Roeren is in elk laboratorium een dagelijkse handeling, maar de keuze voor de juiste methode en het juiste apparaat is minder vanzelfsprekend dan het lijkt. De bewegingsvorm, het toerental, de viscositeit van het monster en de temperatuur bepalen samen of menging snel, uniform en reproduceerbaar verloopt — of juist niet. Op deze pagina gaan we diep in op de fysica van roeren, de werking van de belangrijkste apparaattypen en de factoren die de keuze bepalen. Voor schudders en rotatoren verwijzen we naar het aparte artikel over laboratoriumrotatoren en schudders.
Mengen is het homogeniseren van twee of meer stoffen tot een uniform mengsel. In de laboratoriumpraktijk gaat het vrijwel altijd om het verdelen van opgeloste stoffen, vaste deeltjes of gassen door een vloeistof. Volledige menging is bereikt wanneer de concentratie van elke component overal in het vat gelijk is — er zijn geen gradiënten meer in concentratie, temperatuur of dichtheid.
In de praktijk wordt menging gestuurd door twee transportmechanismen:
Actief roeren versnelt het convectief transport en verkort de diffusieafstanden door het monster op te breken in steeds kleinere volumes. Een goed gemengd systeem bereikt uniformiteit niet doordat de diffusie sneller is, maar doordat de te overbruggen afstanden kleiner zijn geworden.
Viscositeit is de weerstand die een vloeistof biedt tegen stromingsvervorming. In praktische termen: hoe hoger de viscositeit, hoe moeilijker de vloeistof stroomt en hoe meer kracht er nodig is om te roeren. Viscositeit is de variabele die meer dan welke andere de keuze van apparaat, roerblad en toerental bepaalt.
De dynamische viscositeit η (eta) beschrijft de inwendige wrijving van een vloeistof en wordt uitgedrukt in Pascal·seconde (Pa·s) of de verouderde eenheid centipoise (cP), waarbij 1 cP = 1 mPa·s. De kinematische viscositeit ν (nu) is de dynamische viscositeit gedeeld door de dichtheid: ν = η/ρ, uitgedrukt in m²/s of de verouderde eenheid centistokes (cSt). In de laboratoriumpraktijk wordt bijna altijd de dynamische viscositeit gebruikt.
Referentiewaarden voor veelgebruikte laboratoriumvloeistoffen bij 20 °C:
Bij newtoniaanse vloeistoffen — water, de meeste organische oplosmiddelen, dunne bufferoplossingen — is de viscositeit onafhankelijk van de schuifspanning: roer je harder, dan stroomt de vloeistof evenredig sneller. Bij niet-newtoniaanse vloeistoffen is dit niet het geval. Er zijn twee relevante typen voor de laboratoriumpraktijk:
Viscositeit is sterk temperatuurafhankelijk — voor de meeste vloeistoffen geldt: hogere temperatuur = lagere viscositeit. Dit verband wordt goed beschreven door de Arrhenius-relatie voor vloeistoffen:
η = A · e(Ea/RT)
Waarbij Ea de activeringsenergie voor visceuze stroming is, R de gasconstante (8,314 J/mol·K) en T de absolute temperatuur in Kelvin. Voor water geldt specifiek:
De viscositeit van water daalt dus met een factor 6,4 tussen 0 °C en 100 °C. Dit heeft directe gevolgen voor de laboratoriumpraktijk:
Voor organische oplosmiddelen is de viscositeitsafhankelijkheid doorgaans minder sterk dan voor glycerol of polyolen, maar nog altijd significant. Aceton heeft bij 20 °C een viscositeit van 0,32 mPa·s — al dunner dan water — en wordt bij 40 °C nog dunner (≈ 0,27 mPa·s).
De aard van de stroming bij roeren — laminair of turbulent — bepaalt in hoge mate de mengefficiëntie. Dit wordt beschreven door het dimensieloze getal van Reynolds (Re):
Re = (ρ · N · D²) / η
Waarbij ρ de dichtheid van de vloeistof is (kg/m³), N het toerental van het roerblad (omwentelingen per seconde), D de diameter van het roerblad (m) en η de dynamische viscositeit (Pa·s).
