Низкотемпературный синтез (криосинтез)

Синтез дорогостоящих биологически активных веществ, а также промежуточных и конечных продуктов сопряжен с высвобождением большого количества тепла. Часто причиной высвобождения тепла являются реакции с органо-металлическими реагентами, которые отличаются очень высокой реактивностью. Для того чтобы гарантировать избирательность синтеза, такие реакции воспроизводятся при низких температурах. Температуры, необходимые для проведения специализированных химических и фармацевтических исследований на криогенном уровне, становятся все ниже и ниже.

Благодаря низкотемпературным термостатам, стало возможным использовать лабораторные разработки в области полупромышленного и промышленного синтеза в диапазоне температур до -120°С.

Рассмотрим пример охлаждения 10 л реактора с тройными стенками Asahi (Япония) с 20°С до -110°С. Более подробно стеклянные реакторы для низкотемпературного синтеза описаны в разделе "Низкотемпературные реакторы". Температура среды в реакторе поддерживалась с помощью циркуляционного термостата Unistat 1005w (мощность охлаждения 1,0 кВт при -100°С). Данные по изменению температуры среды регистрировались с помощью датчика температуры PT100 и благодаря программному обеспе-чению Huber SpyControl отображались на компьютере.

При работе на низких температурах необходимо использовать специальные теплоизолированные шланги, Huber предлагает металлические шланги со слоем изолятора до 5 см. Такие шланги не будут промерзать и ломаться. Также необходимо правильно подобрать теплоноситель: чем ниже температура, тем хуже выше становится вязкость теплоносителя и тем хуже она течет. Теплоноситель не должен содержать примесей, которые кристаллизуются в середине рабочего цикла, так как кристаллы могут забить проходные сечения, осесть на внутренних частях термостата и даже привести к коррозии. Для проведения данного эксперимента HUBER использовал специальный теплоноситель Kryothermal S, предназначенный для работы при температурах до -120°С.

Изменение температуры среды (красная линия) и температуры теплоносителя (зеленая линия) видно на диаграмме, полученной с помощью программного обеспечения SpyControl.

В начале эксперимента происходит быстрое (в течение 55 минут) линейное изменение температуры теплоносителя (температуры "рубашки") от +20°С до -100°С, при этом скорость изменения составила 2°С/мин. Далее скорость замедляется и устанавливается минимальная температура теплоносителя -120°С. Температура среды меняется медленнее: -110°С достигается только через 150 минут. После того, как температура среды вышла на заданный уровень температура теплоносителя повышается до -115°С. Итоговая разница температур среды и теплоносителя ("рубашки") составляет 5°С. Если бы реакция протекала с выделением тепла, то разница температур могла быть больше (см. статью "Моделирование подавления экзотермических реакций").

Продолжением эксперимента было охлаждение того же реактора до -90°С и возвращение к исходной температуре +20°С.

В результате эксперимента, как и в предыдущем случае, происходит быстрое изменение температуры теплоносителя: отметка -100°С также достигается через 55 мин, но минимальная температура теплоносителя составляет -112°С (время охлаждения 72 мин). Скорость охлаждения среды в этом эксперименте такая же, но среда "проскакивает" температуру -90°Си охлаждается еще на 2-3°С. После чего температура выходит на заданный уровень. Общее время охлаждения до -90°С и стабилизации температуры среды составило 1 ч 40 мин. Контроль температуры "с превышением" - динамический контроль - позволяет быстрее достичь заданной температуры: у кривой изменения температуры нет пологого участка (сравните с предыдущим графиком).

Возвращение температуры среды на отметку +20°С было осуществлено также "с превышением", нагрев занял всего 52 минуты.

Согласно проведенным экспериментам видно, что низкотемпературные термостаты Unistat способны устанавливать, поддерживать с высокой точностью и осуществлять четкий контроль температуры процесса внутри изолированной системы в диапазоне до -110°С. Тип контроля: апериодический (без превышения) или динамический (с превышением) можно выбрать в зависимости от процесса.