DE1798309C3 - Verfahren zur Gewinnung der Gefrier- und Schmelzkurven von Stoffgemischen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung der Gefrier- und Schmelzkurve von Stoffgemischen, deren Gemischanteile im flüssigen Zustand wenigstens teilweise ineinander löslich sind, insbesondere für Fruchtsäfte, durch Untersuchen der Lichtbrechung.

Die Gefriertechnik mit ihren zahlreichen Anwendungen auf dem Gebiete der Gewinnung und Konservierung von Stoffen biologischer Herkunft und der Trennung von ausfrierbaren Stoffgemischen nimmt in der Lebensmittel- und anderen Bereichen der Verfahrenstechnik einen zunehmend größeren Raum ein. Bekannt sind die Verfahren der Gefrierlagerung von verderblichen Stoffen, das Gefrierkonzentrieren von Flüssigkeiten, die Gefriertrocknung mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten in der chemischen und der Lebensmitteltechnik und das Zonenschmelzen, soweit es bei der Behandlung niedrigschrrelzender Lösungen durchgeführt wird.

Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß die niedriger schmelzende Komponente, meistens Wasser oder ein anderes Lösungsmittel, als kristalline Phase aus dem Gemisch abgeschieden und dadurch eine Stofftrennung eingeleitet wird, die entweder, wie bei der Gefrierkonservierung, später wieder aufgehoben, oder durch Verbinden des Ausfrierens mit einem weiteren Verfahren thermischer oder mechanischer Natur durch Trennung der festen von der flüssigen Phase eine Absonderung einer Komponente erreicht werden soll.

Entwicklung und Konstruktion der Apparate und Anlagen für diese Verfahrensschritte erfordern aus technischen und wirtschaftlichen Gründen für die Berechnung eine genaue Kenntnis der Stoffeigenschaften. Die wesentlichen Vorgänge in kristallisierenden und schmelzenden Lösungen sind in Schmelzdiagrammen der Stoffgemische dargestellt, die mit als Grundlage für derartige Berechnungen dienen.

Die Ermittlung der Schmelzdiagramme erfolgt im wesentlichen durch die Bestimmung der Gefrierkurven, die die Abhängigkeit der Temperatur des Gefrierbeginns von der Konzentration des gelösten Stoffes im Gemisch wiedergeben. Dazu werden Stoffeigenschaften beobachtet und gemessen, die sich beim Erstarren und

ίο Gefrieren der Lösungen und Schmelzen sprunghaft ändern. Einige dieser bekannten Erscheinungen sind das Sichtbarwerden von Kristallen oder Trübungen, die Zunahme oder Verminderung des Volumens, Änderung der elektrischen Leitfähigkeit und der Dielektrizitäts-

■ 5 konstanten und das Auftreten von Schmelz- und Lösungswärmen. Die zuletzt genannte Eigenschaft wird in der thermischen Analyse am häufigstens zur Bestimmung von Gefrier- und Schmelzpunkten benutzt Den bisher bekannten Verfahren einschließlich der thermischen Analyse haften Nachteile an, die die Bestimmung von Gefrierkurven sehr zeitraubend und oft unzuverlässig machen.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Bestimmung von Gefrier- und Schmelzkurven anzugeben, das folgende Vorteile hat:

— es sollen routinemäßige, schnelle und genaue Messungen durchgeführt werden können,

— es soll in Anwesenheit von kristallinem Lösungsmittel, meistens Eis, gemessen werden können, um Ausfrier- und Kristallisationsprozesse möglichst genau nachahmen zu können,

— Unterkühlungserscheinungen sollen während der Messung bereits erkannt werden können,

— der Meßbereich soll den gesamten Temperaturbereich des Gefrier- und Kristallisationsverfahrens des untersuchten Gemischs umfassen,

— der Verbrauch an Substanz für die Messung soll möglichst gering sein, um auch Analysen an geringen Substanzmengen durchführen zu können.

Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, daß das Stoffgemisch zunächst bis zur tiefsten zu untersuchenden Temperatur abgekühlt und dann bei ansteigender Temperatur der Brechungsindex der Restlösung fortlaufend gemessen wird. Aus den temperaturberichtigten Brechnungsindices können die Konzentrationen der Restlösung nach Stofftabellen bestimmt und die ermittelten Werte des Feststoffgehaltes in Abhängigkeit von der Temperatur als Schmelzdiagramm dargestellt werden. Dabei stellt die Abszisse des Schmelzdiagramms die Konzentration und dessen Ordinate die Temperatur dar.