In de laboratoriumpraktijk betekent dit concreet: bij het roeren van een waterige buffer in een bekerglas van 500 ml met een standaard magneetroerstaaf van 5 cm bij 300 rpm is Re typisch in de orde van 500–2000 — overgangsgebied, redelijk goede menging. Bij hetzelfde toerental in een glyceroloplossing van 80% is Re slechts in de orde van 1–5 — volledig laminair, menging nauwelijks.
De magneetroerder (magnetic stirrer) is het meest gebruikte roerapparaat in het analytisch en preparatief laboratorium. Het principe is eenvoudig: een elektromotor drijft een draaiend magneet aan onder het platform; een magneetroerstaafje — een permanent magneet in een PTFE-coating — volgt dat veld en roteert mee in het vat.
De magneetroerstaaf (stir bar, flea) is verkrijgbaar in een reeks vormen die elk een ander stromingsprofiel geven:
De PTFE-coating is chemisch inert tegenover vrijwel alle organische oplosmiddelen, zuren en basen, maar slijt bij intensief gebruik met abrasieve vaste stoffen. Versleten coating kan metaalcontaminatie in het monster veroorzaken — wissel staafsjes regelmatig en controleer op beschadigingen.
Een zesde variant die minder vaak wordt vermeld maar in visceuze media relevant is, is de H-bar (ook wel retriever-staaf of ring-staaf): een PTFE-staaf met een centrale dwarsrib of ringvorm die de magnetische koppeling bij hogere weerstand verbetert. De H-bar is geschikt voor oplossingen met lichte suspensies of voor media waarbij een cilindrische staaf te snel loskoppelt, zonder dat de sprong naar een overhead roerder noodzakelijk is.
Bij de keuze van de staafvorm gelden drie praktische vuistregels: gebruik de kleinste staaf die nog voldoende menging geeft (minder massa = minder kans op loskoppelen), kies een octagonale of kruis-staaf bij onregelmatige vatbodems (beter bodemcontact), en gebruik een micro-staaf in buizen en vials in combinatie met een multistirrer die meerdere posities tegelijk aandrijft.
Bij lage toerentallen (50–200 rpm voor waterige vloeistoffen) is de stroming laminair en geordend. Naarmate het toerental toeneemt, ontstaat er een vortex: de vloeistof in het midden zakt weg doordat de centrifugaalkracht de vloeistof naar buiten duwt. Een vortex is nuttig — het vergroot de menglengtes en versnelt de overdracht van opgeloste gassen aan het vloeistofoppervlak — maar bij te hoge vortex treden problemen op:
De optimale instelling is het laagste toerental waarbij de vortex net de bodem bereikt — dit geeft maximale axiale menging zonder luchtinname of loskoppeling.
De magneetroerder heeft duidelijke grenzen. Gebruik geen magneetroerder bij:
De verwarmingsplaat met magneetroerder combineert een keramisch of aluminium verwarmingselement met een ingebouwde roterende magneet. Dit maakt gelijktijdig verwarmen en roeren mogelijk — essentieel bij oplossen van moeilijk oplosbare vaste stoffen, het bereiden van agarose, het koken van buffers of het uitvoeren van reacties bij verhoogde temperatuur.
De ingebouwde temperatuursensor van een hotplate meet de temperatuur van het verwarmingsvlak, niet van het monster. Bij gebruik van een oliebad of waterbad als tussenmedium kan het monster 20–50 °C koeler zijn dan de ingestelde vlaktemperatuur. Gebruik altijd een externe Pt100- of thermocouple-voeler gedompeld in het monster voor nauwkeurige temperatuurregeling. Meer over de werking en het meetbereik van PT100, NTC en thermokoppels leest u in het artikel over temperatuurmeting in het laboratorium. Moderne hotplates hebben daarvoor een externe voeleringang. Zonder externe voeler is de temperatuur van het monster in het beste geval een schatting.
Bij verhitting boven 100 °C geldt: zorg voor een terugslagkoeler of een luchtkoeler om verdamping te beperken. Bij ontvlambare oplosmiddelen is werken op een hotplate in open lucht niet toegestaan — gebruik een waterbad of siliconenoliebad als verwarmingsmedium en werk in een zuurkast. Houd een minimale vloeistofhoogte in het vat aan om droogkoken te voorkomen.
