DE60125873T2

DE60125873T2 - Hochdruck Parallelreaktor

Info

Publication number: DE60125873T2
Application number: DE60125873T
Authority: DE
Inventors: Lynn Livermore Van Erden; Howard Campbell Turner; David Mountain View Lowe
Original assignee: Symyx Technologies Inc
Current assignee: Symyx Solutions Inc
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2021-07-14
Also published as: EP1174185A3; US7556966B2; US20060147354A1; US7018589B1; EP1174185B1; US20040151641A1; DE60125873D1; US7754165B2; US7172732B2; US20070154361A1; US7141218B2; US20030161763A1; EP1174185A2

Description

SACHGEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf parallele Batch-Reaktoren, und, insbesondere, auf Hochdruckreaktoren für eine parallele Synthese und Selektierung von Materialien.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Entdeckung von neuen Materialien mit neuartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften führt oftmals zu der Entwicklung neuer und nützlicher Technologien. Die Entdeckung neuer Materialien hängt stark von der Fähigkeit ab, neue Verbindungen zu synthetisieren und zu analysieren. Wissenschaftler suchen deshalb immer nach einer effizienteren, ökonomischeren und systematischeren Maßnahme für die Synthese neuartiger Materialien. Kombinatorische Technologien werden oftmals verwendet, um die Untersuchungsgeschwindigkeit zu beschleunigen, die Möglichkeit von durchgreifenden Erkenntnissen zu maximieren und die Menge an verfügbaren Informationen zu erweitern. Die kombinatorische Chemie setzt ein Synthetisieren von Mengen einer Verbindung im Mikromaßstab und dann schnelles Testen tausender Verbindungen ein.
Die Verwendung kombinatorischer Technologien ermöglicht hoch dichte Bibliotheken mit einer sehr großen Anzahl von Materialien, die unter Verwendung einer parallelen Synthese erzeugt werden. Siebe mit hohem Durchsatz werden dann verwendet, um diese Materialien in Bezug auf die erwünschten Eigenschaften zu testen, um potenzielle, optimierte Verbindungen zu identifizieren. Kombinatorische Technologien können dazu verwendet werden, viele Variationen eines Materials, einer Mischung oder einer Mikrovorrichtung zu optimieren und zu validieren. Variablen, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Atmosphäre und Konzentration, können schnell in einem einzelnen Experiment eingestellt und getestet werden.
Bei der parallelen Synthese werden unterschiedliche Verbindungen in getrennten Behältern, oftmals in einer automatisierten Weise, synthetisiert. Ein herkömmlich verwendetes Format für eine parallele Synthese ist eine Mikrotiterplatte mit vielen Vertiefungen. Ein Roboter-Instrumentarium kann verwendet werden, um unterschiedliche Reagenzien oder Katalysatoren in einzelne Vertiefungen einer Mikrotiterplatte in einer vorgegebenen Art und Weise hinzuzufügen, um kombinatorische Bibliotheken bzw. Libraries zu erzeugen. Vorrichtungen sind für ein Automatisieren einer kombinatorischen, parallelen Synthese entwickelt worden. Eine solche Vorrichtung umfasst Reaktionsblöcke, die mehrere Reaktor- bzw. Reaktionsbehälter, wobei jeder einzeln abgedichtet ist, enthalten. Diese Vorrichtungen erfordern oftmals wesentliche Dichtanordnungen und stellen keine Einrichtungen dar, um die einzelnen Behälter unter Druck zu setzen. Andere Vorrichtungen führen ein Inertgas zu einer Vielzahl von Reaktionsbehältern zu, allerdings wird das Gas nur bei einem oder zwei psi oberhalb des Atmosphärendrucks zugeführt, um die Umgebung während der Reaktion zu kontrollieren. Diese Vorrichtungen sind nicht dazu ausgelegt, einem Betrieb unter hohem Druck standzuhalten.
Die WO 00 03 805 beschreibt ein chemisches Mikrotiter-Reaktionssystem, das ein Tragegestell aufweist, das ein Feld aus Reaktionsvertiefungen besitzt, wobei jede Reaktionsvertiefung ein offenes, oberes Ende und ein geschlossenes Bodenende besitzt. Das Dokument D1 beschreibt weiterhin eine poröse, gaspermeable Schicht, die über dem Tragegestell angeordnet ist, wobei die gaspermeable Schicht ein Feld aus Löchern darin besitzt, wobei jedes Loch über das offene, obere Ende jeder der Vielzahl der Reaktionsvertiefungen positioniert ist.
Die WO 97 45 443 beschreibt eine modulare Vorrichtung für die chemische Synthese, bei der eine große Vielzahl von unterschiedlichen, organischen, chemischen Reaktionen gleichzeitig in einer Ansammlung von einfachen Reaktionsbehältern durchgeführt werden kann. Die modulare Vorrichtung weist einen Reaktionsblock mit einer oberen Fläche, die ein Feld aus gleichförmig dimensionierten Vertiefungen in der Oberfläche besitzt; und mindestens einen Funktionsblock, wobei der Funktionsblock eine Vielzahl von Durchgangskanälen von der oberen Fläche des Funktionsblocks zu der unteren Fläche des Funktionsblocks besitzt, wodurch der Reaktionsblock und der Funktionsblock zusammen eine Ansammlung von Innenräumen in der Vorrichtung bilden, um eine Vielzahl von Reaktionsbehältern darin zu halten; auf.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen parallelen Batch-Reaktor und ein Verfahren zum Betreiben desselben zu schaffen, wobei die Vorrichtung so ausgelegt ist, um einem Betrieb unter hohem Druck standzuhalten, und wobei eine Verbindung zwischen den Reaktionsvertiefungen und der Druckkammer vorhanden ist, während eine Kreuzkopplung zwischen den Reaktionsvertiefungen verringert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.
