Warum bildet sich in meinem CO2-Inkubator Kondenswasser?
Wenn wir zur Zellkultivierung einen CO2-Inkubator verwenden, haben wir aufgrund der unterschiedlichen Menge der hinzugefügten Flüssigkeit und des Kulturzyklus unterschiedliche Anforderungen an die relative Luftfeuchtigkeit im Inkubator.
Bei Experimenten mit 96-Well-Zellkulturplatten mit langem Kulturzyklus besteht aufgrund der geringen Flüssigkeitsmenge, die in eine einzelne Vertiefung gegeben wird, die Gefahr, dass die Kulturlösung austrocknet, wenn sie über einen längeren Zeitraum bei 37 °C verdunstet.
Eine höhere relative Luftfeuchtigkeit im Inkubator, beispielsweise über 90 %, kann die Verdunstung von Flüssigkeit wirksam verringern. Allerdings ist dabei ein neues Problem aufgetreten: Viele Zellkulturexperimentatoren haben festgestellt, dass sich im Inkubator bei hoher Luftfeuchtigkeit leicht Kondensat bildet. Unkontrollierte Kondensatbildung führt zu einer immer größeren Ansammlung, was ein gewisses Risiko für bakterielle Infektionen in der Zellkultur mit sich bringt.
Liegt die Kondensation im Inkubator also daran, dass die relative Luftfeuchtigkeit zu hoch ist?
Zunächst müssen wir das Konzept der relativen Luftfeuchtigkeit verstehen.relative Luftfeuchtigkeit (Relative Luftfeuchtigkeit, RH)ist der tatsächliche Wasserdampfgehalt der Luft und der prozentuale Wasserdampfgehalt bei Sättigung bei gleicher Temperatur. Ausgedrückt in der Formel:
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Der Prozentsatz der relativen Luftfeuchtigkeit stellt das Verhältnis des Wasserdampfgehalts in der Luft zum maximal möglichen Gehalt dar.
Speziell:
* 0 % relative Luftfeuchtigkeit:In der Luft ist kein Wasserdampf vorhanden.
* 100 % relative Luftfeuchtigkeit:Die Luft ist mit Wasserdampf gesättigt und kann keinen weiteren Wasserdampf aufnehmen, sodass es zur Kondensation kommt.
* 50 % relative Luftfeuchtigkeit:Gibt an, dass die aktuelle Wasserdampfmenge in der Luft der Hälfte der gesättigten Wasserdampfmenge bei dieser Temperatur entspricht. Bei einer Temperatur von 37 °C beträgt der gesättigte Wasserdampfdruck etwa 6,27 kPa. Der Wasserdampfdruck bei 50 % relativer Luftfeuchtigkeit beträgt daher etwa 3,135 kPa.
Gesättigter Wasserdampfdruckist der Druck, der durch Dampf in der Gasphase erzeugt wird, wenn flüssiges Wasser und sein Dampf bei einer bestimmten Temperatur im dynamischen Gleichgewicht sind.
Insbesondere wenn Wasserdampf und flüssiges Wasser in einem geschlossenen System (z. B. einem gut verschlossenen Radobio CO2-Inkubator) koexistieren, wechseln die Wassermoleküle mit der Zeit weiterhin vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfung), während auch gasförmige Wassermoleküle weiterhin in den flüssigen Zustand übergehen (Kondensation).
Ab einem bestimmten Punkt sind die Verdampfungs- und Kondensationsraten gleich und der Dampfdruck an diesem Punkt ist der gesättigte Wasserdampfdruck. Er ist gekennzeichnet durch
1. dynamisches Gleichgewicht:Wenn Wasser und Wasserdampf in einem geschlossenen System koexistieren, kommt es durch Verdampfung und Kondensation zu einem Gleichgewicht. Der Druck des Wasserdampfs im System ändert sich nicht mehr. Zu diesem Zeitpunkt ist der Druck der Sättigungsdampfdruck.
2. Temperaturabhängigkeit:Der gesättigte Wasserdampfdruck ändert sich mit der Temperatur. Steigt die Temperatur, erhöht sich die kinetische Energie der Wassermoleküle, mehr Wassermoleküle können in die Gasphase entweichen, wodurch der gesättigte Wasserdampfdruck steigt. Umgekehrt sinkt der gesättigte Wasserdampfdruck, wenn die Temperatur sinkt.
3. Eigenschaften:Der gesättigte Wasserdruck ist ein rein stofflicher Kennwert, der nicht von der Flüssigkeitsmenge, sondern nur von der Temperatur abhängt.
