet werden können. Die MM 500 nano bietet zudem einen sehr hohen Energieeintrag von bis zu 35 Hz, was für die effiziente Zerkleinerung auch härterer Proben von Vorteil ist. Die Bedienung der MM 500 nano entspricht der der MM 400 und MM 500 vario. Eine völlig neue Art der kryogenen Zerkleinerung wird mit der MM 500 control realisiert. Die Becher werden hier über Thermoplatten gekühlt. Wird hier zusätzlich das CryoPad eingesetzt, kann die Temperatur auf einen Wert zwischen -100°C und 0°C eingestellt werden. Das CryoPad steuert den LN2-Fluss, der notwendig ist, um die eingestellte Temperatur zu halten. Diese Mühle ist optimal für Proben wie Süßwaren und Lebensmittel, da nur „moderate“ kryogene Temperaturen von -40°C oder sogar -20°C erforderlich sind, um diese Proben zu pulverisieren. Da die Temperatur kontinuierlich gesenkt wird und die maximale Minustemperatur -100°C beträgt, ist die Verwendung von Bechern aus Wolframkarbid und Zirkonium für die kryogene Mahlung zulässig.
Schwingmühlen sind für die Zerkleinerung kleiner Probenmengen konzipiert. Mit verschiedenen Adaptern können Einwegröhrchen von 1,5 ml, 2 ml oder 5 ml verwendet werden - für die kryogene Vermahlung haben diese Röhrchen jedoch den Nachteil, dass sie dabei ebenfalls verspröden und zerbrechen. In allen RETSCH Schwingmühlen können auch 2 ml Stahlröhrchen verwendet werden, die den harten Bedingungen der Kryomahlung standhalten. Darüber hinaus gibt es Adapter für die Aufnahme von 4 x 5 ml Stahlröhrchen. Die Modelle MM 500 nano und die MM 500 control bieten darüber hinaus die Möglichkeit, 2 x 25 ml oder 4 x 10 ml Multicavity-Mahlbecher zu verwenden.
Die oben beschriebenen Aspekte zur Wahl des Mahlhilfsstoffes sind auch bei der Kryogenvermahlung in der Schneidmühle SM 300 zu beachten. Diese Mühle ist besonders für die Zerkleinerung von zähen Materialien wie Schuhsohlen oder Bitumen geeignet, akzeptiert aber größere Ausgangpartikel als die ZM 300. Selbst grob zerteilte, mit flüssigem Stickstoff versprödete Autoreifen lassen sich in dieser Mühle gut homogenisieren. Da das Probenmaterial bei der Versprödung recht hart wird empfiehlt sich die Verwendung des 6-Scheiben-Rotors, welcher eher wie ein Schredder wirkt. Dieser ist auch für heterogene Proben wie z. B. gefrorene Hühnerteile samt Knochen geeignet. Sollen dünne Plastikfolien, wie sie oft in Sekundärbrennstoffen vorkommen vermahlen werden, ist die Versprödung mit Trockeneisschnee besonders zu empfehlen, da das verbliebene Trockeneis die Probe während der Vermahlung kontinuierlich kühlt.
Klebrige und zähe Lebensmittelproben wie Käse, Rosinen, Weingummi oder Marzipan werden mit den Messermühlen GRINDOMIX GM 200 oder GM 300 perfekt homogenisiert. Selbst Schokolade, die bei Raumtemperatur nur pastös ist, kann erfolgreich kryogen zerkleinert werden. Die Probe wird im Verhältnis 1:2 mit Trockeneis gemischt, nach wenigen Minuten gründlich abgekühlt und der Mahlvorgang gestartet. Das Trockeneis hält die Probe während des gesamten Prozesses kühl. Bei der Kryogenvermahlung im GM 200 oder GM 300 ist darauf zu achten, dass kein Zubehör aus Kunststoff verwendet wird, da dieses während des Verfahrens beschädigt werden könnte. Geeignete Zubehörteile sind ein Mahlbehälter aus rostfreiem Stahl, ein Messer aus Ganzmetall und ein Deckel mit einer Öffnung, durch die das gasförmige Kohlendioxid verdampfen kann.
In einer Mörsermühle werden die Proben durch Druck und Reibung zerkleinert und so lange dem Mahlprozess unterzogen, bis die gewünschte Endfeinheit erreicht ist. Die Mörsermühle RM 200 ist kein geschlossenes System; es ist möglich, während des Mahlvorgangs durch ein Fenster im Deckel Trockeneis oder flüssigen Stickstoff zuzuführen. Für kryogene Anwendungen müssen Mörser und Pistill aus rostfreiem Stahl gefertigt sein. Tabletten mit flüssiger Füllung zum Beispiel können in einer Mörsermühle erfolgreich pulverisiert werden.
| Mühle | Aufgabekorngröße | Aufgabemenge | Max. Endfeinheit | Bemerkung |
| 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 |
|
Bei einer Vielzahl von Materialien ist der Einsatz von Trockeneis oder Flüssigstickstoff als Mahlhilfe die einzige Möglichkeit, eine Probe zu erhalten, die für die nachfolgende Analytik verwendet werden kann. RETSCH bietet verschiedene Labormühlen an, die eine schonende und effiziente Kaltvermahlung des Probengutes ermöglichen und den Kosten- und Arbeitsaufwand deutlich reduzieren. Das entsprechende Zubehör gewährleistet eine sichere Durchführung des Mahlprozesses.