Andere Merkmale, Vorteile und Ausführungsformen der Erfindung werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen erschlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Explosionsansicht eines Reaktionsbehälters der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reaktionsbehälters der 1.
3 zeigt eine Draufsicht des Reaktionsbehälters der 1.
4 zeigt eine Seitenansicht des Reaktionsbehälters der 1.
5 zeigt eine Vorderansicht des Reaktionsbehälters der 1.
6 zeigt eine Draufsicht des Reaktionsbehälters der 1, wobei innere Teile des Behälters angedeutet dargestellt sind.
7 zeigt eine Querschnittsansicht des Behälters, vorgenommen entlang der Ebene, die die Linie 7-7 der 6 umfasst.
8 zeigt eine Querschnittsansicht des Behälters, vorgenommen entlang der Ebene, die die Linie 8-8 der 6 umfasst.
9 zeigt eine Querschnittsansicht des Behälters, vorgenommen entlang der Ebene, die die Linie 8-8 der 6 umfasst, wobei Schraubenfedern an einem geschlossenen Boden der Reaktionsbehälter angeordnet sind, um Flächen innerhalb der Vertiefung nach oben gegen eine Abdeckplatte zu drücken.
10 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren darstellt, das den Reaktionsbehälter der 1 verwendet.
11 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Vergleichsbeispiels eines Reaktionsbehälters.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht des Reaktionsbehälters der 11 in einer offenen Position.
13 zeigt eine Querschnittsansicht des Reaktionsbehälters der 11.
Entsprechende Bezugszeichen geben entsprechende Teile durch die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen hinweg an.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die nachfolgende Beschreibung wird angegeben, um einem Fachmann auf dem betreffenden Fachgebiet zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen und zu verwenden. Beschreibungen von spezifischen Ausführungsformen und Anwendungen sind nur als Beispiele vorgesehen und verschiedene Modifikationen werden leicht für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ersichtlich werden. Zum Zwecke der Deutlichkeit sind Details, die sich auf technisches Material beziehen, das auf den technischen Gebieten bekannt ist, zu denen die Erfindung in Bezug steht, nicht im Detail beschrieben worden.
In den Zeichnungen nun, und zunächst in den 1-6, ist eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung dargestellt und allgemein mit 20 bezeichnet. Die Vorrichtung 20 weist einen Reaktionsbehälter auf, der eine Druckkammer 26 und eine Vielzahl Reaktionsvertiefungen 30 innen in Bezug auf den Reaktionsbehälter definiert und zu der Druckkammer hin frei gelegt ist. Die Druckkammer 26 wird mit einem Inertgas, um Komponenten innerhalb der Reaktionsvertiefungen unter Druck zu setzen, oder einem Gas, das ausgewählt ist, um mit den Komponenten innerhalb der Reaktionsbehälter zu reagieren, unter Druck gesetzt. Der gemeinsame Druckbeaufschlagungsbereich, der durch die Druckkammer 26 definiert ist, vereinfacht das Abdichten, das verglichen mit einzel abgedichteten Reaktionsvertiefungen herkömmlicher Vorrichtungen erforderlich ist. Weiterhin setzt die gemeinsame Druckkammer 36 jede Reaktionsvertiefung 30 allgemein demselben Druck aus, wogegen einzeln unter Druck gesetzte Reaktionsvertiefungen oftmals variierenden Drücken aufgrund von Leckagen oder einem ungleichmäßigen Füllen (wenn erwärmt wird) ausgesetzt sind, was eine unerwünschte Variabilität bei dem Testen mit sich bringt.
Die Vorrichtung 20 kann dazu verwendet werden, eine parallele Synthese oder Selektierung von Materialien oder anderen Experimenten, die Reaktionen mehrerer Komponenten einsetzen, durchzuführen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 20 für Reaktionen verwendet werden, bei denen eine Komponente oder mehrere Komponenten ein Gas ist, wie beispielsweise Hydrierungen, Karburierungen, Oxidationen und Polymerisationen mit gasförmigen Monomeren. Die Vorrichtung kann auch mit homogenen, chiralen oder heterogenen Katalysatoren (d. h. Katalysatoren, die ermöglichen, dass katalytische Reaktionen mit den Reaktanten und Katalysatoren, die in unterschiedlichen Phasen vorliegen (z. B. Feststoff/Flüssigkeit, Feststoff/Gas, Flüssigkeit/Gas) auftreten) oder Polyolefin und Butylgummipolymerisationen verwendet werden. Es sollte auch verständlich sein, dass die Anwendungen, die hier beschrieben sind, nur Beispiele von Anwendungen der Vorrichtung 20 und der Verfahren der vorliegenden Erfindung sind und dass die Vorrichtung für andere Anwendungen eingesetzt werden kann, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Wie in den 1-3 dargestellt ist, besitzt der Reaktionsbehälter eine insgesamt rechteckige Form und weist zwei Abschnitte auf; ein Basiselement 32 und ein oberes Element (oder eine Abdeckung) 34 (1 und 2). Die Kombination der Basis 32 und der Abdeckung 34 bildet einen Verteiler allgemein in der Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds. Innere Oberflächen der Basis 32 und der Abdeckung 34 definieren einen inneren Hohlraum, der die Druckkammer 26 bildet (7 und 8). Die Druckkammer kann ein Volumen von ungefähr zehn Kubik-Inch, zum Beispiel, haben. Das Basiselement 32 umfasst einen Boden 40, ein Paar gegenüberliegender Seitenwände 32 und ein Paar gegenüberliegender Endwände 44 (4 und 5). Die Abdeckung 34 umfasst einen Umfangsflansch 48, der so aufgebaut ist, um zu dem Umfangsflansch 50 zu passen, der sich von den Wänden 42, 44 des Basiselements 32 aus erstreckt (1 und 2). Die Flansche 48, 50 der Abdeckung 34 und der Basis 32 umfassen eine Vielzahl von Öffnungen 32 (zehn sind dargestellt), um Bolzen 54, Schrauben oder andere Befestigungsmittel aufzunehmen. Die Basis 32 und die Abdeckung 34 können durch andere, geeignete Befestigungsmittel, wie beispielsweise Klammern, befestigt werden. Die Basis 32 umfasst eine Nut 58, die sich um einen Umfang davon zum Aufnehmen einer Dichtung 60 (1, 7 und 8) erstreckt. Die Dichtung 60 ist zwischen der Basis 32 und der Abdeckung 34 zwischengefügt, um eine Dichtung dazwischen zu erzielen. Die Nut 58 für die Dichtung 60 kann in entweder einer Bodenfläche des Flanschs 48 der Abdeckung 34 oder einer oberen Fläche des Flansch 50 der Basis 32 eingearbeitet sein. Die Dichtung 60 kann ein O-Ring, gebildet aus PTFE, Neopren, Butylgummi, mit Teflon beschichtetem Elastomer, Viton, expandiertem Teflon, Grafit, oder Kalrez, zum Beispiel, sein.