Bei Temperaturen oberhalb des Gefrier- oder Schmelzpunktes ändert sich der Brechungsindex einer Lösung wegen gleichbleibender Zusammensetzung der einen vorhandenen Phase aus Lösungsmittel und gelöstem Stoff nach bekannten Gesetzen nur geringfügig. Unterhalb dieses Punktes tritt durch Kristallisation der im Überschuß vorhandenen Komponente wegen Übersättigung eine Verminderung der Lösungsmittelmenge in der flüssigen Phase ein, wodurch eine starke Veränderung des Brechungsindex verursacht wird. Die Anwesenheit von Kristallen der erstarrten Phase beeinflußt den Brechungsindex der flüssigen Phase des Zweiphasengemischs nicht, denn der Brechungsindex

6s der flüssigen Phase ist nur eine Funktion der Art der Komponenten und der Konzentration der flüssigen Phase bei der gegebenen Temperatur, ist also vom Verhältnis flüssiger Phase zu kristalliner Phase unab-

hängig. Wenn keine Unterkühlungserscheinungen eintreten, stehen die Restlösung und die ausgefrorene Phase in einem Lösungs- und Kristallgemisch miteinander im Gleichgewicht und die Gleichtgewichtskonzentration der Restlösung wird ebenfalls nicht durch die Menge fester Phase beeinflußt Die Darstellung der Gleichgewichtskonzentration in Abhängigkeit von der Temperatur ist identisch mit der Gefrier- und Schmelzkurve des betrachteten Gemische.

Aus dieser Betrachtung folgt, daß durch Ausfrieren und Schmelzen von Lösungen und Gemischen im Refraktometer mit Bestimmung der Zusammensetzung der Restlösung aus dem Brechungsindex bei gleichzeitiger Messung der Temperatur Punkte der Gefrier- oder Schmelzkurve von Stoffgemischen ermittelt werden können. Ferner ist hieraus zu schließen, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht nur der Gefrierpunkt des Gemischs bei der Zusammensetzung der Probe, sondern für jede höhere Konzentration an gelöstem Stoff mindestens bis zum eutektiscnen Punkt an derselben Probe durch Absenken der Temperatur unter den Gefrierbeginn hinaus gemessen werden kann, und daß als Ergebnis nicht mehr ein einzelner Gefrierpunkt, wie bei den herkömmlichen Methoden, sondern eine zusammenhängende Gefrierkurve entsteht

Im Vergleich zu älteren Verfahren zur Bestimmung von Gefrierkurven ist bemerkenswert, wie gering die für eine Messung erforderlichen Probemengen sind. Um eine Gefrierpunktsbestimmung mittels thermischer Analyse durchzuführen, werden etwa 10 g Substanz benötigt Die Bestimmung mehrerer Gefrierpunkte zur Ermittlung einer Gefrierkurve erfordert Verdünnung oder Konzentration der Probe, unter Umständen also wesentlich mehr Material. Für optische Methoden, so auch die Mikromethode nach Kofier [1], zur Bestimmung des Brechungsindex sehr kleiner inhomogener Proben, z. B. aus der Medizin oder Biologie, genügen in der Regel weitaus geringere Mengen. Ähnlich bei der refraktometrischen Messung von Gefrierkurven; zur Bestimmung der gesamten Gefrierkurve wurden nur etwa 20 mg Lösung, zu deren Herstellung oft bereits 1 mg trockner Substanz ausreicht, für die Bedeckung der Prismen des Refraktometers nach Abbe gebraucht. Es ist daher möglich geworden, Substanzen, von denen nur kleinste Mengen zur Verfügung stehen, zu analysieren und ihre Gefrierkurven aufzunehmen. Eine der wichtigsten Anwendungsmöglichkeiten wird auf dem Gebiet der mikroskopischen Molekulargewichtsbestimmung als Ergänzung anderer Halbmikro- und Mikromethoden gesehen. Wegen der schnellen Handhabung kann das erfindungsgemäße Verfahren in vielen Fällen auch die Molekulargewichtsbestimmung nach Beckmann bei der Analyse größerer Proben — oder Substanzr.iengen ersetzen.

