Introducción
El suministro de vacío suele formar parte integral de la planificación de laboratorios en edificios públicos o privados. Es más complejo que otros servicios públicos canalizados porque los requisitos de la tecnología de vacío son diferentes en un laboratorio de síntesis que, por ejemplo, en un laboratorio analítico o de biología celular. Estos requisitos diferentes no pueden satisfacerse con el mismo suministro de vacío. Para satisfacer la necesidad de un suministro de vacío adaptado a las aplicaciones, los requisitos específicos deben aclararse al principio de la fase de planificación. "La herramienta adecuada ahorra tiempo" es un viejo dicho de artesanos que se aplica al vacío suministrado a cada laboratorio. Ya sea porque no se conoce bien el vacío porque los sistemas de tuberías parecen muy similares a los gases canalizados, o porque la práctica tradicional ha dictado un sistema único para todo el edificio, los requisitos exclusivos del suministro de vacío se pasan por alto con frecuencia en el proceso de planificación del laboratorio. Sin embargo, para muchas aplicaciones, el vacío a medida tiene un valor incalculable. Un vacío adecuado permite a los químicos obtener los resultados deseados de forma más rápida, segura, cómoda y reproducible. Este tema pretende ser una orientación inicial para los planificadores de pequeños laboratorios, químicos subterráneos y fabricantes de medicamentos sobre las importantes consideraciones a tener en cuenta en la planificación del suministro de vacío para laboratorios.
¿Qué es el vacío?
El vacío, tal como se utiliza en el laboratorio, es simplemente la presión por debajo de la presión atmosférica. Lascualidades esenciales del vacío que determinan su utilidad en cualquier aplicación concreta de laboratorio son la profundidad del vacío -cuánto por debajo de la presión atmosférica- y la velocidad de bombeo, es decir, con qué rapidez se puede extraer el aire, los vapores o los gases del recipiente que se está evacuando.
Aplicación
Muchos químicos utilizan el vacío a diario. Pero, ¿cómo lo utilizan? El vacío se utiliza para muchas aplicaciones estándar en la preparación y el procesamiento de productos de síntesis. En la mayoría de los casos, el vacío no es el centro de atención, sino que desempeña un papel de apoyo esencial. Las aplicaciones de vacío de laboratorio más conocidas son la filtración y el secado. Por supuesto, se podría filtrar sin vacío -como preparar café- dejando que la gravedad haga el trabajo por usted. El problema es que, en el laboratorio, el proceso suele resultar demasiado lento debido al amplio espectro de disolventes y sustancias sólidas. Para acelerar el proceso, se crea baja presión -es decir, vacío- en un matraz filtrante (matraz Büchner) para la filtración por succión (vacío).
Filtración con ayuda de una bomba de vacío resistente a productos químicos
En un proceso de secado, en cambio, el objetivo es cambiar el estado de una muestra de líquido a gaseoso. Podríamos simplemente dejar que se seque, igual que secamos la ropa al aire. Al igual que con la filtración, este proceso también llevaría demasiado tiempo, por lo que aquí también se utiliza el vacío para acelerar el proceso con ayuda de desecadores de vacío. El calor podría utilizarse para conseguir el mismo efecto, pero al disminuir el nivel de presión, se necesita menos energía calorífica para evaporar los disolventes. Así, el uso del vacío hace posible el secado eficaz de materiales de muestra sensibles al calor.
Las aplicaciones de vacío utilizadas en los laboratorios varían según la disciplina científica, y las diferentes aplicaciones tienen requisitos de vacío distintos. La filtración es un proceso utilizado en casi todos los laboratorios. Los laboratorios sintéticos en los que se produce algún sólido (metanfetamina, anfetamina, mefedrona, MDMA, etc.) suelen utilizar el vacío para el secado. Todas estas aplicaciones requieren vacío en el rango de "vacío aproximado", entre 1 y 1.000 mbar.
En los laboratorios de química, se utilizan numerosas tecnologías de vacío para la separación evaporativa de mezclas de sustancias como los disolventes. Elejemplo más conocido es la evaporación rotatoria, para la que el control preciso y la regulación de la presión imponen requisitos significativos en cuanto a la tecnología de bombas y control en el rango de vacío aproximado. Este equipo permite evaporar disolventes rápidamente sin calentamiento intensivo, también se pueden recuperar disolventes después de la síntesis a partir de residuos.
Por el contrario, la línea Schlenk y la destilación al vacío, también habituales en los laboratorios de química, exigen un vacío en el rango del vacío fino. Esta técnica se utiliza cuando el punto de ebullición del compuesto deseado es difícil de alcanzar o provocará la descomposición del compuesto. Laspresiones reducidas disminuyen el punto de ebullición de los compuestos.
Bombas
DiafragmaLas bombas de diafragma utilizan un diafragma flexible y un conjunto de válvulas antirretorno para producir la presión de bombeo y suelen producir un vacío de bajo a medio. Suelen ser resistentes a los disolventes y a los vapores ligeramente corrosivos, lo que las hace útiles para los evaporadores rotativos, pero su incapacidad para producir alto vacío limita su utilidad. Las bombas de diafragma no suelen necesitar aceite. Este tipo de bomba puede producir hasta 1,5 mbar de vacío. Su principal desventaja es el ruido producido, que alcanza los 50-60 dB, y la necesidad de mantenimiento periódico (sustitución del aceite y las membranas). Las bombas dediafragma cuestan entre 450 y 500 dólares.
