Fagyáspont meghatározás

Történeti áttekintés
A német kémikus Beckmann, akinek a neve elsősorban a róla elnevezett hőmérőről ismert, a tej fagyáspontját már 1895-ben vizsgálta. Az amerikai Hortvet alkalmazta először ezt a módszert a tej idegen víztartalmának kimutatására és fejlesztette ki a vizsgálathoz szükséges eszközöket. Az első termisztoros krioszkópok a hatvanas években jelentek meg, és a mai napig tartó fejlesztések révén lehetővé vált a tej fagyáspontjának teljesen automatizált meghatározása.

A fagyáspont meghatározásában döntő fejlődést jelentett, amikor 1984-ben a Funke-Gerber cég bemutatta első automatikus kalibrálással rendelkező műszerét. Ugyanez a cég már 1998-ban egy teljesen automata, 220 minta/óra kapacitású fagyáspont vizsgáló műszert is bemutatott. A legújabb fejlesztések eredményeként a Funke-Gerber cég ma már olyan, teljesen szabadon programozható termisztoros krioszkópokat gyárt, amelyek felbontó képessége 0,1 m°C.

A fagyáspont
A tiszta víz fagyáspontja az a hőmérséklet, ahol a jég és a víz egyensúlyban van. Ha tiszta vízben anyagokat oldunk, annak fagyáspontja csökken. A vízben nem oldódó anyagok (mint például zsír, fehérje, stb.) a fagyáspontot nem befolyásolják.

A mérési alapelv
A fagyáspont meghatározásának fizikai háttere, hogy a túlhűtött oldatokban kiváltott gyors kristályosodás után az oldat hőmérséklete a fagyáspontra emelkedik és ott rövid ideig állandósul. A termisztoros krioszkópok ezt a hőmérséklet változást, majd állandósulást mérik 0,001°C pontossággal.


A mérési folyamat
Egy folyadék fagyáspontja pontosan az a hőmérséklet, ahol a folyadék egy része még folyékony, a másik része már szilárd állapotú, s a kétféle halmazállapot egyensúlyban van. Ezt az állapotot a tejben a következők szerint érhetjük el.
q Hűtse le a mintát kb. 5-10 °C hőmérsékletre.
q Fagyassza le a mintát kb. ?3 °C-ra, anélkül, hogy a víz kristályosodása megkezdődne.
q Vibrációval indítsa el a víz kristályosodásának folyamatát.
A kristályosodás rendkívül gyorsan megy végbe miközben ún. fúziós hő szabadul fel, amely a minta hőmérsékletét a fagyáspontig emeli. Ekkor a minta fagyott, és nem fagyott részei egyensúlyi állapotban vannak. Mindez tehát azt jelenti, hogy a krioszkópnak akkor kell fagyást indukálnia, mikor a minta hidegebb, mint annak az aktuális fagyáspontja.

Tehát a hűtés, majd a kristályosodás megindulása után a minta hőmérséklete megemelkedik, és a folyamat során fúziós hő szabadul fel. A hőmérséklet egy bizonyos ponton stabilizálódik, amelyet hőmérsékleti állandónak nevezünk. Ugyanakkor az állandó hűtés hatására egyre több hőt vonunk el a mintából. A minta egyre nagyobb része lesz ismét fagyott állapotú, s veszíti el a fúziós hőt. A hőmérséklet mindezek ellenére állandó marad legalábbis addig, amíg a minta folyékony részeket is tartalmaz. Ez a hőmérsékleti állandó pár percig tart. A krioszkóp a minta fagyáspontját a hőmérséleti állandó értékéből állapítja meg.

Hibalehetőségek
Más mérésekhez hasonlóan a fagyáspont meghatározásának is vannak olyan lépései, ahol hibák merülhetnek fel.

Hibák a hűtésnél
Ha a hőelvonás a mintából túl kicsi, a hűtés sok időt vesz igénybe. Ez lehet részben a hűtőfürdő és/vagy a keverő hibája. A hűtőfürdőnek legalább -6 °C-osnak kell lennie, és megfelelő cirkulációval kell rendelkeznie annak érdekében, hogy a hőelvonás a mintából megfelelő mértékű legyen. A keverő amplitudója kb. 3-4 mm legyen. Ha a hűtési folyamat alatt hibát észlel, akkor először mindig a hűtőfürdő hőmérsékletét ellenőrizze. Ezután egy üres mintásüveg segítségével kontrollálja a hűtőfolyadék megfelelő cirkulációját. Ezután ellenőrizze, hogy a keverőrúd szabadon mozog-e, nem ütközik-e valamivel. Ha hibát észlel ellenőrizze a keverőrúd amplitúdóját is. A CryoStar I. tartalmaz e célból egy speciális menüpontot, bár ebben a pontban csak egy körülbelüli értékhez juthatunk. Figyelje meg a keverőrúd végét, s állítsa be olyan értékre, hogy annak amplitudója kb. kb. 3-4 mm legyen. Töltsön azután 2.5 ml vizet a küvettába, s ellenőrizze, hogy a rúd megfelelően mozog-e a vízben.
Ha mindezeket ellenőrizte, végezzen el egy vizsgálatot vízzel, s figyelje a kijelzőn megjelenő értékeket. Szobahőmérsékletről (20-25 °C) -2 °C-ra a minta csaknem pontosan egy perc alatt kell hogy lehűljön. Ha ezt tapasztalja, akkor a hűtőfürdő és a keverő beállítása megfelelő. Ha a hűtési folyamat kevesebb, mint 45 másodpercet vesz igénybe, akkor a hűtőfürdő túl hideg és/vagy a keverő túl gyorsan mozog. Ha a hűtési folyamat több, mint 75 másodpercet vesz igénybe, akkor a hűtőfürdő vagy túl meleg, vagy nem megfelelően cirkulál, il-
letve a keverő túl lassan (kis amplitudóval) mozog.


