ositos de goma
granulados de plástico
combustibles derivados
Gomas de vino
patita de goma
Antes de poder realizar un análisis químico o físico fiable y preciso de una muestra sólida, ésta debe prepararse siempre suficientemente mediante trituración y homogeneización. Es preciso asegurarse de que la muestra individual sea representativa del material de partida y que el proceso de preparación de la muestra se lleva a cabo de forma reproducible. Sólo así se garantizan resultados de análisis significativos. La mayoría de los materiales de muestra pueden triturarse fácilmente a la finura analítica requerida a temperatura ambiente eligiendo un molino con un mecanismo de reducción de tamaño adecuado (impacto, presión, fricción, cizallamiento, corte).
Sin embargo, existen límites a la molienda a temperatura ambiente, por ejemplo, si incluso un ligero calentamiento de la muestra plantea un problema, o si el material es tan elástico que simplemente se deforma utilizando los principios de molienda mencionados. La molienda criogénica o en frío ofrece una solución ideal para la trituración de este tipo de muestras. Para ello se utilizan medios auxiliares de molienda como el nitrógeno líquido (-196°C) o el hielo seco (-78°C), que fragilizan el material de la muestra al enfriarlo, mejorando así su comportamiento de fractura. Además, los componentes altamente volátiles se conservan mejor en la muestra gracias al enfriamiento. A continuación, se explica para qué muestras tiene sentido la molienda criogénica, qué molinos son adecuados y qué aspectos se deben tener en cuenta.
Muchos polímeros (plásticos como PP, PET, PA, etc.), así como otros materiales muestran un comportamiento viscoelástico durante la molienda que se traduce en una deformación plástica. Esto significa que no se origina una grieta y, por tanto, una rotura. Los elastómeros como los moldes de silicona o los neumáticos de caucho que, debido a su flexibilidad, se utilizan a temperatura ambiente, tienen una denominada temperatura de transición vítrea muy por debajo de la temperatura ambiente. La inmersión de muestras de plástico elástico en nitrógeno líquido hace que la temperatura de transición vítrea descienda por debajo de la temperatura ambiente, reduciendo así la capacidad del material para resistir esfuerzos mecánicos elevados mediante un comportamiento elástico-plástico o un flujo viscoso. La posterior molienda del material preenfriado en un molino adecuado provoca un comportamiento de rotura frágil de la muestra. La molienda criogénica también es adecuada para plásticos duros, aunque este material ya sea frágil a temperatura ambiente. Para que la trituración tenga éxito, la temperatura de la muestra no debe superar la temperatura de transición vítrea.
Los materiales que contienen componentes volátiles, como disolventes (benceno, tolueno, PCB, PCP, etc.), son difíciles de preparar adecuadamente para el análisis, ya que el aumento de la temperatura durante la molienda puede provocar la pérdida de los analitos. El aumento de la superficie de las partículas resultante de la trituración favorece aún más la emisión de componentes volátiles. La baja temperatura del nitrógeno líquido o del hielo seco reduce sustancialmente la elevada presión de vapor de los componentes y fragiliza la matriz de la muestra. Así, los componentes volátiles apenas se ven afectados por el aumento relativo de temperatura que se produce durante el proceso de molienda.
En la preparación de muestras, por ejemplo, para extraer ácidos nucleicos de levaduras, bacterias, plantas o tejidos humanos/animales, estos materiales pueden reaccionar de forma extremadamente sensible a la temperatura durante y, sobre todo, después de la preparación, y pueden destruirse. La molienda criogénica puede ser un remedio en estos casos, ya que las estructuras celulares y las paredes celulares pueden romperse más fácilmente y la rápida descomposición posterior de los fragmentos celulares se ralentiza considerablemente. Las reacciones celulares no deseadas prácticamente se "congelan" sumergiendo la muestra en LN2 para poder observar las actividades celulares en un momento posterior.