Die Meßgenauigkeit hängt nicht von Bedienungsfehlern ab und die Sicherheit der Bestimmung der Lösungskonzentration ist hinreichend hoch, um für die Aufnahme von Gefrierkurven wie bei der Molekulargewichtsbestimmung eine Meßgenauigkeit von '/ioo°C zu rechtfertigen. Dadurch hat dieses Meßverfahren gleichzeitig drei wertvolle Eigenschaften, die bei herkömmlichen Methoden meistens gegenseitig ausschließen: es ist eine Halbmikromethode von hoher Genauigkeit und einfachster Durchführung.

Die Anwesenheit des Verfahrens ist auch bei mikroskopischen Refraktometern und bei der Einbettungsmethode zur mikroskopischen Gefrierpunktbestimmung als Mikromethode möglich. Die Einbettungsmethode besteht vorteilhaft darin, daß unter Verwendung eines an sich bekannten mikroskopischen Refraktometers in dem Stoffgemisch eine Mehrzahl von Glas- und/oder Mineralsplittern aus Stoffen mit bekanntem Brechungsindex verteilt wird, und daß durch Temperaturänderung des Stoffgemisches unter Beobachtung der Beckeschen Linie jeweils ein solcher Brechungsindex ίο eingestellt wird, welcher dem Brechungsindex eines Splitters entspricht Durch Heben oder Senken der Temperatur der gefrorenen Proben lassen sich Brechungsindices einstellen, die mit denen der gerade verwendeten Mineral- oder Glassplitter genau übereinstimmen. Mit einem Meßvorgang an derselben Probe lassen sich daher nacheinander bei verschiedenen Temperaturen so viele Gefrierpunkte gewinnen, wie verschiedene Glas- und Mineralarten gleichzeitig oder nacheinander in die Probe gegeben und unter dem Mikroskop noch identifiziert werden können. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die eingebetteten Splitter zur Identifizierung mit fluoreszierenden Stoffen gefärbt sind und daß nach einer Übereinstimmung des Brechungsindex von Stoffgemisch und Splitter die Art des Splitters, dessen Brechungsindex bekannt sein muß, durch Fluoreszenz im ultravioletten Licht ermittelt wird. Bei der Molekularbestimmung unter dem Mikroskop ist entsprechend vorzugehen und die Temperatur so lange zu senken, bis Brechungsindex der Splitter und der Restlösung übereinstimmen.

Eine Bildung von Mischkristallen in der festen Phase konnte bisher an organischen Stoffen nicht festgestellt werden. An verdünnten Lösungen läßt sich nunmehr unter dem Refraktometer auf einfache Weise Mischkri-Stallbildung zwischen Lösungsmittel und gelöstem Stoff nachweisen, da nicht nur die Grenzlinie des Brechungsindex der Restlösung, sondern auch die des jeweils ausgefroreren Lösungsmittels erscheint und ein Vorhandensein von mehreren Komponenten in dergleichen Phase einen Anstieg oder eine Erniedrigung des Brechungsindex der festen Phase gegenüber reinem kristallinem Lösungsmittel verursacht.

Glasartiges Erstarren von Schmelzen und Lösungen nach vorangegangener Unterkühlung läßt sich daran erkennen, daß die Grenzlinie im Refraktometer ganz verschwindet und erst nach Umkristallisation des anfänglich amorphen Gefüges wieder deutlich erscheint. Ein Anheben der Temperatur bis dicht unter den Schmelz- oder Erstarrungspunkt, bei dem zwangsläufig die kleinsten Kristalle als erste aufgelöst werden und deren Moleküle sich beim erneuten Abkühlen an größere Kristalle anlagern, beschleunigt das Kristallwachstum. In einer derart umkristallisierten Probe bleibt die Grenzlinie nach weiterem Absenken der Temperatur bis zum eutektischen Punkt im Refraktometer deutlich sichtbar.