Ha a hűtőfürdő és a keverőrúd ellenőrzése után még mindig hibát észlel a hűtési folyamatban, ellenőrizze a termisztort és a készülék kalibrációját. Ugyanis, ha a készülék nem megfelelően kalibrált, akkor nem találja hőmérsékleti skáláját, így az nem is képes megfelelően hőmérsékletet mérni.

A minta idő előtti ?kifagyása?
Ha a minta hidegebb, mint annak fagyáspontja, akkor állapota nem stabil, ezért előfordulhat, hogy valamely külső hatásból eredendően, vagy egyszerűen magától a minta előbb megfagy, mint ahogy a készülék elindította volna a kristályosodási folyamatot. Ennek különféle okai lehetnek, melyek közül a leggyakoribbak:
q A fagyás megkezdődhet, ha a keverőrúd túl gyorsan mozog, vagy valaminek nekiütközik.
q Minél tovább tart a hűtés, a minta annál inkább magától kifagy, ezért a túlhűtésnek a lehető legrövidebb rövid időn belül meg kell történnie.
q A minta szennyezettsége is előidézhet idő előtti kifagyást.

A minta nem fagy meg
Vannak olyan tejek, amelyek nehezen fagynak. Ha Ön ezt tapasztalja, akkor melegítse fel először 40 °C-ra, hagyja lehűlni, majd ismételje meg a vizsgálatot. Ha ez a hiba folyamatosan (több minta esetében) ismétlődik, tanácsos a hűtőfolyadék hőmérsékletét alacsonyabb értékre állítani. Ha ugyanez a hiba a kalibrációs folyadék vizsgálatakor is jelentkezik, akkor a készülék nem megfelelően kalibrált, vagy esetleg hűtőfolyadék keveredett a mintába.

A készülék nem találja a hőmérsékleti állandót
A hőmérsékleti állandó értékét egy bizonyos idő eltelte után kapjuk meg. Előfordulhat, hogy egyes tejminták esetében mindez nem történik meg. Ekkor vizsgáljon meg egy második tejmintát is. Ha a hiba másodszor is jelentkezik, akkor annak eredete a termisztorban keresendő, vagy valamely külső zavaró tényezőből adódik.

Hibás, nem kalibrált termisztor
A készülék, a kalibráláskor és a vizsgálatok megkezdése előtt ellenőrzi a termisztor aktuális értékeit. A termisztor által mért elektromos ellenállást a készülék ADC (Analogue-Digital-Converter) formátumra fordítja át. Ha a termisztor zárlatos vagy az áramkör valahol megszakadt, az ellenálás nulla vagy végtelen lesz. Megfelelő működés esetében mindkettő kizártnak tekinthető. Hiba esetén a készülék nem kezdi el a méréseket.
Termisztorcsere esetén ún. előkalibrálást kell végezni, a gépkönyv utasításainak megfelelően. Előkalibrálás nélkül új termisztorral mérni nem lehet.

Az A-oldat és a B-oldat összecserélése
Ilyen esetben az A-kalibrálás általában problémamentes. A B-kalibrálás alatt azonban a készülék "nem kalibrált? vagy ?meghibásodott termisztor" hibát jelez. Régebbi készülékek a hibás értékeket nem jelzik, de ettől a ponttól nem folytatják a mérést. A hiba esetén minden esetben kalibrálja újra a készüléket.

Az A-kalibrálás és a B-kalibrálás összecserélése
Ilyen esetben a készülék teljes hőmérsékleti skálája felcserélődik. A kalibrációs oldat vizsgálatakor a következő értékek és jelzések jelennek meg:
A kalibrálás: 0.000
A kalibrálás: 0.000
B kalibrálás: -0.557
A kalibrálás: -0.557 (hibás működés)
Újravizsgált B-oldat: 0.000
Újravizsgált A-oldat: +0.557

Meghibásodott termisztor
Ez a leggyakoribb meghibásodás, amelynek többnyire két oka van.
1. A termisztor hibás. Ezt a hibát könnyű azonosítani, mert a készülék kijelzője folyamatosan, változás nélkül negatív eredményeket jelez.
2. A termisztor bevonata porózus. Ez instabil méréseket eredményez. Az ismétlési pontosság ilyenkor nem megfelelő.
Mindkét esetben cserélje ki a termisztort

Hibás keverő
A keverőnek egy bizonyos szögben szabadon kell mozognia. Nem szabad érintenie a termisztort. A termisztor cseréjekor ügyeljen mindezekre.

q Ha a keverő amplitudója nem elég nagy, a fagyás nem folyamatos és a minta több mint 1 perc alatt hűl le 2 °C-ra. Pontosan beállított amplitudó esetén a fagyáshoz majdnem pontosan 1 perc szükséges. A keverő amplitúdója 3-4 mm legyen.

q Ha a keverő amplitudója túl nagy, az idő előtti kifagyás gyakran előfordul.

Speciális alkalmazások (pl.: tejszín vizsgálata)
Tejszín vizsgálata esetén ajánlatos a minta térfogatát 3 ml-re emelni, mert a tejszínnek kb. 40 % a zsírtartalma, s a mintának kb. csak a 60 %-a folyékony (víz) halmazállapotú.