Reichelt Chemietechnik Magazin
Wasserbäder sind im medizinischen, biochemischen und chemischen Labor und auch in der Industrie unverzichtbar sind, wenn es um das Temperieren geht. Wie auch andere Laborgeräte müssen sie hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erfüllen.
Arten von Wasserbädern
Wasser besitzt verglichen mit anderen Flüssigkeiten die höchste Wärmekapazität – also das Vermögen, aufgenommene Energie in Form von Wärme zu speichern. Die aufgenommene Energie führt zu Bewegungen der Wassermoleküle. Sie können sich geradlinig bewegen, rotieren oder schwingen. Diese unabhängigen Bewegungsmöglichkeiten werden als Freiheitsgrade bezeichnet. Je mehr unterschiedliche Bewegungen angeregt werden, desto höher ist die Wärmekapazität. Wasserbäder gestatten eine sehr genaue Temperaturregelung zwischen der Umgebungstemperatur und +100 °C[1].
1923 entwickelte der deutsche Unternehmer Theodor Hermann Friedrich Stiebel (1894 – 1960) einen Tauchsieder in Spiralform, für den er ein Patent erhielt und den bis dahin gebräuchlichen Kolbentauchsieder ablöste. Spiraltauchsieder sind auch heute noch im Laborbedarf erhältlich.
Ein Wasserbad, das nur aus Behälter, Heizung und Temperierflüssigkeit besteht, wird als nicht zirkulierendes oder nicht umlaufendes Wasserbad bezeichnet. Ein Nachteil dieser Wasserbäder ist eine inhomogene Temperaturverteilung im Gesamtvolumen.
Insbesondere für temperaturempfindliche, medizinisch-diagnostische und biochemische Arbeiten ist eine homogene Temperaturverteilung im gesamten Badvolumen wichtig. Mithilfe einer Umwälzpumpe oder eines Magnetrührers zirkuliert das Wasser in dem Bad und sorgt so für eine gleichmäßige Temperatur des Wassers. Ein solches Wasserbad wird im Laborbedarfs-Handel als Umwälzbad angeboten.
Für manche Anwendungen ist ein Bewegen der Probengefäße notwendig, wie zum Beispiel beim Arbeiten mit Zellkulturen, bei denen ein Vermischen mit Luft erforderlich ist. Für diese Anwendungen werden Wasserbäder mit Schüttelkorb oder Schüttelgestell angeboten, das linear, kreisförmig oder orbital bewegt werden kann. Dabei kann die Schüttelamplitude und -frequenz frei ausgewählt werden. Diese Modelle sind im Laborbedarf unter der Bezeichnung Schüttelwasserbad verfügbar.
Komponenten eines Wasserbades
Da Wasserbäder in vielen verschiedenen Bereichen verwendet werden, gibt es eine große Auswahl an diesen Laborgeräten. Sie werden mit unterschiedlichen Badöffnungen und -tiefen und mit einem Badfüllvolumen von 0,8 bis 40 Litern in vielen Ausführungen angeboten. Wasserbäder sind aus Edelstahl, Polypropylen oder transparentem Polycarbonat und Acrylglas erhältlich.
Das Heizen des Wassers kann durch Tauchsiederheizungen oder elektrische Flächenheizungen, die in den Boden oder die Wände integriert sind, erfolgen. Wasserbäder mit Flächenheizungen haben gegenüber Tauchsiederheizungen den Vorteil, dass das gesamte Badvolumen gleichmäßiger erwärmt wird. Die Temperaturregelung kann über analoge oder digitale Schnittstellen erfolgen.
Eine flache oder dachförmige Abdeckung schützt vor Wasserverlust durch Verdunstung und trägt mit zur Konstanthaltung der Temperatur bei. Eine Abdeckung verhindert zusätzlich das Zurücktropfen von Kondensat und damit mögliche Verunreinigungen von Proben.
Zur Vermeidung von Keimbildung und Ablagerungen sollte das Wasserbad bei Nichtgebrauch entleert und regelmäßig gereinigt werden. Dabei lassen sich Wasserbäder mit Flächenheizungen leichter reinigen. Manche Modelle verfügen über einen Ablasshahn oder eine Ablassschraube für ein schnelles Entleeren der Wasserbäder. Hersteller empfehlen, deionisiertes Wasser zu verwenden, um Kalkablagerungen vorzubeugen. Zum leichteren Zu- und Abführen von Temperierflüssigkeiten können Schläuche verwendet werden, die mittels entsprechender Schlauchverbinder an Behälter angeschlossen werden können.
Damit die Probengefäße nicht in dem Wasser schwimmen, bietet der Laborbedarf verschiedene Einsatzgestelle aus Edelstahl oder Kunststoff für Reagenzgläser, Flaschen oder Erlenmeyerkolben an.
Manche Wasserbäder sind mit einem Unterniveauschutz ausgestattet, der vor Überhitzung bei Trockenlauf schützt. Dabei handelt es sich um einen Schwimmerschalter, der sich über der Heizung befindet. Sinkt der Wasserspiegel bis zu dem Schwimmerschalter, wird die Heizung ausgeschaltet.