Los materiales de muestra pegajosos o tenaces, como el queso, las pasas, las gominolas o el mazapán, se aglutinan cuando se muelen a temperatura ambiente, lo que provoca una homogeneización insuficiente. Al reducir significativamente la temperatura durante la molienda criogénica, se impide que la muestra se aglutine, de modo que queda completamente homogeneizada y adecuada para el análisis.
ositos de goma
granulados de plástico
combustibles derivados
Gomas de vino
patita de goma
Goma
manzanas secas con hierbas
caramelos
chocolate with hazelnuts
pills
| Muestra | Mill | Accesorios | Cantidad de pienso | Tiempo de molienda | Velocidad | Final fineness (d90) |
| ositos de goma | MM 400 |
|
10 Piezas | 1 min | 30 Hz | < 300 µm |
| Goma | CryoMill |
|
4 g | 2 min | 30 Hz | < 500 µm |
| Bactéries E. coli | CryoMill |
|
10 ml Pellets de células congeladas | 2 min | 30 Hz | Ruptura celular completa |
| granulados de plástico | ZM 300 |
|
40 g | 20 s | 18,000min-1 | < 500 µm |
| combustibles derivados | ZM 300 |
|
150 g | 30 s | 18,000min-1 | < 0.75 mm |
| Gomas de vino | GM 300 |
|
500 g | 40 s + 20 s | 1000 min-1 + 4000 min-1 | < 0.8 mm |
| patita de goma | SM 300 |
|
5 Piezas | 40 s | 3000min-1 | < 2 mm |
| Pills with liquid filling | RM 200 |
|
40 Piezas | 3 min | 100 min-1 | < 250 µm |
| ositos de goma | MM 500 control |
|
28 Piezas | 30 s | 30 hz | < 100 µm |
| manzanas secas con hierbas | MM 500 control |
|
30 g | 2 min | 30 hz | < 150 µm |
| caramelos | GM 200 |
|
15 g | 2 min | 4000 min-1 | < 300 µm |
| chocolate with hazelnuts | GM 200 |
|
100 g | 4 min | 10000 min-1 | < 1 mm |
A la hora de seleccionar un molino de laboratorio adecuado para la molienda criogénica, deben tenerse en cuenta varios aspectos. Por un lado, la cantidad de la muestra es decisiva para la elección del molino, pero la granulometría de entrada y la finura final deseada también desempeñan un papel importante. Los molinos mezcladores MM 400 y CryoMill son adecuados para la molienda de pequeñas cantidades de muestra. En estos molinos, incluso con muestras de plástico difíciles, se consiguen a menudo finuras finales más altas que en los molinos de rotor, por ejemplo, ya que la muestra permanece en el recipiente de molienda cerrado durante más tiempo que en la cámara de molienda abierta de los molinos de rotor. La muestra se enfría continuamente durante todo el tiempo de molienda, en el CryoMill incluso a una temperatura constante de -196 °C. El MM 500 control es capaz de mantener una temperatura seleccionada de -100 °C a 0 °C. También ofrece la posibilidad de moler cantidades de muestra mayores, de hasta 80 ml por lote. Para estas temperaturas se permite el uso de recipientes de óxido de circonio o carburo de tungsteno. Para muestras muy tenaces, como la mayoría de los plásticos, la molienda sólo es posible en el molino con la molienda más fría: el CryoMill. Los molinos de rotor, los molinos de mortero, los molinos de cuchillas o los molinos de corte pueden moler cantidades de muestra o granulometrías de entrada mucho más elevadas que los molinos mezcladores. Sin embargo, debido a los mecanismos de trituración de estos molinos, las finuras finales alcanzadas suelen ser inferiores, sobre todo al triturar plásticos.
Los molinos de cuchillas GRINDOMIX GM 200 o GM 300 son adecuados principalmente para la molienda criogénica de productos alimenticios, en la que la fragilización sólo debe realizarse con hielo seco raspado, ya que el molino no es apto para temperaturas de hasta -196°C. Las muestras precongeladas (congelador, baño de LN2 sin transferir LN2 al molino) resultan apropiadas. En cambio, con molinos de rotor o molinos de corte, el usuario puede elegir entre la fragilización con hielo seco raspado o con nitrógeno líquido. El nitrógeno líquido es especialmente adecuado para materiales con una temperatura de transición vítrea inferior a -50 °C debido a las bajísimas temperaturas. La ventaja de la fragilización con hielo seco raspado es que no se vaporiza tan rápidamente como el nitrógeno líquido y puede triturarse junto con la muestra, lo que produce un efecto de enfriamiento prolongado. Esto es especialmente ventajoso para materiales con una baja capacidad térmica que tienen dificultades para mantener una temperatura fría (por ejemplo, láminas de plástico finas en combustibles derivados de residuos).