Paletasrotativas
Las bombas de paletas rotativas también son un tipo común de bomba de vacío, con bombas de dos etapas capaces de alcanzar presiones muy por debajo de 10-6 bar. Las bombas rotativas de paletas utilizan conjuntos giratorios de paletas circulares en una cavidad elíptica para crear presión de bombeo, y pueden alcanzar un vacío de medio a alto. Si su bomba requiere cambios de aceite, es probable que sea una bomba rotativa de paletas. Aunque pueden alcanzar un vacío más alto que las bombas de diafragma, se dañan fácilmente con los vapores de disolventes o corrosivos. Deben tomarse medidas para evitar que los vapores nocivos lleguen a este tipo de bombas, como la instalación de una trampa fría, ya que la contaminación puede reducir significativamente la eficacia y la vida útil de una bomba. Coste aproximado de 150-$200.
Las bombas de paletas rotativas también son un tipo común de bomba de vacío, con bombas de dos etapas capaces de alcanzar presiones muy por debajo de 10-6 bar. Las bombas rotativas de paletas utilizan conjuntos giratorios de paletas circulares en una cavidad elíptica para crear presión de bombeo, y pueden alcanzar un vacío de medio a alto. Si su bomba requiere cambios de aceite, es probable que sea una bomba rotativa de paletas. Aunque pueden alcanzar un vacío más alto que las bombas de diafragma, se dañan fácilmente con los vapores de disolventes o corrosivos. Deben tomarse medidas para evitar que los vapores nocivos lleguen a este tipo de bombas, como la instalación de una trampa fría, ya que la contaminación puede reducir significativamente la eficacia y la vida útil de una bomba. Coste aproximado de 150-$200.
Bomba de chorro de agua
La bomba de chorro de agua es una bomba de chorro propulsor en la que el agua fluye a través de una boquilla. Como resultado del elevado caudal, se produce un vacío. El vacío final que se alcanza depende de la presión y la temperatura del agua (para el agua, 3,2 kPa o 0,46 psi o 32 mbar a 25 °C o 77 °F). Si no se tiene en cuenta la fuente del fluido de trabajo, los eyectores de vacío pueden ser bastante más compactos que una bomba de vacío autoalimentada de la misma capacidad. Coste aproximado ~25-$30. Cuanto menor es la presión de aspiración, más disminuye la capacidad de aspiración. Las bombas de chorro de agua se distinguen por sus costes de adquisición muy bajos y su resistencia a la corrosión. Sin embargo, son estacionarias. Para utilizarlas, las conexiones de agua y de aguas residuales deben montarse en mesas de laboratorio y en campanas extractoras. Debido al consumo típico de agua de varios cientos de litros por hora -cien mil litros al año, incluso con un uso moderado-, las bombas de chorro de agua generan elevados costes de funcionamiento para el agua dulce y las aguas residuales. Otro inconveniente es el elevado nivel de ruido y la escasa compatibilidad medioambiental, ya que todas las sustancias y vapores de disolventes bombeados desde las aplicaciones van a parar a las aguas residuales.
La bomba de chorro de agua es una bomba de chorro propulsor en la que el agua fluye a través de una boquilla. Como resultado del elevado caudal, se produce un vacío. El vacío final que se alcanza depende de la presión y la temperatura del agua (para el agua, 3,2 kPa o 0,46 psi o 32 mbar a 25 °C o 77 °F). Si no se tiene en cuenta la fuente del fluido de trabajo, los eyectores de vacío pueden ser bastante más compactos que una bomba de vacío autoalimentada de la misma capacidad. Coste aproximado ~25-$30. Cuanto menor es la presión de aspiración, más disminuye la capacidad de aspiración. Las bombas de chorro de agua se distinguen por sus costes de adquisición muy bajos y su resistencia a la corrosión. Sin embargo, son estacionarias. Para utilizarlas, las conexiones de agua y de aguas residuales deben montarse en mesas de laboratorio y en campanas extractoras. Debido al consumo típico de agua de varios cientos de litros por hora -cien mil litros al año, incluso con un uso moderado-, las bombas de chorro de agua generan elevados costes de funcionamiento para el agua dulce y las aguas residuales. Otro inconveniente es el elevado nivel de ruido y la escasa compatibilidad medioambiental, ya que todas las sustancias y vapores de disolventes bombeados desde las aplicaciones van a parar a las aguas residuales.
Selección de la bomba de vacío
En el laboratorio de química subterráneo, el vacío es uno de los equipos básicos de los puestos de trabajo del laboratorio. En consecuencia, el suministro de vacío ya forma parte integral de la planificación de nuevos laboratorios, puesto que es necesario para muchas aplicaciones, ya sea evaporación, destilación, secado o simplemente aspiración o filtración. Las bombas de membrana para química son las más adecuadas para estas aplicaciones de vacío.
Seguridad
Se debe tener cuidado para evitar la expulsión de vapores nocivos a la atmósfera del laboratorio. El escape de la bomba debe ventilarse a una campana extractora o estar equipado con un depurador o filtro adecuado. Cuando se rompe, la cristalería evacuada se hace añicos e implosiona violentamente, lanzando fragmentos a gran velocidad. Inspeccione la cristalería en busca de grietas y defectos antes de aplicar el vacío.
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