Labortechnik

Mehr als Luft: Woher kommen analytische Gase?

Es ist etwas, worüber man sich im Labor in der Regel keine Gedanken macht. Doch woher kommen eigentlich die Spezialgase, ohne die viele Laboranwendungen nicht möglich wären. Und kann man sich sicher sein, dass sie die notwendigen Qualitätskriterien für die jeweilige Analyse erfüllen?

Gasmischungen zum Kalibrieren analytischer Instrumente, wie Gaschromatographen oder Systeme zur Emissionsmessung, werden präzise mit dem exakt notwendigen Mischungsverhältnis hergestellt und verfügen üblicherweise über sehr geringe Verunreinigungen, damit konsistente und exakte Messergebnisse gewährleistet sind.

Um solche Gasgemische zu erzeugen, benötigt man zunächst die jeweiligen Rohstoffe, d.h. die einzelnen Gaskomponenten. Im Falle des Industriegasespezialisten Air Products wird dabei unter anderem auf die weltweit rund 300 konzerneigenen Luftzerlegungsanlagen zurückgegriffen, die in über 40 Ländern betrieben werden. Diese Anlagen extrahieren Stickstoff, Sauerstoff und Argon aus der Umgebungsluft.

Dazu wird die Luft auf kryogene Temperaturen von ca. -196 °C heruntergekühlt. Die verflüssigte Luft wird dann in einer Säule destilliert, wodurch sie in die einzelnen Bestandteile, d.h. in reinen Stickstoff, Sauerstoff und Argon, "zerlegt" wird. Die so gewonnenen Einzelgase werden dann als kryogene, d.h. als tiefkalte verflüssigte Gase zu einer der europäischen Anlagen von Air Products zur Gasmischung transportiert, z.B. nach Keumiee in Belgien, Sant Celoni in Spanien oder Worcester in Großbritannien.

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Bis zu 400 Gaskomponenten

Luftzerlegungsanlage von Air Products in Nanjing, China.

Für die Gewinnung weiterer ultrahochreiner Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Helium, kommen wiederum andere Technologien zum Einsatz. So lässt sich Helium beispielsweise als Nebenprodukt bestimmter Erdgasquellen extrahieren. Helium entsteht als Ergebnis des radioaktiven Verfalls zahlreicher schwerer Elemente wie Uran oder Thorium. Hohe Heliumkonzentration lassen sich manchmal in natürlichen Erdgasreserven finden, wo sie sich unter gasundurchlässigem Felsmaterial befinden, das das Helium einschließt. Eine Vielzahl eher ungewöhnlicher und exotischer Gaskomponenten bezieht Air Products von einem umfassenden Netzwerk an Spezialzulieferern. Insgesamt kommen so rund 400 verschiedenen Gaskomponenten zum Einsatz, um damit eine große Bandbreite an Kalibriergasen für unterschiedlichste analytische Anwendungen herzustellen.

Da die Kalibriergase für jede analytische Anwendung speziell abgestimmt werden, ist es nicht ungewöhnlich, dass eine solche Mischung bis zu 40 Einzelkomponenten enthält, in manchen Fällen sind es sogar noch mehr. Die Herstellung solcher hochspezifischen Gemische erfordert eine präzise Mengenkalkulation und viel Erfahrung, damit Gütequalität und Stabilität auf höchstmöglichem Standard gewährleistet sind.

Auf der Suche nach maximaler Präzision benötigen viele Pharmaunternehmen, Petrochemieunternehmen und weitere Industrien Kalibriermischungen, die von Laboren zertifiziert wurden, die nach ISO 17025 akkreditiert sind. Bei der Produktion dieser Gemische kommen selbstverständlich nur ultrahochreine Gaskomponenten zum Einsatz.