Charakteristisch wäre für die Bildung von Eutektikum, daß sich der Brechungsindex bei weiterem Absenken der Temperatur nicht mehr ändert, Temperatür und Konzentration des eutektischen Punktes könnten dann aus dem Schmelzdiagramm als Schnittpunkt der Gefrierkurve mit der Abszisse für diese Zusammensetzung gewonnen werden. Da jedoch bei Unterschreiten der eutektischen Temperatur fast aller untersuchten Lösungen die Grenzlinie der flüssigen Phase erhalten bleibt und damit angezeigt wird, daß keine eutektische Erstarrung eingetreten ist, kann nach dem vorgeschlagenen refraktometrischen Verfahren die

Gefrierkurve bis weit in den Bereich unter dem eutektischen Punkt, den der herkömmlichen Verfahren weitgehend unzugänglich ist (vgl. jedoch auch [2]) verfolgt werden.

Da die Konzentrations- und Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex von Lösungen im Gefrierbereich bisher nur vereinzelt gemessen wurde, ist es erforderlich, bei genaueren Bestimmungen der Gleichgewichtskurven, zu denen die geringe Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex berücksichtigt werden soll, entsprechend vorbereitende Messungen vorzunehmen. Dazu wird eine Modellösung möglichst gleicher chemischer Zusammensetzung wie die zu untersuchenden Lösungen erstellt und hiervon durch Verdünnen Proben unterschiedlicher Konzentration zubereitet, wobei die Konzentration der flüssigen Proben möglichst durch ein unabhängiges Verfahren, z. B. Eindampfen, bestimmt wird. Diese Proben werden nacheinander im Refraktometer gemessen und dabei wird die Temperatur bis etwas unter den zu erwartenden Gefrierpunkt abgesenkt. Ein Gefrieren bei mäßiger Unterkühlung wird in

s der Regel nicht eintreten.

Mit einer hinreichend großen Anzahl sorgfältig bestimmter Wertetripel Brechungsindex, Konzentration und Temperatur wird nun mit Hilfe eines Computerprogramms nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ein stoffspezifisches Ausgleichspolynom für die Darstellung des Brechungsindex in Abhängigkeit von Temperatur und Konzentration berechnet. Ein Polynom dritten Grades gestattet es, die Werte bereits mit hinreichender Genauigkeit wiederzugeben.

Eine solche Beziehung, die für wäßrige Sacharoselösung gemessen und berechnet wurde, lautet:

"dw* = 13330 + 1.4084 ■ 10"³c + 5,986 · 10"^hc² + 1,188 · ICT⁸C³ -

- 0,09414 · 10-³(Tf'C - 20) - 1,6078 · 10"⁶C- (T/"C - 20) -

- 1,7809 · 10"⁶ (T/¹ C - 2O)² + 0,458 · 10"⁷c · (T/"C - 2O)² -

- 0,329 ■ 10"⁹c² · (T/°C - 2O)² + + 1,55269 · 10-⁸(TfC - 2O)³

Hierin ist die Konzentration c in Masse-% Feststoff in der Lösung angegeben. Diese Gleichung kann außer für die Auswertung von Messungen an Saccharose auch für andere Substanzen, so z. B. weitere Lösungen hydrophiler Substanzen oder Fruchtsäfte, angewandt werden.

Für weniger anspruchsvolle Messungen genügt es, die Konzentration ohne Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex allein mit Hilfe der bekannten und in zahlreichen Tafelwerken verzeichneten Werte für die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Konzentration der Lösung zu ermitteln. Für mäßig anspruchsvolle Messungen an einer Lösung empfiehlt es sich zu dem Tafelwert als Temperaturkorrektur den Temperaturgang des Brechungsindex bei Saccharoselösung zu addieren. Das sind die Glieder mit (T/°C — 20)ⁿ der Gleichung (1).

Zur Auswertung der Messungen wird die Konzentration durch iteratives Berechnen aus den Gleichungen für no(c, T) bestimmt

Als Beispiel einer Anwendung der Erfindung sollen die nachfolgenden Angaben zur Messung der Gefrierkurve von Orangensaft dienen:

Ein Refraktometer nach Abbe ist mit dem Kühlkreislauf eines Thermostaten verbunden, der an eine zweistufige Kältemaschine angeschlossen ist, mit der in kurzer Zeit eine Temperatur von — 50⁰C erreicht werden kann. Im Kühlkreislauf befindet sich Äthylalkohol als Kälteträger. Das Refraktometer wird von oben zugänglich in einer Kühltruhe aufgestellt, die mit einer zu diesem Zweck mit passenden Ausbrüchen versehenen Isolierplatte abgedeckt ist, um die Wärmeeinstrahlung möglichst gering zu halten. In die Kühltruhe wird fortgesetzt getrocknete Luft eingeleitet und damit das Bereifen des Refraktometers und seiner optischen Einrichtung auch bei tiefen Temperaturen verhindert