Der Reaktionsbehälter umfasst eine Einlassöffnung 70 in einer Flüssigkeitsverbindung mit der Druckkammer 26 (2 und 6). Eine Schnelllösebefestigung 72 ist vorzugsweise an der Einlassöffnung 70 zum Befestigen der Öffnung an einem flexiblen Schlauch oder einem festen Rohr (nicht dargestellt), verbunden mit einer Druckversorgungsvorrichtung, verbunden. Der flexible Schlauch oder das feste Gaszuführrohr kann während eines Experiments verbunden verbleiben und das Füllventil kann offen verbleiben. Wenn ein Vakuum an die Kammer 26 angelegt werden soll, kann eine Vakuumversorgungsvorrichtung mit der Drucköffnung 70 oder einer anderen Einlassöffnung an dem Reaktionsbehälter befestigt sein. Ein Füllventil 74 ist an der Einlassöffnung befestigt, um das Anlegen eines Drucks an den Behälter zu kontrollieren. Das Füllventil 74 kann ein manuelles oder elektronisches Drucksteuerventil haben. Ein Drucksensor (nicht dargestellt) kann in Reihe mit dem Füllventil 74 eingesetzt sein oder kann in die Druckkammer 26 oder eine oder mehrere der Reaktionsvertiefungen) 30 eingesetzt sein, um den Druck innerhalb des Behälters bzw. Kessels zu überwachen. Das Einlasszuführsystem kann eine Reihe von Entleerungs-Belüftungs- oder Druckbeaufschlagungs-Zyklen mit einem oder mehreren Gasen oder mit Vakuum, ohne die Zuführleitungen zu trennen, ermöglichen. Die Druckquelle kann ein Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff, Argon, Helium, Kohlendioxid, oder Luft, oder ein reaktives Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, Sauerstoff, Wasserstoffchlorid oder Ammoniumdioxid, sein. Mischungen aus Gasen können auch verwendet werden. Der Reaktionsbehälter umfasst weiterhin eine Öffnung für ein Druckablassventil 78, um einen Überdruck an dem Behälter zu verhindern.
Die Basis 32 und die Abdeckung 34 können aus Aluminium, Titan, Stahl oder irgendeinem anderen, geeigneten Material gebildet sein. Das Material des Reaktionsbehälters wird vorzugsweise so ausgewählt, dass es chemisch für die Reaktion, die von Interesse ist, inert ist und ermöglicht, dass der Behälter unter einer hohen Temperatur (z. B. 150-250°C) und einem hohen Druck (10-1000 psig) betrieben wird. Zum Beispiel kann, wenn die Vorrichtung bei 290 psig und 150°C (z. B. Verwendung von gasförmigem Monomer oder einem Reagenz) betrieben wird, 6061-T6 Aluminium, das hart-eloxiert worden ist, verwendet werden. Wenn der Betriebsdruck 1000 psig und die Betriebstemperatur 200°C beträgt, kann das Material 17-4PH, H1100 rostfreier Stahl oder 0A1-4V Titan sein. Für einige Anwendungen kann der rostfreie Stahl oder ein anderes Material beschichtet sein oder auf der Oberfläche behandelt sein. Es sollte auch verständlich sein, dass die Temperatur oder der Druck, der an den Reaktionsbehälter angelegt ist, oder die Materialien, die verwendet werden, um die Basis 32 und die Abdeckung 34 zu bilden, unterschiedlich als diejenigen sein können, die hier beschrieben sind, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Der Reaktionsbehälter ist vorzugsweise so ausgelegt, um Drücken standzuhalten, die im Wesentlichen oberhalb Atmosphärendruck (d. h. 14,7 psi) liegen. Der Behälter ist vorzugsweise so ausgelegt, um Drücken oberhalb von 10 psig, und noch bevorzugter Drücken oberhalb von 50 psig, standzuhalten. Der Behälter kann auch zum Beispiel so ausgelegt sein, um bei Drücken von 15 psig, 20 psig, 30 psig, 40 psig, 100 psig, 300 psig, 500 psig, 1000 psig, oder anderen, ausgewählten Drücken, zu arbeiten. Der Behälter ist vorzugsweise so ausgelegt, um Temperaturen bis zu 200°C standzuhalten, kann allerdings auch so ausgelegt sein, um bei 250°C, 315°C, oder höheren Temperaturen, zu arbeiten.