Een overhead roerder (ook: mechanische roerder, top-drive stirrer) bestaat uit een elektromotor die via een as een roerblad aandrijft dat in het vat is gedompeld. In tegenstelling tot de magneetroerder is de koppeling direct mechanisch: er is geen magnetisch grensvlak dat kan bezwijken bij hoge belasting.
Overhead roerders zijn beschikbaar in een breed vermogensbereik: van kleine modellen voor volumes van 0,1–5 L bij toerentallen van 20–2000 rpm, tot industriële modellen voor honderden liters bij lage toerentallen met hoog koppel. Het koppel (Nm) — de draaimoment-capaciteit — is de relevante parameter bij hoog-visceuze toepassingen, niet het toerental. Een roerder met hoog maximaal toerental maar laag koppel springt vast in een glycerolrijke oplossing even goed als een magneetroerder.
Het roerblad bepaalt het stromingsprofiel en daarmee de mengefficiëntie voor een specifieke toepassing. De zes meest gebruikte typen in het laboratorium, in oplopende volgorde van viscositeitsbereik:
De keuze tussen deze typen is primair een viscositeitskeuze. Onderstaande tabel geeft de aanbevolen combinaties:
Een vuistregel: de diameter van het roerblad (D) bedraagt 30–50% van de interne vatdiameter (T). Bij D/T < 0,25 is de mengzone te klein en ontstaan dode zones bij de wand. Bij D/T > 0,6 neemt de kracht op de as sterk toe en bestaat het risico op beschadiging van het monster of het apparaat. Voor anker- en spiraalbladen ligt D/T typisch op 0,90–0,95 omdat het blad juist de wand moet schoonhouden.
Een vortexmenger (vortex mixer, whirlimixer) brengt een buishouder in een snelle, excentrieke beweging die een krachtige wervelstroming in het vat veroorzaakt. Dit is de snelste manier om kleine volumes (0,5–50 ml) volledig te mengen — typisch in enkele seconden.
Het werkingsprincipe: de motor drijft een excentrieke schijf aan die de vaathouder in een kleine, snelle cirkelvormige beweging brengt. De vloeistof in het vat volgt die beweging niet volledig — er ontstaat een intensieve roterende wervelstroom die het monster in zeer korte tijd homogeniseert.
Vortexmengers werken in twee modi:
De vortexmenger is uitstekend geschikt voor:
Gebruik geen vortexmenger bij:
De relatie tussen toerental, vermogen en viscositeit is niet lineair. Het benodigde vermogen P om een roerblad op toerental N te draaien in een vloeistof met viscositeit η en dichtheid ρ wordt beschreven door:
P = NP · ρ · N³ · D⁵
Waarbij NP het dimensieloze vermogengetal (Power number) is — een bladspecifieke constante die afhangt van het Reynolds-getal en de bladgeometrie. Voor een standaard Rushton-turbine bij volledig turbulente stroming is NP ≈ 5. Voor een propellerblad is NP ≈ 0,3. Dit betekent dat bij gelijkblijvend toerental en vatafmeting een Rushton-turbine circa 17× meer vermogen verbruikt dan een propellerblad — maar ook aanzienlijk meer turbulentie en gasverspreiding genereert.
Praktische implicaties:
De mengtijd θm — de tijd tot volledige homogenisatie — is in de turbulente stroming omgekeerd evenredig met het toerental:
θm · N = constante (≈ 30–60 voor standaard geometrieën)
Dit betekent dat bij 300 rpm de mengtijd typisch 6–12 seconden bedraagt voor een goed ontworpen opstelling. Bij 60 rpm is dat 30–60 seconden. In de laminaire stroming (hoog-visceuze vloeistoffen) schaalt de mengtijd veel ongunstiger — hier domineert diffusief transport en zijn mengtijden van minuten tot uren normaal voor uniforme verdeling over afstanden van centimeters.
Reproduceerbaarheid van mengcondities is in analytisch werk even belangrijk als de juiste apparaatkeuze. Houd daarvoor rekening met het volgende:
Labvakhandel levert magneetroerders, hotplates met roerder, overhead roerders en vortexmengers voor uiteenlopende laboratoriumtoepassingen: van eenvoudige analytische opstelling tot veeleisende preparatieve toepassingen. Bekijk het volledige assortiment in de categorie roeren, schudden & mengen, of neem contact op voor advies bij de keuze van het juiste roerblad of de juiste roerder voor uw viscositeit en volume.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
