Glas im Labor – Altbekannt mit neuen Anwendungen

In Chemie und Pharmazie ist Glas ein selbstverständlicher Begleiter – mit überraschenden Entwicklungen. Der Werkstoff könnte gegenüber Kunststoff Terrain gutmachen.

Glas lässt sich zu 100 Prozent recyceln, ist damit beliebig oft wiederverwendbar. Geräte aus diesem Material erweisen sich als besonders langlebig, und diese Eigenschaft hat man über Jahrzehnte steigern können.

Ein kleines, aber wichtiges Detail ist zum Beispiel die Beständigkeit der Ringmarke auf Vollpipetten und anderen Volumenmessgeräten. Sie lässt sich bei aktuellen Ausführungen selbst nach hunderten Waschzyklen immer noch gut ablesen.

Präzision mit Glasmessgeräten

Abmessen von Flüssigkeiten funktioniert heute mit Messgeräten aus Glas oder aus Kunststoff. Im Labor ist es aber nach wie vor so: Am präzisesten misst der Laborant mit Volumenmessgeräten der Klasse A, das ist die höchste Genauigkeitsklasse nach DIN EN ISO, aus Glas. Die entsprechenden Messkolben, -zylinder oder Vollpipetten sind in der Pharma-Qualitätskontrolle, in der chemischen Industrie, in der Wasser-, Lebensmittel- und Umweltanalytik nach wie vor weit verbreitet.

Das halb- oder vollständig automatisierte Liquid Handling mit Flaschenaufsatzdispensern und Mikroliterpipetten, die mehrere Materialien kombinieren, mag praktischer sein. Im Wettbewerb um die genaueste Volumenbestimmung liegen Vollpipette (nach DIN EN ISO 648) und Messkolben (nach DIN EN ISO 1042) deutlich vor dem mechanischen Dispenser. Der klassische Messzylinder landet allerdings nur auf Platz vier.

Bei einer Abmessung von 50 Millilitern messen Vollpipette und Messkolben auf ±0,05 Milliliter genau. Beim mechanischen Dispenser liegt diese Fehlergrenze sechs- bis siebenmal so hoch (±0,35 Milliliter), und der Messzylinder kommt auf ±0,5 Milliliter.¹⁾

Beständig gegen Hitze, Chemikalien und mehr

Für Anwendungen unter Hitze wurden in den letzten Jahrzehnten festere und besonders spannungsfreie Gläser entwickelt, sodass heute 250 °C in Trockenschrank und Sterilisator kein Problem mehr sind (zum Beispiel Blaubrand, Brand, Wertheim). Allerdings gilt für die Laborpraxis schnelle Temperaturwechsel zu vermeiden, daher zum Beispiel Gerät in den kalten Trockenschrank/Sterilisator stellen, dann erst aufheizen, nachher im abgeschalteten Ofen langsam abkühlen lassen.

Eine Gebrauchstemperatur um 250 °C, nahezu inertes Verhalten und chemische Resistenz, minimale Wärmeausdehnung (Wärmeausdehnungskoeffizient WAK etwa 3,3 · 10⁻⁶ K⁻¹) sowie die hierdurch resultierende hohe Temperaturwechselbeständigkeit gehören zu den kennzeichnenden Eigenschaften moderner Laborgläser. Diese chemische und physikalische Basis prädestiniert vor allem Borosilikatglas (zum Beispiel Boro 3.3, das der Hersteller Witeg ausschließlich verwendet) für Synthese-, Analysen- und Biotech-Labore.

Boro 3.3 ist in Medizin, Pharmazie und Chemie nicht zu ersetzen und gilt als technisches Universalglas in allen Anwendungsbereichen, in denen extreme Hitzebeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, mechanische Festigkeit sowie außergewöhnliche chemische Beständigkeit Voraussetzung sind. Kunststoffe weisen diese Eigenschaften nur bedingt oder überhaupt nicht auf.

Vorteil Autoklavierbarkeit

Zusätzliche Anforderungen gibt es an Geräte, die mit gentechnisch veränderten Organismen oder infektiösem Material wie Viren in Berührung kommen. Sind Laborgeräte damit verunreinigt, müssen sie neben der Reinigung mindestens eine Behandlung mit Desinfektionsreinigern durchlaufen oder eine Dampfsterilisation (Autoklavierung), um alle vermehrungsfähigen Mikroorganismen zu töten oder irreversibel zu inaktivieren. Das geschieht mit gesättigtem Wasserdampf bei 121 °C und 2 bar gemäß DIN EN 285. Wenn sich das betreffende Gerät der Form nach eignet – also wenn der Dampf überall hinkommt –, sind Borosilikatgläser immer autoklavierbar. Dies trifft nicht auf jeden Laborkunststoff zu. Polycarbonat verliert bei der Dampfsterilisation an Festigkeit, daher dürfen Polycarbonat-Zentrifugenröhrchen niemals autoklaviert werden. Andere Kunststoffe dürfen nicht gestapelt werden, weil sich dabei ihre Form verändert.