Die Reaktionsvertiefungen 30 sind vorzugsweise integral mit dem Basiselement 32 oder einem anderen Element, das mit dem Basiselement verbunden ist, gebildet. Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, sind die Vertiefungen 30 in eine obere, ebene Fläche 80 des Basiselements 32 eingearbeitet. Die Vertiefungen 30 sind vorzugsweise so nahe wie möglich zueinander eingearbeitet. Ähnlich ist eine Bodenfläche 84 der Vertiefung 30 mit einem ausreichenden Material belassen, um Drücken, die auf die Vertiefung aufgebracht werden, standzuhalten. Das Basiselement 32 kann auch als eine Temperatursteuereinrichtung zum Steuern der Reaktionstemperatur in den Reaktionsvertiefungen 30 dienen, wobei in diesem Fall die Bodenfläche 84 der Reaktionsvertiefungen 30 so dimensioniert ist, um die erforderliche Leitfähigkeit zwischen einer externen Wärmequelle, wie beispielsweise einer Heizplatte, auf der der Reaktionsbehälter, und die Reaktionsvertiefungen, angeordnet sind, zu erzielen. Der Reaktionsbehälter kann zum Beispiel auf einer Temperatursteuerplatte angeordnet sein, die zu der unteren Fläche des Reaktionsbehälters für die Übertragung thermischer Energie dazwischen fortführend ist. Die thermische Steuerplatte kann eine Platte sein, die aus einem thermisch leitfähigen Material, mit Durchgängen, um ein Heiz- oder Kühlfluid durch die Platte hindurchzuführen, oder einer anderen, wärmeerzeugenden Vorrichtung, wie dies für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet ausreichend bekannt ist, gebildet ist. Wenn der Reaktionsbehälter zum Beheizen von Komponenten innerhalb der Reaktionsvertiefungen ausgelegt ist, ist der Verteiler vorzugsweise aus einem thermisch leitfähigen Material, wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung, gebildet. Der Reaktionsbehälter kann auch in einem Ofen angeordnet sein, um die Komponenten innerhalb der Reaktionsvertiefungen 30 zu erwärmen.
Die Reaktionsvertiefungen 30 können auch innerhalb eines Blocks, getrennt von der Basis des Reaktionbehälters, gebildet sein. Zum Beispiel können die Reaktionsvertiefungen innerhalb eines Metall-, Nylon-, Teflon- oder eines anderen Polymermaterial-Blocks gebildet sein. Der Block kann eine Mikrotiter-Platte, wie sie nachfolgend beschrieben ist, sein.
Der Reaktionsbehälter ist vorzugsweise so aufgebaut, um einem Format einer Standard-Mikrotiter-Platte zu entsprechen. Die Mikrotiter-Platte ist eine weit verbreitet verwendete Einrichtung, um große Anzahlen von kleinen Proben auf den Gebieten der Biochemie und der Biotechnologie zu handhaben, zu behandeln und zu analysieren. Typischerweise ist eine Mikrotiter-Platte ungefähr 3,4 Inch breit und 5,0 Inch lang und enthält 96 identische Probenvertiefungen in einem rechtwinkligen Feld von 8 mal 12 mit Mitten von 9 Millimetern. Eine breite Vielfalt an Geräten ist für ein automatisches Handhaben, Verarbeiten und Analysieren von Proben in diesem Format einer Mikrotiter-Platte verfügbar. Es sollte verständlich sein, dass, in Abhängigkeit von dem Maßstab der Vorrichtung, der Block eine größere oder eine geringere Anzahl von Reaktionsvertiefungen verschiedener Geometrien, die in irgendeiner Anordnung angeordnet sind, enthalten kann.
In der Ausführungsform, die in den 1-8 dargestellt ist, umfasst die Basis 96 Reaktionsvertiefungen 30 in einem Feld von 8 mal 12, entsprechend zu dem Format einer Standard-Mikrotiter-Platte, die in der Industrie für die Bildschirmselektierung von Verbindungen und biologischen Proben verwendet wird. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Anzahl von Testvertiefungen gleich zu 96 × N, wobei N eine ganze Zahl ist, die von 1-100, vorzugsweise von 1-10, und noch bevorzugter von 1-5, reicht. Die Außendimensionen des Behälters entsprechen vorzugsweise einem Standard-Mikrotiter-Format (z. B. ungefähr 5,0 Inch lang (l), 3,4 Inch breit (w) und 0,5-2,0 Inch hoch (h) (4 und 5)). Zum Beispiel kann der Reaktionsbehälter eine Länge (l) von 5,030 Inch, eine Breite (w) von 3,365 Inch und eine Höhe (h) von 2,175 Inch haben. Es sollte verständlich sein, dass der Reaktionsbehälter Außendimensionen haben kann, die gegenüber dem Standard-Mikrotiter-Plattenformat unterschiedlich sind, oder eine unterschiedliche Anzahl oder Anordnung von Reaktionsvertiefungen 30 haben kann, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann der Reaktor ein Feld von 3 mal 4 Reaktionsvertiefungen haben, wobei jede Vertiefung ein Fluidvolumen von ungefähr 16 Millilitern besitzt. Andere Anordnungen, wie beispielsweise ein Feld von 3 mal 5 oder ein Feld von 100 mal 100, können verwendet werden.
Komponenten, die bei der Synthese oder beim Selektieren verwendet werden, können direkt in die Reaktionsvertiefungen 30 hinzugefügt werden oder die Reaktionsvertiefungen 30 können mit einer inerten Auskleidung ausgekleidet sein, um Reaktionen zwischen Chemikalien und dem Basiselement zu verhindern. Wie in den 7 und 8 dargestellt ist, können kleine Flaschen 90 die Vertiefungen 30 zum Aufnehmen der Komponenten eingesetzt werden. Die Flaschen 90 können aus Glas oder anderen, geeigneten Materialien gebildet sein. Die Flaschen 90 erstrecken sich vorzugsweise oberhalb der Öffnungen der Reaktionsvertiefungen, die in dem Basiselement 32 gebildet sind. Die Glasflaschen 90 können ein Innenvolumen von ungefähr 2 Millilitern, zum Beispiel, haben.