Por otra parte, la utilización de hielo seco raspado suele ser más sencilla, ya que no es necesario extraer la muestra de un baño de nitrógeno líquido, lo que resulta especialmente ventajoso en el caso de partículas de partida muy finas, inferiores a 1 mm. La manipulación de hielo seco raspado es más segura que con nitrógeno líquido, ya que, por ejemplo, hay menos riesgo de asfixia. Además, la mezcla de muestra y hielo seco se tritura en su totalidad, lo que evita salpicaduras como ocurre cuando se utiliza nitrógeno líquido. Independientemente de esto, siempre deben observarse las precauciones de seguridad pertinentes cuando se manipulan medios criogénicos. A continuación, se indican los molinos más importantes que pueden utilizarse para la molienda criogénica.
Los molinos mezcladores, por ejemplo, el MM 400, el MM 500 vario y el CryoMill, son ideales para homogeneizar pequeñas cantidades de muestra, con una granulometría de entrada máxima de 8 mm. Estos molinos tienen dos o una o seis estaciones de molienda, que están equipadas con recipientes de molienda herméticamente cerrados llenos de muestra y bolas de molienda. Sólo entonces tiene lugar la fragilización de la muestra con nitrógeno líquido. En el MM 400 o el MM 500 vario, esto puede tener lugar en recipientes de molienda de acero o PTFE o en recipientes de un solo uso de 1,5, 2 ó 5 ml de tamaño.
Es imprescindible asegurarse de que no quede atrapado nitrógeno líquido en los recipientes de molienda, ya que esto provocaría un gran aumento de la presión interna debido a la transición a la fase gaseosa al calentarse durante el proceso de molienda. El recipiente de molienda sellado se introduce con unas pinzas de crisol en el recipiente aislante lleno de nitrógeno líquido durante aprox. 2 - 3 minutos y, a continuación, se extrae con las pinzas de crisol y se sujeta firmemente en el MM 400 o MM 500 vario. Debido al elevado aporte de energía y al calor de fricción resultante, el tiempo de molienda no debe superar los 3 minutos para evitar un calentamiento significativo de la muestra o un cambio en las propiedades de fractura. Para tiempos de molienda más largos, se aconseja un enfriamiento intermedio del recipiente cerrado.
A diferencia de los dos molinos mezcladores mencionados, el CryoMill ofrece la ventaja de enfriar continuamente el soporte del recipiente de molienda con nitrógeno líquido, por lo que el recipiente de molienda y la muestra también se enfrían a -196 °C en cuestión de minutos. De este modo, se garantiza una temperatura constante de -196 °C incluso durante una molienda prolongada, sin necesidad de ciclos intermedios de enfriamiento, como ocurre con la molienda criogénica prolongada en el MM 400. Además, el usuario no entra en contacto en ningún momento con el nitrógeno líquido, lo que hace que el funcionamiento del CryoMill sea especialmente seguro. La función de preenfriamiento automático del molino garantiza que la molienda sólo se inicie cuando la temperatura alcance los - 196 °C. Para la preparación de muestras sin metales pesados, el CryoMill dispone de un recipiente de óxido de circonio.
Este molino es el más adecuado para moler incluso los plásticos más tenaces. El MM 500 nano y el MM 500 control funcionan con diferentes recipientes de molienda y ofrecen también recipientes más grandes de hasta 125 ml de volumen, por lo que se pueden procesar hasta 2 x 40 ml en un lote. El MM 500 nano también ofrece un aporte de energía muy elevado de hasta 35 Hz, lo que supone una ventaja para la trituración eficaz de muestras incluso más duras. El MM 500 nano funciona del mismo modo que el MM 400 y el MM 500 vario. Con el MM 500 control se realiza un tipo de trituración criogénica completamente nuevo. En este caso, los recipientes se enfrían mediante placas térmicas. Si además se acopla el CryoPad, la temperatura puede ajustarse a un valor entre -100°C y 0°C. El CryoPad controla el flujo de LN2 necesario para mantener la temperatura ajustada. Este molino es óptimo para muestras como productos de confitería y alimentos, ya que sólo se requieren temperaturas criogénicas "moderadas" de -40°C o incluso -20°C para pulverizar estas muestras. Como la temperatura se reduce continuamente, y la temperatura negativa máxima es de -100°C, se permite el uso de recipientes de carburo de tungsteno y de circonio para la molienda criogénica.