Einschränkungen

Nicht für alle Anwendungen im Labor eignet sich Glas. Säuren greifen Glas nicht an – mit Ausnahme von Flusssäure. Lauge mit einem pH-Wert über 9 schädigt Glas, auch weil Hydroxylionen nicht aufgebraucht werden: Nach Bruch der Si-O-Bindung wird Wasser eingebaut, und OH^–-Ionen werden wieder frei. Selbst unter Wassereinfluss kann durch Reaktion mit Glas ein alkalisches Milieu entstehen, das nicht jedem Pharmazeutikum zuträglich ist. Dafür existieren entsprechend Prüfverfahren.²⁾ Pharmazeutische Gläser können zum Beispiel nach ISO 4802³⁾ auf Wasserbeständigkeit getestet werden: Glasbehälter mit entionisiertem Wasser füllen; die von der Norm vorgegebene Temperaturkurve durchlaufen lassen, mit Salzsäure titrieren und prüfen, ob die errechneten Natriumoxidäquivalente unterhalb des Grenzwerts liegen.

Gläser für Laboranwendungen weiterentwickeln

Mechanische Beständigkeit, thermische und chemische Resistenz von Gläsern werden kontinuierlich verbessert. Eine Strategie beruht beispielsweise auf speziellen Kunststoffschutzüberzügen. Sie sollen insbesondere die Bruchsicherheit von Gläsern im Vakuum unterstützen und erhöhen. Reaktionen unter Ausschluss von Luft oder Sauerstoff ließen sich dann mit einem Plus an Sicherheit durchführen.

Für Messgeräte wie Pipetten, Messkolben, Büretten geht eines der Forschungsprojekte in Richtung autoklavierbare Glasschutzüberzüge. Auch hierbei werden die Vorteile von Glas und Kunststoff kombiniert.

Reaktoren und ihre Geometrie

Forschende der TU Bergakademie Freiberg haben die Herstellung von Glas in Pharma-/Lebensmittelindustrie-Qualität verbessert. Hier geht es um die chemische Verfestigung. Glas wird, um es zu festigen, in eine Nitratsalzschmelze getaucht. Diese ist jedoch giftig und verliert nach und nach ihre Fähigkeit zur Glasverfestigung. Die Wissenschaftler haben nun mit einem ungiftigen und 100-prozentig recycelbaren Revitalisierungsmaterial die Nutzungsdauer der Nitratsalzschmelze verdoppelt. Damit sinken die Kosten sowohl für den regelmäßigen Austausch als auch für die Entsorgung. Im Zusammenspiel mit einem Schnellverfestigungsverfahren, das ebenfalls an der TU Freiberg entwickelt wurde, könnte ein neuer Standard für hochfeste Gläser in Pharma-Qualität entstehen. Eine Ausgründung mit dem Namen Revisalt soll die Entwicklung nun auf den Markt bringen.⁴⁾

Die aus Glas herstellbaren Formen werden vielfältiger. War man es hier bisher gewohnt, werkstoffgerecht mit rund gleichzusetzen, so führt ein neuer Weg über eine Glas-Graphit-Pulvermischung, aus der sich ein Rohstoff für Spritzgussverarbeitung herstellen lässt. Damit lassen sich ohne die bisher üblichen Flusssäure-Ätzprozesse mikrometergenaue Strukturen erzeugen – und das optional aus einem elektrisch leitfähigen oder selbstheizenden Glas. Mit diesem Verfahren schafft das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden die Voraussetzung für Glasmikroreaktoren mit unbeschränkter Geometrie für die Chemie- und Pharmaindustrie.⁵⁾

Der promovierte Chemiker Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.

• ¹ www.brand.de/unternehmen/newsroom/volumenmessgeraete (Zugriff am 19.3.2022)
• ² T. Bach, GIT Labor-Fachzeitschrift 3/2021, 38–40
• ³ DIN ISO 4802–1:2017–02: Glasartikel-Wasserbeständigkeit der inneren Oberfläche von Glasbehältern – Teil 1: Bestimmung nach der Titrationsmethode und Klasseneinteilung.
• ⁴ www.chemie.de/news/1175335/start-up-revisalt-entwickelt-oekologische-salzbadregeneration-zur-herstellung-hochfester-glaeser.html?utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campaign=chemde&WT.mc_id=ca0259 (Stand 4.4.2022)
• ⁵ www.ikts.fraunhofer.de/de/presse/pressemitteilungen/2022_3_29_p_glas_lernt_ selbst_zu_leuchten_und_zu_heizen.html (Stand 1.4.2022)

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