Eine Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92 ist über den Reaktionsvertiefungen 30 angeordnet, um eine Dampfphasen-Kreuzkopplung zwischen benachbarten Vertiefungen 30 (7 und 8) zu verringern. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92 weist Absperrventile auf, die einen Fluss in die Reaktionsvertiefungen 30 zulassen, allerdings die Strömung von den Reaktionsvertiefungen zu der Druckkammer 26 begrenzen. Die Belüfungsfächer innerhalb der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92 können auch mikrobearbeitete Strömungsbegrenzungsvorrichtungen sein.
Eine Schraubenfeder 95 (oder ein elastomeres Material) kann an dem Boden jeder der Reaktionsvertiefungen angeordnet sein, um die Flaschen nach oben zu drücken und die offenen Enden der Flaschen gegen die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92 vorzuspannen, wie dies in 9 dargestellt ist. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92 ist vorzugsweise entnehmbar an dem Basiselement mit Schrauben 98, oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln, befestigt. Die Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92 kann auch mit der Abdeckung 34 verbunden oder integral damit ausgebildet sein, so dass die Vorrichtung automatisch benachbart den offenen Enden der Reaktionsvertiefungen 30 angeordnet wird, wenn die Abdeckung zu dem Basiselement 32 angepasst und verschlossen ist.
Die Materialien des Basiselements 32, der Abdeckung 34, der Strömungsbegrenzungsvorrichtung 92, der Dichtung 60 und der Flaschen 90 sind vorzugsweise so ausgewählt, um chemisch für die Anwendung geeignet zu sein (d. h. werden nicht angegriffen, sind nicht lösbar, erweichen nicht, oder Wechselwirken nicht in anderer Weise mit den Reagenzien, den Lösungsmitteln, den Feststoffen, den Produkten, oder anderen Komponenten, die entweder zu dem Behälter hinzugefügt werden oder während der Reaktionssequenz erzeugt werden). Die Materialien werden auch vorzugsweise so ausgewählt, um sicherzustellen, dass die Reaktanten, die Produkte oder Nebenprodukte der Reaktion nicht absorbiert werden oder in anderer Weise durch die Materialien aufgenommen werden.
10 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Verwenden der Vorrichtung 20 der vorliegenden Erfindung darstellt. Am Schritt 100 wird die Abdeckung 34 von dem Basiselement 32 entfernt (oder in einer offenen Position angeordnet), um einen Zugang zu dem Innenraum des Reaktionsbehälters zu ermöglichen (1 und 10). Wenn die Reaktionsvertiefungen nicht in dem Basiselement gebildet sind, wird der Block, der die Reaktionsvertiefungen enthält, innerhalb des Basiselements 32 positioniert. Die Komponenten, die getestet werden sollen, werden dann innerhalb der Reaktionsvertiefungen 30 angeordnet (Schritt 102). Vorzugsweise variiert die Zusammensetzung der Materialien, die innerhalb jeder der Vertiefungen 30 angeordnet sind, von einer Reaktionsvertiefung zu der nächsten. Die Abdeckplatte 92 wird dann über das Basiselement 32 platziert, wobei die Öffnungen der Befestigungseinrichtungen innerhalb der Platte zu Öffnungen, die in der Basis gebildet sind (oder in dem Reaktionsvertiefungsblock), ausgerichtet sind (Schritt 104). Schrauben 98 oder andere, geeignete Befestigungseinrichtungen werden in die ausgerichteten Öffnungen eingesetzt, um die Abdeckplatte 94 an dem Basiselement 32 zu befestigen. Die Abdeckung 34 wird dann an der Basis 32 mit Schrauben 54 oder anderen Befestigungseinrichtungen befestigt (Schritt 106). Eine Zuführleitung (nicht dargestellt) wird mit der Schnelllösekupplung 72 an der Einlassöffnung 70 verbunden und das Füllventil 74 wird geöffnet, bis der erforderliche Druck innerhalb der Druckkammer 26 erreicht ist (Schritt 108) (6 und 10). Das Gas, das zu dem Behälter zugeführt ist, kann ein inertes Gas oder ein Gas sein, das mit den Komponenten, die in die Reaktionsvertiefungen 30 hinein angeordnet sind, reagiert.
Nachdem das unter Druck gesetzte Gas zu dem Behälter hinzugefügt ist und die Druckkammer 26 den geeigneten Betriebsdruck erreicht hat, wird das Füllventil 74 geschlossen, die Zuführleitung wird entfernt und die gesamte Anordnung wird in einen Ofen eingesetzt oder auf einer Heizplatte angeordnet (Schritte 110 und 112). Eine Agitation der Komponenten innerhalb der Reaktionsvertiefungen 30 kann durch Schütteln oder ein magnetisches Rühren erreicht werden. Zum Beispiel kann die Vorrichtung auf einer Ofen/Schüttelanordnung platziert werden oder ein magnetischer Rührer kann verwendet werden, um die Reaktanten zu mischen. Die Basis 32 und der Deckel bzw. die Abdeckung 34 sind vorzugweise Aluminium oder Titan, falls ein magnetisches Rühren eingesetzt wird. Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, wird der Druck von der Druckkammer 26 über das Füllventil 74 oder einen Auslass oder einer Belüftung innerhalb des Gehäuses weggenommen (Schritt 116). Die Abdeckung 34 wird geöffnet und die Abdeckplatte 92 wird von dem Basiselement 32 entfernt (Schritt 118). Falls Flaschen 90 verwendet werden, werden die Flaschen von den Reaktionsvertiefungen 30 für eine Analyse entfernt oder deren Inhalte werden abgetastet (Schritt 120). Wenn die Materialien direkt in die Reaktionsvertiefungen 30 eingegeben werden, kann eine Pipette oder ein anderes geeignetes Werkzeug verwendet werden, um die Inhalte der Vertiefungen zu entfernen. Die Inhalte der Reaktionsvertiefungen 30 werden dann durch Techniken, die ausreichend für Fachleute auf dem betreffenen Fachgebiet bekannt sind, analysiert.
