ทำไมตู้ฟัก CO2 ของฉันจึงมีการควบแน่น?
เมื่อเราใช้ตู้ฟัก CO2 เพื่อเพาะเลี้ยงเซลล์ เนื่องจากปริมาณของเหลวที่เติมลงไปและรอบการเพาะเลี้ยงที่แตกต่างกัน ทำให้เรามีข้อกำหนดที่แตกต่างกันสำหรับความชื้นสัมพัทธ์ในตู้ฟัก
สำหรับการทดลองโดยใช้แผ่นเพาะเลี้ยงเซลล์ 96 หลุมที่มีรอบการเพาะเลี้ยงยาวนาน เนื่องจากมีการเติมของเหลวปริมาณเล็กน้อยลงในหลุมเดียว จึงมีความเสี่ยงที่สารละลายเพาะเลี้ยงจะแห้งหากระเหยเป็นเวลานานที่อุณหภูมิ 37℃
ความชื้นสัมพัทธ์ในตู้ฟักที่สูงขึ้น เช่น การที่ความชื้นสัมพัทธ์สูงกว่า 90% สามารถลดการระเหยของของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ปัญหาใหม่ได้เกิดขึ้น ผู้ทดลองเพาะเลี้ยงเซลล์จำนวนมากพบว่าตู้ฟักสามารถผลิตคอนเดนเสทได้ง่ายในสภาวะที่มีความชื้นสูง การผลิตคอนเดนเสทหากไม่ได้รับการควบคุมจะเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งการเพาะเลี้ยงเซลล์อาจทำให้เกิดความเสี่ยงต่อการติดเชื้อแบคทีเรียได้
แล้วการเกิดหยดน้ำในตู้ฟักไข่เกิดจากความชื้นสัมพัทธ์สูงเกินไปใช่หรือไม่?
ก่อนอื่นเราต้องเข้าใจแนวคิดเรื่องความชื้นสัมพัทธ์ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity, RH)คือปริมาณไอน้ำจริงในอากาศและเปอร์เซ็นต์ของปริมาณไอน้ำ ณ จุดอิ่มตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน เขียนเป็นสูตร:
.png)
เปอร์เซ็นต์ความชื้นสัมพัทธ์แสดงถึงอัตราส่วนของปริมาณไอน้ำในอากาศเทียบกับปริมาณสูงสุดที่เป็นไปได้
โดยเฉพาะ:
* ความชื้นสัมพัทธ์ 0%:ในอากาศไม่มีไอน้ำ
*ความชื้นสัมพัทธ์ 100%:อากาศอิ่มตัวด้วยไอน้ำและไม่สามารถกักเก็บไอน้ำไว้ได้อีก จึงเกิดการควบแน่น
*ความชื้นสัมพัทธ์ 50%:แสดงว่าปริมาณไอน้ำในอากาศ ณ ปัจจุบันมีค่าเท่ากับครึ่งหนึ่งของปริมาณไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมินั้น หากอุณหภูมิอยู่ที่ 37°C ความดันไอน้ำอิ่มตัวจะอยู่ที่ประมาณ 6.27 kPa ดังนั้น ความดันไอน้ำที่ความชื้นสัมพัทธ์ 50% จะอยู่ที่ประมาณ 3.135 kPa
ความดันไอน้ำอิ่มตัวคือความดันที่เกิดจากไอในสถานะก๊าซเมื่อน้ำของเหลวและไอของน้ำอยู่ในภาวะสมดุลไดนามิกที่อุณหภูมิหนึ่งๆ
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เมื่อไอน้ำและน้ำของเหลวอยู่ร่วมกันในระบบปิด (เช่น ตู้ฟัก CO2 Radobio ที่ปิดสนิท) โมเลกุลของน้ำจะยังคงเปลี่ยนจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะก๊าซ (การระเหย) ต่อไปตามกาลเวลา ในขณะเดียวกัน โมเลกุลของน้ำที่เป็นก๊าซก็จะยังคงเปลี่ยนจากสถานะของเหลว (การควบแน่น) ต่อไปเช่นกัน
ณ จุดหนึ่ง อัตราการระเหยและการควบแน่นจะเท่ากัน และความดันไอ ณ จุดนั้นคือความดันไอน้ำอิ่มตัว ลักษณะเฉพาะคือ
1. สมดุลแบบไดนามิก:เมื่อน้ำและไอน้ำอยู่ร่วมกันในระบบปิด การระเหยและการควบแน่นจะเข้าสู่จุดสมดุล ความดันของไอน้ำในระบบจะไม่เปลี่ยนแปลงอีกต่อไป ในเวลานี้ความดันจะเป็นความดันไอน้ำอิ่มตัว
2. การพึ่งพาอุณหภูมิ:ความดันไอน้ำอิ่มตัวเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น พลังงานจลน์ของโมเลกุลน้ำจะเพิ่มขึ้น ทำให้โมเลกุลน้ำสามารถหลุดออกจากสถานะก๊าซได้มากขึ้น ดังนั้นความดันไอน้ำอิ่มตัวจึงเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่ออุณหภูมิลดลง ความดันไอน้ำอิ่มตัวจะลดลง
3. คุณสมบัติ:แรงดันน้ำอิ่มตัวเป็นพารามิเตอร์ลักษณะเฉพาะของวัสดุเท่านั้น ไม่ได้ขึ้นอยู่กับปริมาณของของเหลว แต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น
สูตรทั่วไปที่ใช้ในการคำนวณความดันไอน้ำอิ่มตัวคือสมการของอองตวน:
สำหรับน้ำ ค่าคงที่แอนทอนมีค่าแตกต่างกันสำหรับช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ชุดค่าคงที่ทั่วไปมีดังนี้:
* A=8.07131
* B=1730.63
* C=233.426
ชุดค่าคงที่นี้ใช้กับช่วงอุณหภูมิตั้งแต่ 1°C ถึง 100°C
เราสามารถใช้ค่าคงที่เหล่านี้เพื่อคำนวณว่าแรงดันน้ำอิ่มตัวที่ 37°C คือ 6.27 kPa
ดังนั้น ในอากาศที่อุณหภูมิ 37 องศาเซลเซียส (°C) ในสถานะที่มีความดันไอน้ำอิ่มตัว จะมีน้ำอยู่เท่าใด?