Befüllung und Beschaffenheit der Gasflaschen entscheiden mit

Während des Produktionsprozesses verwendet man unterschiedliche, eigens entwickelte Abfüll- und Flaschenvorbereitungstechniken, um die Exaktheit, Stabilität und konsistente Qualität in gewünschter Güte zu erhalten. Die entsprechenden Verfahren sind das Ergebnis langjähriger Erfahrung und vieler Testreihen und basieren auf einem genauen Detailwissen um das jeweilige Verhalten der Gaskomponenten bei unterschiedlichem Druck und in Kombination mit anderen Komponenten. Durch eine entsprechende Vorbereitung der Gasflaschen und durch Einsatz des jeweils passenden Abfüllverfahrens kann die Stabilität und die Haltbarkeit der Gase deutlich erhöht werden.

Besondere Befülltechniken kommen vor allem zum Einsatz, wenn es um Konzentrationen im ppb- oder sogar im ppt-Bereich geht oder wenn die zu produzierenden Gemische hochreaktive Stoffkombinationen enthalten. Hier ist eine lang anhaltende Stabilität besonders wichtig, aber zugleich auch besonders schwer zu erreichen.

Für viele in Laboren eingesetzte Reinstgase bedeuten Fortschritte in der Gasflaschentechnologie den Wegfall externer Gasreinigungssysteme, die bis dato zur Gewährleistung konsistenter und hoher Reinheitsstandards notwendig sind. Bei Air Products ist es beispielsweise die patentierte BIP® Technologie, die mit einem integrierten Gasreinigungssystem in der Flasche (BIP = built-in purifier) Gase mit weniger als 10 ppb Sauerstoff und weniger als 20 pbb Feuchte vom ersten bis zum letzten in der Flasche enthaltenen Molekül bereitstellen kann. Damit entfallen für die jeweiligen Labormitarbeiter etwaige Schwierigkeiten mit externen Gasreinigungssystemen, da keine Wartung notwendig ist und Leckagen an dieser Stelle nicht mehr auftreten können.

Um Spezialgase mit höchstmöglicher Reinheit zu produzieren, muss die Reinheit also auf unterschiedlichen technologischen und prozessualen Ebenen sichergestellt werden. Da der Bedarf an noch reineren Gasen stetig zunimmt, wird auch zukünftig bei Air Products an weiteren Verbesserungen in der Produktion und Bereitstellung von Gasgemischen geforscht werden.

Über den Autor:

Gary Yates hat in theoretischer Physik promoviert und arbeitet seit 1976 bei Air Products, derzeit als Produktmanager für Analytik und Laboranwendungen. Im Rahmen seiner Tätigkeiten hat er in vielen verschiedenen Industriesektoren umfangreiche Erfahrungen gesammelt. Zu seinen Kunden zählen Großunternehmen mit eigenen Analyseteams sowie kleinere Firmen, die beispielsweise zur Überwachung ihrer Emissionen auf spezielle Dienstleister zurückgreifen. Daneben nutzen auch zunehmend mobile Labors Flaschengase, um ihre Analysen direkt vor Ort durchzuführen.

Über Air Products:

Air Products (Air Products and Chemicals, Inc.) ist einer der führenden Anbieter von Industrie-, Prozess- und Spezialgasen, Hochleistungsmaterialien sowie Anlagen, Technologien und dazugehörigen Dienstleistungen. Seit über 70 Jahren ermöglicht das Unternehmen seinen Kunden, Produkte und Prozesse produktiver, energieeffizienter und nachhaltiger zu gestalten. Mehr als 20000 Mitarbeiter in über 50 Ländern entwickeln innovative Lösungen in den Bereichen "Energie" und "Umwelt" sowie für Wachstumsmärkte wie die Halbleiterindustrie, Wasserstofferzeugung, Kohlevergasung, Erdgasverflüssigung und moderne Schicht- und Klebstoffe. Air Products erzielte im Geschäftsjahr 2012 einen Umsatz von rund 10 Mrd. US-Dollar. Weitere Informationen finden Sie unter http://www.airproducts.de.

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