Eine häufig verwendete Formel zur Berechnung des gesättigten Wasserdampfdrucks ist die Antoine-Gleichung:
Für Wasser hat die Antoine-Konstante je nach Temperaturbereich unterschiedliche Werte. Ein gängiger Satz von Konstanten ist:
* A=8,07131
* B=1730,63
* C=233.426
Dieser Konstantensatz gilt für den Temperaturbereich von 1 °C bis 100 °C.
Mit diesen Konstanten können wir berechnen, dass der gesättigte Wasserdruck bei 37 °C 6,27 kPa beträgt.
Wie viel Wasser befindet sich also bei 37 Grad Celsius (°C) in der Luft im Zustand gesättigten Wasserdampfdrucks?
Zur Berechnung des Massengehalts an gesättigtem Wasserdampf (absolute Luftfeuchtigkeit) können wir die Formel der Clausius-Clapeyron-Gleichung verwenden:
Gesättigter Wasserdampfdruck: Bei 37 °C beträgt der gesättigte Wasserdampfdruck 6,27 kPa.
Umrechnung der Temperatur in Kelvin: T=37+273,15=310,15 K
Einsetzen in die Formel:
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das rechnerische Ergebnis beträgt ca. 44,6 g/m³.
Bei 37 °C beträgt der Wasserdampfgehalt (absolute Feuchte) bei Sättigung etwa 44,6 g/m³. Das bedeutet, dass jeder Kubikmeter Luft 44,6 Gramm Wasserdampf aufnehmen kann.
Ein 180-Liter-CO2-Inkubator kann nur etwa 8 Gramm Wasserdampf aufnehmen.Wenn sowohl die Befeuchtungswanne als auch die Kulturgefäße mit Flüssigkeiten gefüllt sind, kann die relative Luftfeuchtigkeit leicht hohe Werte erreichen, sogar nahe der Sättigungsfeuchtigkeit.
Wenn die relative Luftfeuchtigkeit 100 % erreicht,Der Wasserdampf beginnt zu kondensieren. Zu diesem Zeitpunkt erreicht die Wasserdampfmenge in der Luft den maximalen Wert, den sie bei der aktuellen Temperatur halten kann, d. h. die Sättigung. Weitere Erhöhungen des Wasserdampfgehalts oder Temperatursenkungen führen dazu, dass der Wasserdampf zu flüssigem Wasser kondensiert.
Kondensation kann auch auftreten, wenn die relative Luftfeuchtigkeit 95 % übersteigt,Dies hängt jedoch von anderen Faktoren wie der Temperatur, der Menge an Wasserdampf in der Luft und der Oberflächentemperatur ab. Diese Einflussfaktoren sind wie folgt:
1. Temperaturabfall:Wenn die Wasserdampfmenge in der Luft nahe der Sättigung liegt, kann jede kleine Temperaturabnahme oder Erhöhung der Wasserdampfmenge zur Kondensation führen. Beispielsweise können Temperaturschwankungen im Inkubator zur Bildung von Kondensat führen. Daher wirkt sich eine stabilere Temperatur im Inkubator hemmend auf die Kondensatbildung aus.
2. lokale Oberflächentemperatur unterhalb der Taupunkttemperatur:Wenn die lokale Oberflächentemperatur niedriger ist als die Taupunkttemperatur, kondensiert Wasserdampf auf diesen Oberflächen zu Wassertropfen, sodass die Temperaturgleichmäßigkeit des Inkubators eine bessere Leistung bei der Verhinderung von Kondensation bietet.
3. Erhöhter Wasserdampf:Beispielsweise enthalten Befeuchtungspfannen und Kulturbehälter eine große Menge Flüssigkeit. Wenn der Inkubator besser abgedichtet ist, wird Kondensation erzeugt, wenn die Wasserdampfmenge in der Luft im Inkubator bei der aktuellen Temperatur über seine maximale Kapazität hinaus ansteigt, selbst wenn die Temperatur unverändert bleibt.
Daher hat ein CO2-Inkubator mit guter Temperaturregelung offensichtlich eine hemmende Wirkung auf die Kondensatbildung, aber wenn die relative Luftfeuchtigkeit 95 % übersteigt oder sogar die Sättigung erreicht, steigt die Möglichkeit der Kondensation deutlich an.Daher sollten wir bei der Kultivierung von Zellen nicht nur einen guten CO2-Inkubator wählen, sondern auch versuchen, das Risiko einer Kondensation zu vermeiden, die durch das Streben nach hoher Luftfeuchtigkeit entsteht.
Veröffentlichungszeit: 23. Juli 2024