ในการคำนวณปริมาณมวลของไอน้ำอิ่มตัว (ความชื้นสัมบูรณ์) เราสามารถใช้สูตรสมการ Clausius-Clapeyron ได้ดังนี้
ความดันไอน้ำอิ่มตัว: ที่อุณหภูมิ 37°C ความดันไอน้ำอิ่มตัวคือ 6.27 kPa
การแปลงอุณหภูมิเป็นเคลวิน: T=37+273.15=310.15 K
การแทนค่าลงในสูตร:
.png)
ผลลัพธ์ที่ได้จากการคำนวณคือประมาณ 44.6 g/m³
ที่อุณหภูมิ 37°C ปริมาณไอน้ำ (ความชื้นสัมบูรณ์) ณ จุดอิ่มตัวอยู่ที่ประมาณ 44.6 กรัม/ลูกบาศก์เมตร ซึ่งหมายความว่าอากาศหนึ่งลูกบาศก์เมตรสามารถกักเก็บไอน้ำได้ 44.6 กรัม
ตู้ฟัก CO2 ขนาด 180 ลิตรจะจุไอน้ำได้เพียงประมาณ 8 กรัมเมื่อถาดเพิ่มความชื้นและภาชนะเพาะเลี้ยงเต็มไปด้วยของเหลว ความชื้นสัมพัทธ์สามารถไปถึงค่าสูงได้อย่างง่ายดาย แม้จะใกล้เคียงกับค่าความชื้นอิ่มตัวก็ตาม
เมื่อความชื้นสัมพัทธ์ถึง 100%ไอน้ำเริ่มควบแน่น ณ จุดนี้ ปริมาณไอน้ำในอากาศจะถึงค่าสูงสุดที่สามารถคงไว้ได้ที่อุณหภูมิปัจจุบัน นั่นคือ อิ่มตัว การเพิ่มขึ้นของไอน้ำหรืออุณหภูมิที่ลดลงจะทำให้ไอน้ำควบแน่นกลายเป็นน้ำเหลว
การควบแน่นอาจเกิดขึ้นได้เมื่อความชื้นสัมพัทธ์เกิน 95%แต่ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยอื่นๆ เช่น อุณหภูมิ ปริมาณไอน้ำในอากาศ และอุณหภูมิพื้นผิว ปัจจัยที่มีอิทธิพลมีดังนี้
1. การลดลงของอุณหภูมิ:เมื่อปริมาณไอน้ำในอากาศใกล้ถึงจุดอิ่มตัว การลดอุณหภูมิเพียงเล็กน้อยหรือการเพิ่มปริมาณไอน้ำอาจทำให้เกิดการควบแน่นได้ ตัวอย่างเช่น ความผันผวนของอุณหภูมิในตู้ฟักไข่อาจนำไปสู่การเกิดการควบแน่น ดังนั้นอุณหภูมิที่ตู้ฟักไข่จึงมีเสถียรภาพมากขึ้น จึงมีผลยับยั้งการเกิดการควบแน่น
2. อุณหภูมิพื้นผิวท้องถิ่นที่ต่ำกว่าอุณหภูมิจุดน้ำค้าง:เมื่ออุณหภูมิพื้นผิวในบริเวณนั้นต่ำกว่าอุณหภูมิจุดน้ำค้าง ไอน้ำจะควบแน่นเป็นหยดน้ำบนพื้นผิวเหล่านี้ ดังนั้นความสม่ำเสมอของอุณหภูมิในตู้ฟักไข่จะมีประสิทธิภาพในการยับยั้งการควบแน่นได้ดีขึ้น
3. ไอน้ำเพิ่มขึ้น:ตัวอย่างเช่น ถาดเพิ่มความชื้นและภาชนะเพาะเลี้ยงที่มีของเหลวจำนวนมาก และตู้ฟักมีการปิดผนึกที่ดีขึ้น เมื่อปริมาณไอน้ำในอากาศภายในตู้ฟักเพิ่มขึ้นเกินความจุสูงสุดที่อุณหภูมิปัจจุบัน แม้ว่าอุณหภูมิจะยังคงเท่าเดิม ก็จะเกิดการควบแน่นเกิดขึ้น
ดังนั้น ตู้ฟัก CO2 ที่มีการควบคุมอุณหภูมิที่ดีจึงมีผลยับยั้งการเกิดคอนเดนเสทได้อย่างชัดเจน แต่เมื่อความชื้นสัมพัทธ์เกิน 95% หรือถึงระดับอิ่มตัว ความเป็นไปได้ของการควบแน่นจะเพิ่มขึ้นอย่างมากดังนั้นเมื่อเราเพาะเลี้ยงเซลล์ นอกจากการเลือกตู้เพาะเลี้ยง CO2 ที่ดีแล้ว เราควรพยายามหลีกเลี่ยงความเสี่ยงของการเกิดหยดน้ำที่เกิดจากการเพาะเลี้ยงที่มีความชื้นสูงด้วย
เวลาโพสต์: 23 ก.ค. 2567