Die 11-13 stellen ein Vergleichsbeispiel, das nicht der Erfindung entspricht, eines Reaktionsbehälters der vorliegenden Erfindung, allgemein bezeichnet mit 200, dar. Der Reaktionsbehälter 200 umfasst eine Druckkammer 202, die so dimensioniert ist, um eine Mikrotiterplatte 205 aufzunehmen. Die Druckkammer 202 kann aus 6061-T6 Aluminium, oder irgend einem anderen, geeigneten Material, gebildet sein. Der Behälter 200 umfasst ein Füllventil 208 und ein Druckablassventil 210 in Verbindung mit der Druckkammer 202. Der Behälter 200 umfasst weiterhin eine Tür 204, die zwischen einer offenen Position (dargestellt in 12) zum Einsetzen der Mikrotiterplatte 205 und einer geschlossenen Position (dargestellt in 11) zum Bilden einer abgedichteten Druckkammer bewegbar ist. Eine Schnell-Betätigungs-Befestigungsvorrichtung wird verwendet, um die Tür 204 zu deren geschlossenen Position zu bewegen und dichtend die Tür mit der Druckkammer 202 in Eingriff zu bringen. Die Tür 204 kann aus rostfreiem Stahl oder anderen, geeigneten Materialien gebildet sein. Die Tür 204 umfasst zwei Stiftaufnahmeöffnungen 211, die in einer oberen Fläche der Tür gebildet sind und sich in Längsrichtung durch einen Bereich der Tür erstrecken (12). Die Öffnungen 211 sind zum Aufnehmen von Türverriegelungsstiften 212 dimensioniert, die sich nach unten von dem Verriegelungsmechanismus 214 erstrecken. Der Verriegelungsmechanismus 214 ist mit einem Handgriff 216 für eine Bewegung damit verbunden. Der Verriegelungsmechanismus 214 und der Handgriff 216 umfassen jeweils ein Paar Schenkel 218, 220. Die Schenkel 218 des Verriegelungsmechanismus 214 sind so voneinander beabstandet, dass jeder Schenkel benachbart zu einer inneren Fläche der Schenkel 220 des Handgriffs 216 positoniert ist. Die Schenkel 218, 220 sind mit Schrauben oder anderen geeigneten Befestigungsmitteln befestigt, um einen Mechanismus mit vier Stäben zu bilden. Die Tür 204 kann auch mit dem Handgriff 216 so verbunden sein, dass sich die Tür zu deren geschlossenen Position hin dreht, wenn der Handgriff nach oben gedreht wird.
Wenn sich der Handgriff 216 in seiner offenen Position befindet, befindet sich der Verriegelungsmechanismus 214 in einer angehobenen Position (12). Wenn der Handgriff 216 nach oben gedreht wird, zieht er den Türverriegelungsmechanismus 214 nach unten entlang einer linearen Achse und drückt die Stifte 212 in die Stiftaufnahmeöffnungen 211 innerhalb der Tür 204, wenn die Tür nach oben durch den Handgriff gedreht wird (11). Der Handgriff 216 umfasst Verriegelungselemente 224, die an den Schenkeln 220 davon befestigt sind, um die Tür 204 in deren geschlossener Position zu verriegeln. Wenn sich die Tür 204 in deren geschlossener Position befindet, befindet sich eine innere Fläche 226 der Tür in einem dichtenden Eingriff mit einer Nut, die sich um den Umfang der Öffnung in der Druckkammer 202 herum erstreckt, und ein O-Ring 230 ist darin positioniert. Eine mittels Feder vorgespannte Klemmvorrichtung 240 ist benachbart dem Ende der Platte 205 gegenüberliegend der Tür 204 positioniert, um die Platte an Ort und Stelle zu halten. Eine Schnell-Betätigungs-Befestiungsvorrichtung ermöglicht ein schnelles und einfaches Öffnen und Verschließen des Behälters, ohne das Erfordernis, Schrauben oder andere Befestigungsmittel zu lösen und festzuziehen. Die gesamte Anordnung 200 kann in einem Ofen oder einer orbitalen Schütteleinrichtung angeordnet sein. Wie vorstehend dargestellt und beschrieben ist, ist der Behälter 200 kompakt, da er spezifisch zum Aufnehmen einer Mikrotiterplatte dimensioniert ist. Zum Beispiel kann der Behälter 200 eine Länge (L) von 7,625 Inch haben. Es sollte auch verständlich sein, dass der Behälter unterschiedliche Anordnungen haben kann als solche, die hier dargestellt und beschrieben werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann der Behälter 200 so dimensioniert sein, um mehr als eine Mikrotiterplatte aufzunehmen, oder kann einen Schnelllösemechanismus haben, der unterschiedlich gegenüber demjenigen ist, der dargestellt ist.
Die nachfolgenden Beispiele stellen, obwohl sie nicht entsprechend der vorliegenden Erfindung sind, Prinzipien und Vorteile der Erfindung dar.