Der Saft von mehreren Jaffa-Orangen wird miteinander vermischt und hiervon etwa zwei Tropfen auf das Prisma des Refraktometers aufgetragen. Während des Absenkens der Temperatur bleibt der Brechungsindex anfangs bis auf den bekannten geringen Temperaturgang von etwa Snldt = OAlO-V⁰C fast unverändert. Wie fast alle wäßrigen Lösungen gefriert der Saft nicht sofort sondern läßt sich bis 10... -12°C unterkühlen und erstarrt dann innerhalb von Sekunden. Erst nach einer Wartezeit von mehreren Minuten wird die Grenzlinie der Brechung wieder schwach im Refraktometer sichtbar. Der nun angezeigte Brechungsindex weicht beträchtlich von dem, der vorher beobachte!

wurde, ab und entspricht der Zusammensetzung det Restlösung, aus der ein Teil des Wassers als Eis abgeschieden wurde. Unter leichter und kontrolliertet Temperaturerhöhung wird die Grenzlinie wieder scharl und kontrastreich und nun wird die Temperatur auf der niedrigsten zu untersuchenden Wert abgesenkt

Im Versuch, der im Beispiel beschrieben wird, wurder -41 "C erreicht, wie auch aus der Gefrierkurve vor naturtrübem Orangensaft ersichtlich ist (s. Abbildung) Der Brechungsindex der Probe wird gemessen, die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex berücksichtigt und aus Tabellen die zugehörige Feststoffkon· zentration ermittelt In diesem Fall wurden, da dei Fehler vernachlässigbar klein ist, die Werte füi Saccharose nach der internationalen Zuckerskali benutzt Beim allmählichen Erwärmen nimmt die Konzentration der Restlösung fortgesetzt ab. Ai Thermometer und Refraktometer kann diese Änderung ständig beobachtet und gemessen werden. Die Abhängigkeit der Konzentration von der Temperatur wird ir einem Diagramm (s. AbbDdung) aufgetragen und stellt die Gefrierkurve des betreffenden Stoffgemisches dar.

Nachdem alles Eis geschmolzen ist, kann die Restlösung ihre Zusammensetzung nicht mehr zu weitei

sinkender Feststoffkonzentration ändern und folglich ändert sich der Brechungsindex nicht mehr, was im dargestellten Beispiel bei 11,5% Feststoffgehalt eintritt. Mit dieser Zusammensetzung kann noch eine besonders genaue Bestimmung des Gefrierpunktes durchgeführt werden, wobei die Umgebung dieses Punktes in einem gesonderten Diagramm vergrößert dargestellt, die

Kurven ober- und unterhalb des Knicks durch Geraden angenähert und diese zum Schnitt gebracht werden.

Mit einer Probe verdünnten Saftes oder sehr einfach durch Interpolation des Bereiches zwischen dem Endpunkt der Kurve und dem Gefrierpunkt von reinem Wasser läßt sich die Kurve vervollständigen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung der Gefrier- und Schmelzkurve von Stoffgemischen, deren Gemischanteile im flüssigen Zustand wenigstens teilweise ineinander löslich sind, insbesondere von Fruchtsäften, durch Untersuchen der Lichtbrechung, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoff gemisch zunächst bis zur tiefsten zu untersuchenden Temperatur abgekühlt und dann bei ansteigender Temperatur der Brechungsindex der Restlösung fortlaufend gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung eines an sich bekannten mikroskopischen Refraktometers in dem Stoffgemisch eine Mehrzahl von Glas- und/oder Mineralsplittern aus Stoffen mit bekanntem Brechungsindex verteilt wird, und daS durch Temperaturänderung des Stoffgemisches unter Beobachtung der Beckeschen Linie jeweils ein solcher Brechungsindex eingestellt wird, welcher dem Brechungsindex eines Splitters entspricht

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebetteten Splitter zur Identifizierung mit fluoreszierenden Stoffen gefärbt sind und daß nach einer Übereinstimmung des Brechungsindex von Stoffgemisch und Splitter die Art des Splitters und damit dessen Brechungsindex durch Fluoreszenz im ultravioletten Licht ermittelt wird.