Kältebäder sorgen nicht nur bei Reaktionsansätzen und Versuchsanordnungen für Abkühlung.
Heizblöcke und Wasserbäder zählen zur Grundausstattung, wenn es um Heizen und Kühlen im Labor geht. Die Temperiertechnik hat aber weit mehr zu bieten.
Kaum ein anderer Parameter diktiert die tägliche Arbeit im biowissenschaftlichen Labor so sehr wie die Temperatur. Praktisch jedes Versuchsprotokoll enthält zumindest einen Schritt, bei dem der Experimentator eine exakt vorgegebene Temperatur einhalten muss, die entweder ober oder unterhalb der Raumtemperatur liegt.
Entsprechend umfangreich ist das Arsenal an Temperiertechnik, das sich in vielen Laboren breit macht. Im Grunde zählen hierzu sämtliche Geräte, die einen Reaktionsansatz oder eine Versuchsanordung entsprechend temperieren. Das fängt bei der einfachen Heizplatte an und reicht bis zu Klimaschränken oder Heizungen für Chromatographiesäulen. Den harten Kern der Temperiertechnik bilden jedoch Trocken-Heizblöcke (Blockthermostate), Wasserbäder und insbesondere Bad-Thermostate, die eine präzise Kontrolle der gewünschten Arbeits- oder Reaktionstemperatur erlauben.
Einfache Trockenheizblöcke, die lediglich heizen können und hierbei Temperaturen von etwa 100 bis 200 °C erreichen, basieren auf elektronisch geregelten Widerstandsheizungen die einen eingesetzten Aluminium-Block auf die gewünschte Temperatur bringen. Die Heizblöcke sind zumeist austauschbar und in vielen verschiedenen Varianten mit unterschiedlichen Bohrungen für die Aufnahme gängiger Reaktionsgefäße erhältlich. Weitaus flexibler sind Blockthermostate mit eingebauten Peltier-Elementen, die nicht nur heizen, sondern auch kühlen. Peltier-Elemente bestehen aus zwei in einem elektrischen Kreis miteinander verbundenen Wismut-Tellurid Halbleitern, die unterschiedlich stark dotiert sind und hierdurch einen Elektronenüberschuss (N-Typ) oder einen Elektronenmangel (P-Typ) aufweisen.
Erzeugt eine äußere Spannungsquelle einen Stromfluss durch dieses Thermoelektrische Paar (Thermo-Paar), so kühlt sich eine Verbindungsstelle durch den hierbei auftretenden Peltier-Effekt ab, während sich die andere erwärmt. Fasst man viele Thermo-Paare in Modulen zusammen, in denen die einzelnen Paare elektrisch in Serie, thermisch jedoch parallel geschaltet sind, so erhält man eine kleine Wärmepumpe. Diese entzieht der Umgebung auf der „kalten Seite“ der Thermo-Paare Wärme und transportiert sie auf die „warme“ Seite“.
Die Kühlleistung von Peltier-Elementen reicht aus, um Blockthermostate auf etwa 30 °C unter Raumtemperatur zu kühlen. Häufig übernehmen die Peltier-Elemente in Blockthermostaten auch die Heizung der Blöcke, teilweise finden sich jedoch auch Geräte, die elektrisch beheizt und mit Peltier-Modulen gekühlt werden.
Vor dem digitalen Zeitalter hatten Heizblöcke zumeist zwei analoge Dreh-Schalter: einen für niedrige Temperaturen und einen für höhere. Fans analoger Technik finden diese Geräte noch immer in den Katalogen einiger Hersteller. Das digitale Zeitalter hat aber auch vor Trockenheizblöcken nicht Halt gemacht. In den meisten Geräten ist deshalb eine digitale Temperaturregelung eingebaut. Der Experimentator stellt die gewünschte Temperatur per Knopfdruck ein und liest die Soll- und Ist-Temperaturen auf einem Display ab. Meist kann er eine vorprogrammierte Auswahl der gängigsten Inkubationstemperaturen per Knopfdruck abrufen und darüber hinaus auch zusätzliche einspeichern.
Wie in der Küche eines guten Restaurants, in der immer ein Topf mit einer leise vor sich hin simmmernden Fleisch- oder Gemüsebrühe aufgesetzt wird, steht in jedem anständigen Labor auch ein Wasserbad. Eingestellt auf die jeweilige Lieblingstemperatur der Arbeitsgruppe kann jeder bei Bedarf seine Reaktionsgefäße in das Bad einhängen. In diesem wird die Wärme nicht durch einen Aluminiumblock auf die Reaktionsgefäße übertragen, sondern durch Wasser oder eine andere Flüssigkeit.