Los molinos mezcladores están diseñados para moler pequeñas cantidades de muestra. Con diferentes adaptadores se pueden utilizar tubos de un solo uso de 1,5 ml, 2 ml o 5 ml, pero para la molienda criogénica esos tubos tienen el inconveniente de que también son frágiles y tienden a romperse. En todos los molinos mezcladores RETSCH se pueden utilizar también tubos de acero de 2 ml, que resisten las duras condiciones de la molienda criogénica. Además, existen adaptadores para tubos de acero de 4 x 5 ml. Los modelos MM 500 nano y MM 500 control también ofrecen la posibilidad de utilizar recipientes de molienda multicavidad de 2 x 25 ml o 4 x 10 ml.
Los aspectos descritos anteriormente que influyen en la elección de un aditivo de molienda también son relevantes a la hora de llevar a cabo la molienda criogénica en el molino de corte SM 300. Este molino es especialmente adecuado para procesar materiales tenaces, como suelas de zapato o betún, y admite partículas originales mayores que el ZM 300. Incluso los neumáticos de coche troceados de forma gruesa y fragilizados con nitrógeno líquido se pueden homogeneizar bien en este molino. Como el material de la muestra se endurece bastante durante la fragilización, recomendamos utilizar el rotor de 6 discos, que actúa más como una trituradora. También es adecuado para muestras heterogéneas, como piezas de pollo congeladas, incluidos los huesos. Si se van a moler láminas de plástico finas, que a menudo forman parte de los combustibles derivados de residuos, se recomienda especialmente la fragilización con hielo seco raspado debido al efecto de enfriamiento continuo durante el proceso de molienda.
Las muestras de alimentos pegajosos y tenaces como el queso, las pasas, las gominolas o el mazapán se homogeneizan perfectamente con los molinos de cuchillas GRINDOMIX GM 200 o GM 300. Incluso el chocolate, que sólo es pastoso a temperatura ambiente, puede ser molido criogénicamente con éxito. La muestra se mezcla con hielo seco en una proporción de 1:2, se deja enfriar por completo durante unos minutos y se inicia el proceso de molienda. El hielo seco mantiene la muestra fría durante todo el proceso. Al realizar la molienda criogénica en el GM 200 o GM 300, se debe tener cuidado de no utilizar accesorios de plástico, ya que podrían dañarse durante el proceso. Los accesorios adecuados son un recipiente de molienda de acero inoxidable, una cuchilla completamente metálica y una tapa con una abertura por la que pueda evaporarse el dióxido de carbono gaseoso.
En un molino de mortero, las muestras se trituran por presión y fricción y se someten al proceso de molienda durante el tiempo necesario para alcanzar la finura final deseada. El molino de mortero RM 200 no es un sistema cerrado; es posible añadir hielo seco o nitrógeno líquido durante el proceso de molienda a través de una ventana en la tapa. Para aplicaciones criogénicas, el mortero y el mazo deben ser de acero inoxidable. Las pastillas con relleno líquido, por ejemplo, pueden pulverizarse con éxito en un molino de mortero.
| Mill | Granulometría de entrada | Cantidad de pienso | Granulometría final | Comentario |
| CryoMill | < 8 mm | 1 x 20 ml | 50 µm |
|
| MM 400 | < 8 mm | 2 x 20 ml | 100 µm |
|
| ZM 300 | < 10 mm | 4000 ml | 300 µm |
|
| GM 300 | < 40 mm | 2000 ml | 500 µm |
|
| SM 300 | < 80 mm | 4000 ml | 2000 µm |
|
| RM 200 | < 8 mm | 190 ml | 10 µm |
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| MM 500 nano | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm | Trituración de hasta 80 ml de volumen de muestra en un lote Puede ser necesario un enfriamiento intermedio Trituración más intensa a 35 Hz |
| MM 500 vario | < 8 mm | 6x 20 ml | 100 µm |
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| MM 500 control | < 10 mm | 2x 40 ml | 100 µm | Molienda criogénica hasta -100 °C Las muestras permanecen refrigeradas durante las pausas de molienda Molienda de muestras de hasta 80 ml en un lote Molienda criogénica también en recipientes de molienda de óxido de circonio o carburo de tungsteno |
| GM 200 | < 40 mm | 300 ml | 300 µm |
|
Para muchos materiales, el uso de hielo seco o nitrógeno líquido como aditivos de molienda es la única forma de obtener una muestra apta para su posterior análisis. RETSCH ofrece diversos molinos de laboratorio que permiten una preparación criogénica cuidadosa y eficiente de las muestras. Su uso reduce considerablemente tanto los costes como la mano de obra necesarios para la molienda a baja temperatura. Una selección de accesorios adecuados garantiza que el proceso de molienda se lleve a cabo de forma segura.