Ist das Wasserbad zusätzlich mit einer Kühlschlange ausgestattet, die an die Wasserversorgung oder einen Umlaufkühler angeschlossen wird, kann auch bei Temperaturen unter der Umgebungstemperatur bis +10 °C gearbeitet werden. Wird ein Temperaturbereich unter +10 °C oder über +100 °C benötigt, kann je nach Eignung des Gerätes eine andere Flüssigkeit zum Temperieren verwendet werden.
Digital gesteuerte Wasserbäder verfügen über eine Mikroprozessorsteuerung zur Einstellung von Temperatur, Zeit und Schüttelgeschwindigkeit. Einstell- und Betriebswerte werden oft auf einem Display angezeigt. Optional sind optische und akustische Signale zur Eingabequittierung, zum Programmende oder zur Anzeige eines Betriebsfehlers.
Anwendungsbeispiele von Wasserbädern
Im biochemischen Labor werden Wasserbäder zum Temperieren und zur Inkubation von Kulturen sowie zum Fermentieren und Homogenisieren eingesetzt. Für die Pharmaindustrie dienen sie zur Temperierung von Salben und Emulsionen. Physiotherapeuten verwenden Wasserbäder zum Erwärmen von Fango- und Moorkissen bei Verspannungen, Rückenschmerzen und rheumatischen Beschwerden. In der Histologie werden Paraffinschnitte auf ein +42 °C warmes Wasserbad gelegt, wo sie sich durch die Wärme ausbreiten. Anschließend werden sie auf einen Objektträger aufgezogen.
Im chemischen Labor kommen sie vor allem beim Erwärmen von brennbaren Chemikalien, die nicht offenen Flammen ausgesetzt werden können, sowie bei Korrosions-, Dichtheits- und Materialprüfungen zum Einsatz. Beim Machu-Test, ein Kurzzeit-Korrosionstest für Aluminium, Stahl und Beschichtungen, wird ein Schnitt in den Prüfling eingeritzt. Anschließend wird der Prüfling in einer sauren Testlösung bei +37 °C für 48 Stunden gelagert. Der Test gilt als bestanden, wenn die Unterwanderung an der geritzten Stelle nicht größer als 0,5 Millimeter ist. Bei Dichtheitsprüfungen wird der zu prüfende Gegenstand in ein Wasserbad getaucht, um Luft zu erkennen, die in Form von Blasen aus dem Prüfgegenstand austritt. Auch in der Qualitätssicherung bezüglich der Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeit von Photovoltaik-Modulen finden Wasserbäder Anwendung. Dabei werden die Module bis knapp unter die Anschlussdosen für 2 Minuten in +22 °C warmes Wasser getaucht, ein Strom angelegt und der Isolationswiderstand gemessen.
In der Industrie werden Wasserbäder vielseitig eingesetzt. Beim Vergießen von Harzen ist das kontinuierliche Temperieren der Vergussmedien notwendig. Eine konstante Temperatur gewährleistet eine konstante Viskosität und erleichtert damit das Aufsteigen und Austreten von Luftblasen.
In der Lebensmittelindustrie spielt Temperierung bei der Verarbeitung und bei Gär- und Fermentationsprozessen eine wichtige Rolle. So werden zum Beispiel bei der Schokoladenherstellung Kakaomasse, Kakaobutter, Zucker, Milch, Gewürze und Aromen gemischt, gewalzt und anschließend bei Temperaturen zwischen +55 °C und +90 °C über mehrere Tage verrührt und geknetet. Auch bei der Bestimmung des Fettgehaltes in Milch, Käse, Butter und Rahm kommen Wasserbäder zum Einsatz.
Bei der Herstellung von Apfelsaft werden die Äpfel in einem Wasserbad gereinigt, bevor sie in einen Häcksler und anschließend in die Presse transportiert werden. In Brauereien dienen Wasserbäder in Verbindung mit einem Photometer zur Haltbarkeitsbestimmung von Bier. Das Bier wird einem Temperaturzyklus ausgesetzt, der so lange wiederholt wird, bis eine Trübung auftritt.
Wie bei der Anschaffung anderer Laborgeräte ist auch für die Auswahl eines Wasserbades die Anwendung ausschlaggebend. Folgende Fragen sollten dabei berücksichtigt werden: Welches Badvolumen und welcher Temperaturbereich werden benötigt? Ist ein Umwälzbad oder Schüttelwasserbad erforderlich? Welche Temperiergenauigkeit ist notwendig? Wie aufwendig ist die Reinigung? Nicht zuletzt spielt auch der Preis eine Rolle, der je nach Größe und Ausstattung des Gerätes variieren kann.
Quellen: [1] Organikum, Wiley-VCH Verlag GmbH, 23. Auflage, 2009, S. 15 Bild-Quellen: Beitragsbild | © anamejia18 - stock.adobe.com Wasserbad mit Rundkolben und Probenlösung | Von (of SVG version) Ss181292; (of original version) Polimerek - own work - SVG version of picture by Polimerek, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=781438 Edelstahl-Wasserbad | © toeytoey - stock.adobe.com