Entsprechend simpel ist der prinzipielle Aufbau von Wasserbädern sowie Wärme-Badthermostaten: In einfachen Wasserbädern erhitzt eine elektrische Flächenheizung, die im Boden und in den Wandungen des Badgefäßes integriert ist, die Bad-Flüssigkeit auf die gewünschte Temperatur. Wärme-Badthermostate heizen das Badwasser mit einem elektrischen Heizstab, der wie ein Tauchsieder funktioniert. Die Steuereinheit des Heizstabs ist auf dem Deckel des Badgefäßes angebracht, während die Heizschlange des Tauchsieders durch die Abdeckung in die Flüssigkeit hinein ragt. Zusätzlich mischt eine kleine, direkt unterhalb der Heizschlange montierte Umwälzpumpe die Flüssigkeit kräftig durch. Ein Temperaturfühler misst die erreichte Bad-Temperatur und leitet den Messwert an einen elektronischen Regelkreis weiter, der die Heizleistung entsprechend anpasst.
Die Bad-Gefäße sind aus Edelstahl oder Plastik gefertigt und fassen je nach Modell etwa fünf bis 25 Liter Flüssigkeit. Bis zu welcher Temperatur das Bad betrieben werden kann, hängt von der Heizleistung des Thermostaten sowie der verwendeten Bad-Flüssigkeit ab. In biowissenschaftlichen Laboren dürften Wasser-befüllte Bäder mit 100 °C Maximaltemperatur für die meisten Anwendungen ausreichen. Wer höhere Temperaturen benötigt, füllt das Bad-Gefäß mit Silikonöl.
Viele Wasserbäder lassen sich mit einem simplen Trick in Trockenbäder umfunktionieren. Hierzu füllt man die Badgefäße mit kleinen Kugeln aus thermisch leitenden Metalllegierungen, die anstelle von Wasser als Wärmespeicher und -überträger dienen. Die Metallkugeln sind mit vielen gängigen Wasserbädern kompatibel, die jedoch nicht tiefer als 15 bis 20 Zentimeter sein sollten. Der größte Vorteil der Kugeln ist ihre geringe Anfälligkeit für Kontaminationen. Im Gegensatz zu Wasserbädern, die ohne den Einsatz von Badzusätzen im Nu zur Brutstätte unerwünschter Mikroorganismen werden, reicht es bei Kugelbädern aus, sie hin und wieder mit 70-prozentigem Alkohol einzusprühen. Zudem bleiben Reaktionsgefäße in dem Kugelbad auch ohne zusätzliche Gestelle stecken. Nach Angaben des Herstellers verbrauchen Kugelbäder auch weniger Energie. Außer dem etwas höheren Preis spricht also wenig gegen die Umstellung auf Kugelbäder.
Zum Temperieren gehört neben dem Erwärmen auch das Kühlen. Für einfache Anwendungen reichen hier oft kaltes Leitungswasser, Eis, Salz-Eismischungen oder Trockeneis. Um Reaktionsansätze oder Apparaturen auf eine exakt festgelegte Temperatur unterhalb der Raumtemperatur zu kühlen, sind aber meist Kälte-Thermostate oder Wärme-Kälte-Thermostate erforderlich.
Kälte-Badthermostate sind ähnlich aufgebaut wie ihre Wärme-produzierenden Pendants. Statt eines Tauchsieders ragt jedoch die Kühlschlange einer kleinen Kältemaschine in die Badflüssigkeit, die wie die „Kältepumpe“ eines Kühlschranks funktioniert: In einem Verdampfer geht ein niedrig siedendes Kältemittel in den gasförmigen Zustand über und entzieht der Umgebung die hierzu nötige Verdampfungswärme. Ein Kompressor saugt den Dampf an und verdichtet ihn unter Energiezufuhr. Hierdurch kondensiert das gasförmige Kältemittel, setzt Kondensationswärme frei und wird wieder flüssig. Über eine Drossel strömt das verflüssigte Kältemittel schließlich feindosiert in den Verdampfer zurück und verdampft erneut.
Kältetechniker haben diesen Kälte-Kompressisonsprozess inzwischen bis ins letzte Detail perfektioniert. Entsprechend leistungsfähig und genau temperieren moderne Kältethermostate. Sie werden deshalb häufig für die externe Kühlung von Laborgeräten, etwa Elektrophoresekammern, Massenspektrometer oder CCD-Kameras eingesetzt. Die Umwälzpumpe des Thermostats transportiert die Kühlflüssigkeit hierzu über ein entsprechendes Schlauchsystem zu dem angeschlossenen Gerät und saugt sie nach erfolgter Kühlung wieder in den Badbehälter zurück.
Zu den eierlegenden Wollmilchsäuen der Temperiertechnik zählen Wärme-Kälte-Badthermostate, die bis annähernd -100 °C kühlen und gleichzeitig auf 200 °C und mehr heizen können. Damit sollte kaum noch ein Temperierwunsch offen bleiben. Falls doch, finden Sie auf den nächsten Seiten sicherlich das dazu passende Gerät.
(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 05/2016, Stand: April 2016, alle Angaben ohne Gewähr)
