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，它結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。對比傳統的濃縮方式旋蒸和氮吹來說，它有著多種優點：高通量、防暴沸、低溫下濃縮等，在生命科學、食品、環境檢測、分子生物學等有著廣泛用途。

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

以下小編將市面上幾種常用的加熱方式做對比，當加熱溫度設定至相同溫度時，以下不同加熱方式將會表現出不同的蒸發效率。系統地讓讀者了解，加熱方式是如何影響蒸發速率，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、熱對流、熱輻射。

這是指在物體內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動，而產生的熱量傳遞現象；

又稱熱對流，是指由于流體的宏觀運動而引起的流體各部分之間發生相對位移（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的熱傳方式，以熱輻射傳遞熱時不需要介質。

區別：熱傳導是熱能從高溫向低溫部分轉移的過程；熱對流是熱量通過流動介質傳遞的過程；熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現象，是在真空中的傳熱方式。

不同加熱方式是如何影響蒸發速率？

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，當在濃縮儀這個環境下使用時，熱交換效率越高，代表濃縮速度越快。

電阻絲加熱

這是一種應用很廣泛的加熱方式，其原理是電流通過一段帶電阻的導體會產生熱量，它的發熱和電流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。當把它應用到真空離心濃縮儀中時，電阻絲加熱，繼而給腔體環境加熱，最終給樣品加熱。熱量傳遞需要介質，當腔體內處于低真空的環境下時，這時熱量傳遞有限，不得不通過向腔體內補空氣進來，以到達熱量傳遞的目的（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，這包含介質的流體性質與流動形式。

電熱絲加熱濃縮儀的優缺點

優點：價格便宜；

缺點：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足。

試用溶劑：乙/甲醇、已腈等少量低沸點溶劑。

紅外加熱

它是一種輻射源內能轉化為輻射能進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現加熱（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射率（紅外燈的功率）。輻照加熱就彌補了電阻絲加熱效率低的問題，處理起高沸點溶劑更加得心應手。

紅外加熱濃縮儀的優缺點

優點：熱效率高，通常紅外加熱源的電熱轉化效率都超過90%，濃速度快；

缺點：價格較高，容易造成加熱不均勻。

適用溶劑：已腈、水、DMF、DMSO等500ml以下中高沸點溶劑。

圖1：Genevac EZ-2 4.0 溶劑蒸發工作站加熱示意圖

水蒸氣加熱

這種加熱方式屬于熱傳導的一種，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現熱交換。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蒸發儀。但又可以做到同時處理多個樣品。

圖2：Rocket快速蒸發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，大量中低沸點溶劑。

不同加熱方式下濃縮時間的對比

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

*以下數據均來自Genevac 公司研發EVAPSIM軟件（一款可測試蒸發時間與回收率的軟件）

從圖中數據對比可看出，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溶劑來說。

總結

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自己的溶劑、樣品體積、數量來確定選擇以上幾種加熱方式。

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