Beispiel 1: Heterogene Katalyse
Der Reaktionsbehälter, der für dieses Experiment verwendet wurde, war aus 6061-T6 Aluminium gebildet und besaß 96 Reaktionsvertiefungen. Die folgenden Komponenten wurden zuerst in einer Glasflasche mit 4 ml hinzugefügt, um eine Lösung zu bilden:
10,9 mg von 1 % Palladium auf aktiviertem Kohlenstoff;
3,090 ml Äthylalkohol; und
0,020 ml Nitrobenzen.
Die Flasche wurde mit der Hand geschüttelt und dann auf eine Rührplatte aufgesetzt, um, unter Verwendung eines magnetischen Mikrorührstabs, innerhalb der Flasche zu mischen. Proben, die 0,377 ml der Lösung enthielten, wurden in zwei der 96 Vertiefungen pipettiert. Der Reaktor wurde dann mit einem O-Ring abgedichtet und die Abdeckung wurde über der Basis des Reaktors angeordnet. Schrauben wurden in die ausgerichteten Öffnungen der Basis und des Deckels eingesetzt und mit einem Drehmoment von 10 ft-Ibs angezogen. Eine Gaszuführleitung wurde an dem Reaktionsbehälter befestigt und der Behälter wurde dreimal unter Druck gesetzt und belüftet, um die Luft innenseitig zu entfernen. Der Behälter wurde dann mit reinem Wasserstoffgas mit 30 psig unter Druck gesetzt. Das Füllventil wurde geschlossen und die Gasleitung wurde abgetrennt, bevor die Vorrichtung in einem Mischofen angeordnet wurde. Der Reaktor wurde bei 30 °C für eine Stunde während des Mischens beheizt. Der Behälter wurde dann belüftet und geöffnet. Eine Dünnschichtchromatografie (TLC) und eine Hochdruckflüssigkeitschromatografie (HPLC) wurden durchgeführt und zeigten, dass das Nitrobenzen in beiden Vertiefungen vollständig umgewandelt wurde und nur das erwünschte Produkt, Anilin, erfasst wurde.
Beispiel 2: Kreuzkopplung
In dem folgenden Beispiel wurden zwei Aluminium-Reaktionsbehälter, jeder mit 96 Reaktionsvertiefungen, verwendet. Einer der Reaktionsbehälter umfasste ein Septumblatt (Strömungsbegrenzungsvorrichtung), das durchstochene Löcher, ausgerichtet jeweils zu den Reaktionsvertiefungen, besaß. Der andere Reaktionsbehälter besaß keine Strömungsbegrenzungsvorrichtung, um die Kreuzkopplung zwischen Reaktionsvertiefungen zu verringern. Abschnitte aus reinem Toluen wurden in acht Reaktionsvertiefungen innerhalb jedes der Reaktoren eingegeben. Die verbleibenden Reaktionsvertiefungen enthielten eine Mischung aus Heptan, Toluen und Okten. Stickstoffgas wurde zu jedem der Reaktionsbehälter mit einem Anfangsdruck von 160 psig und einer Temperatur von 25 °C zugeführt. Der Enddruck innerhalb des Behälters betrug 260 psig nach 45 Minuten in einem Ofen bei 200 °C. Das Nachfolgende sind die Testergebnisse der Gaschromatografie (GC):
Die ursprüngliche Mischung vor dem Test umfasste die folgenden Komponenten:
43,47 % Heptan, 49,03 % Toluen und 7,50 % Okten.
Der ursprüngliche Toluen-Abschnitt vor dem Test enthielt:
0,05 % (in Heptan-Position), 99,93 % Toluen und 0,02 % (in Okten-Positon).
Die durchschnittliche Zusammensetzung der Mischung (mit der Strömungsbegrenzungsvorrichtung) nach dem Test war:
41,51 % Heptan, 51,35 % Toluen und 7,14 % Okten.
Die durchschnittliche Zusammensetzung der Mischung (ohne Strömungsbegrenzungsvorrichtung) nach dem Test war:
41,82 % Heptan, 50,50 % Toluen und 7,68 % Okten.
Demzufolge wurde ein Teil des Dampfes aus den Reaktionsvertiefungen in beiden Reaktionsbehältern heraustransportiert.
Die durchschnittliche Zusammensetzung der Toluen-Abschnitte (mit der Strömungsbegrenzungsvorrichtung) nach dem Test war:
0,47 % Heptan, 99,49 % Toluen und 0,04 % Okten.
Die durchschnittliche Zusammensetzung der Toluen-Abschnitte (ohne Strömungsbegrenzungsvorrichtung) nach dem Test war:
17,11 % Heptan, 81,26 % Toluen und 1,68 % Okten.
Demzufolge half die Strömungsbegrenzungsvorrichtung dabei, einen Dampftransport (Kreuzkopplung) in die Vertiefungen hinein zu verhindern.
Wie anhand des Vorstehenden beobachtet werden kann, haben die Vorrichtungen 20, 200 und das Verfahren der vorliegenden Erfindung zahlreiche Vorteile. Die Reaktionsvertiefungen 30 sind alle einer, gemeinsamen Druckkammer 26 ausgesetzt, was zu einer Vereinfachung der Vorrichtung, einer verringerten Variation zwischen einer Druckbeaufschlagung der Reaktionsvertiefungen und verringerten Herstell- und Behandlungskosten führt. Die Vorrichtung ist gut für Hilfsprozesse geeignet, die ein Erwärmen, ein Schütteln und eine Automatisation mittels Robotern umfassen. Weiterhin liefert, da eine geringere Anzahl von abgedichteten Volumina vorhanden ist (z. B. eine gegenüber sechsundneunzig), die Vorrichtung eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine einfachere Wartung. Das Design des Reaktionsbehälters ermöglicht die Unterdrucksetzung der Reaktionsvertiefungen mit einem unter Druck gesetzten Gas bei einem Druck im Wesentlichen oberhalb von Atmosphärendruck.
Obwohl die vorliegende Erfindung entsprechend den Ausführungsformen, die dargestellt sind, beschrieben worden ist, werden Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet leicht erkennen, dass Variationen in Bezug auf die Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend ist vorgesehen, dass alle Gegenstände, die in der vorstehenden Beschreibung enthalten sind und in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, als erläuternd und nicht in einem einschränkenden Sinne interpretiert werden sollten.

Claims

Vorrichtung, die für den Einsatz bei paralleler Reaktion von Materialien unter erhöhtem Druck eingerichtet ist, wobei sie umfasst: einen Untersatz (32) mit einer Vielzahl von Reaktionsvertiefungen (30), wobei jede der Reaktionsvertiefungen ein geschlossenes unteres Ende (84) und ein offenes oberes Ende zum Aufnehmen von Komponenten für die Reaktion aufweist; eine Abdeckung (34), die für dichtenden Eingriff mit dem Untersatz ausgeführt ist, um ein Gehäuse zu bilden, das die Vielzahl von Reaktionsvertiefungen umschließt und die eine gemeinsame Druckkammer (26) begrenzt, die mit der Vielzahl von Reaktionsvertiefungen in Verbindung steht; eine Strömungsdrosseleinrichtung (92), die an die offenen Enden der Reaktionsvertiefungen angrenzend angeordnet ist, um Verbindung zwischen den Reaktionsvertiefungen und der Druckkammer herzustellen und gleichzeitig gegenseitige Beeinflussung zwischen den Reaktionsvertiefungen zu verringern; und einen Einlassanschluss (70), der mit der Druckkammer in Verbindung steht, um der Kammer unter Druck stehendes Fluid zuzuführen und die Vielzahl von Reaktionsvertiefungen unter Druck zu setzen; wobei die Strömungsdrosseleinrichtung (92) eine Vielzahl von Rückschlagventilen umfasst, die auf die Reaktionsvertiefungen ausgerichtet und so ausgeführt sind, dass sie Strömung in die Reaktionsvertiefungen (30) hinein zulassen und Strömung aus den Reaktionsvertiefungen in die Kammer hinein drosseln; wobei die gemeinsame Druckkammer (26) so betrieben werden kann, dass sie einen Betriebsdruck über 2,17 × 10⁵ Pa (30 psig) aufrechterhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsdrosseleinrichtung (92) ein starres Element umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsdrosseleinrichtung (92) eine Elastomerscheibe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsdrosseleinrichtung (92) eine poröse Scheibe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsdrosseleinrichtung (92) eine Vielzahl von Ablasslöchern (96) umfasst, die darin ausgebildet und auf die Vielzahl von Reaktionsvertiefungen (30) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strömungsdrosseleinrichtung (92) eine Vielzahl mikrobearbeiteter Strömungsdrosseln umfasst, die darin ausgebildet und auf die Vielzahl von Reaktionsvertiefungen (30) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Vielzahl von Phiolen (90) umfasst, die in die Vielzahl von Reaktionsvertiefungen (30) eingesetzt sind, um Reaktionskomponenten aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die des Weiteren eine Vielzahl von Federn (95) umfasst, die am Boden der Reaktionsvertiefungen (30) angeordnet sind, um die Phiolen (90) gegen die Strömungsdrosseleinrichtung (92) nach oben zu drücken.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das unter Druck stehende Fluid im Wesentlichen mit mehr als atmosphärischem Druck unter Druck gesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Gehäuse so ausgeführt ist, dass es einen Betriebsdruck von 300 psig oder darüber aufrechterhält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Untersatz (32) und die Abdeckung (34) aus einem Material aus der Gruppe ausgebildet sind, die aus Titan, Aluminium und rostfreiem Stahl besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Schnellverbindung (72) umfasst, die mit dem Einlassanschluss gekoppelt ist, um den Einlassanschluss mit einer Druckquelle zu verbinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren ein Druckablassventil (78) umfasst, das mit einem Auslassanschluss gekoppelt ist, die mit der gemeinsamen Druckkammer (26) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung (34) abnehmbar an dem Untersatzelement (32) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei äußere Abmessungen des Untersatzelementes (32) und der Abdeckung (34) Standardabmessungen von Mikrotiterplatten zum Einsatz mit automatischen Einrichtungen entsprechen, die für den Einsatz mit Mikrotiterplatten bestimmt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Reaktionsvertiefungen (30) jeweils ein Innenvolumen von ungefähr 2 Milliliter haben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Reaktionsvertiefungen (30) 12 Reaktionsvertiefungen umfasst, die in einer 3 × 4-Anordnung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei jede der Reaktionsvertiefungen (30) ein Innenvolumen von ungefähr 16 Milliliter hat.
Verfahren, mit dem eine Vielzahl von Materialien parallel in einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Reaktion gebracht werden, wobei das Verfahren umfasst: Öffnen einer Abdeckung (34) des Reaktionsbehälters; Einführen von Komponenten in die Reaktionsvertiefungen; Abdecken eines Abschnitts der offenen Enden der Reaktionsvertiefungen, um gegenseitige Dampfphasen-Beeinflussung zwischen den Reaktionsvertiefungen zu reduzieren; Schließen der Abdeckung des Reaktionsgefäßes, um eine abgedichtete Kammer zu erzeugen; Zuführen eines Gases im Wesentlichen über atmosphärischem Druck, das mit den Komponenten in den Reaktionsvertiefungen reagiert; und Ablassen von Druck aus dem Reaktionsbehälter.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Zuführen eines unter Druck stehenden Gases Zuführen eines Gases bei über 10 psig umfasst.