DE10025012B4

DE10025012B4 - Temperierbarer Reaktionsbehälter

Info

Publication number: DE10025012B4
Application number: DE2000125012
Authority: DE
Inventors: Andreas Schmiede; Stefan Mehlich
Original assignee: Qiagen GmbH
Current assignee: Qiagen GmbH
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2000-05-22
Publication date: 2014-02-27
Anticipated expiration: 2020-05-23
Also published as: DE10025012A1

Abstract

Temperierbarer Reaktionsbehälter zur Herstellung endothermer Puffergemische, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbehälter über ein Doppelmantelsystem verfügt und eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch aufweist, die sich zwischen dem Zwischenmantel (5) und dem inneren Mantel (7) befindet, sowie ein Luftpolster (4), das sich zwischen dem Zwischenmantel (5) und dem äußeren Mantel (3) befindet, wobei der Behälter auf einer Palette (1) befestigt ist und der Behälter einen segmentierten Deckel (13) aufweist, und der Behälterkörper (14), die Palette (1) und der Deckel (13) aus Polyethylen und/oder Polypropylen hergestellt sind und wobei der äußere Mantel (3) atmosphärisch belüftet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen temperierbaren Reaktionsbehälter zur Herstellung endothermer Puffergemische. Dieser ist für einen Einsatz der Inlinertechnologie geeignet. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Ansatzbehälter. Derartige Ansatzbehälter finden beispielsweise im Bereich der Biotechnologie, der chemischen Prozessindustrie oder der pharmazeutischen Chemie in vielfältigen Ausgestaltungsformen Verwendung.
Wichtige Faktoren, die bei der Auslegung derartiger Reaktions- bzw. Ansatzbehälter eine Rolle spielen, sind die Temperaturen und die Drücke, unter denen die Reaktionen ablaufen, sowie der Wärmeumsatz und die rheologischen Eigenschaften der Reaktionsgemische. Die konstruktiven Prinzipien der Reaktionsbehälter hängen insbesondere vom Aggregatszustand und vom Phasencharakter der Reaktorinhalte ab, wie z. B. homogene bzw. heterogene Gas- und Flüssigphasenreaktionen, Flüssig-Flüssig- oder Feststoff-Flüssigkeits-Reaktionen oder homogene bzw. heterogene Katalyse etc..
Die Auslegung von Reaktionsapparaten erfolgt mit Hilfe von entsprechenden Modellen, die durch Stoff-, Energie- und Impulsbilanzen die technische Reaktion mehr oder weniger abbilden [Römpp, Lexikon Chemie, 10. Auflage, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1999]. Je nach technischem Einsatzgebiet werden derartige Reaktionsapparate aus den verschiedensten geeigneten Materialien hergestellt, wie z. B. Stahl bzw. Edelstahl, Kunststoffen oder Email. Dabei ist beim Umgang mit aggressiven Chemikalien darauf zu achten, daß der Behälter eine – im Hinblick auf die Inhaltsstoffe – möglichst inerte Wandung aufweist.
Aus der US-A-4,215,798 ist ein doppelwandiger Behälter bekannt, der voneinander beabstandete innere und äußere Wandelemente aufweist, welche einen abgeschlossenen Isolationsraum bilden, wobei zumindest ein Teil der Wandelemente aus einem polymeren, thermoplastischen Material, nämlich Polyethylen, Polypropylen, Polytetrafluorethylen oder Polychlortrifluorethylen, gefertigt ist. Die Wandelemente sind nicht mit einer Durchlässigkeitssperrschicht beschichtet, so dass sie gasdurchlässig sind. Eine Menge an pelletiertem Adsorptionsmittel ist in dem Isolationsraum in thermischem Kontakt mit dem inneren Wandelement angeordnet. Die Einleitung einer kryogenen Flüssigkeit in den Behälter bewirkt eine Kühlung des inneren Wandelements sowie des damit in Kontakt stehenden Adsorptionsmittels, wodurch eine erhöhte Gasadsorption durch das Adsorptionsmittel in dem Isolationsraum bewirkt wird, um den Druck darin zu verringern und die Isolationseigenschaft des Isolationsraums zu verbessern. Eine vollständige Entfernung der kryogenen Flüssigkeit aus dem Behälter bewirkt eine Erwärmung des inneren Wandelements und des Adsorptionsmittels, wodurch eine Desorption des Gases von dem in dem Isolationsraum befindlichen Adsorptionsmittel bewirkt wird, um den Druck darin zu erhöhen und einen Druck in dem Isolationsraum zu erzeugen, der über dem Druck der äußeren Umgebung des Behälters liegt, wobei der Druck zumindest teilweise abgebaut wird, indem Gas durch das polymere, thermoplastische Wandelement von dem Isolationsraum in die äußere Umgebung fließt.
Zusätzlich zu der Druckbeständigkeit der beim industriellen Chemieapparatebau verwendeten Kunststoffe, ist auch deren Beständigkeit gegenüber üblichen Reaktionsmedien, wie z. B. Säuren, Laugen und organischen Lösungsmitteln von großer Wichtigkeit. Wie beispielsweise seit langem bekannt, ist die Beständigkeit von Polyethylen oder Polypropylen bei höheren Temperaturen (z. B. 80°C) deutlich herabgesetzt und damit deren Einsatz im Apparatebau deutlich begrenzt (J. Ehrbar, „Kunststoffe im chemischen Apparatebau”, Kunststoffe ISSN 0023-5563, 1963, 53, 845–854.
Daneben sind beim industriellen Betrieb solcher Apparate eine Vielzahl von stoff- und anlagenbezogenen Regelungen, wie z. B. Chemikaliengesetz, Technische Regeln für gefährliche Arbeitsstoffe, Verordnung über brennbare Flüssigkeiten sowie Gerätesicherheitsgesetz bis hin zu den Grundregeln der Weltgesundheitsorganisation für die Herstellung von Arzneimitteln und die Sicherung ihrer Qualität (GMP-Richtlinien) zu beachten.
Eine weitere Anforderung, die an moderne Reaktionsbehälter gestellt wird, besteht darin, hohe Kosten bei der Reinigung und lange Standzeiten so weit wie möglich zu vermeiden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen Reaktionsapparat – insbesondere einen Ansatzbehälter – für die Herstellung von flüssigen Gemischen bereitzustellen, dessen einzelne Bestandteile beim Zusammenfügen endotherm reagieren und dessen Wandung sich im Hinblick auf aggressive Inhaltsstoffe inert bzw. resistent verhält.
Des Weiteren soll der erfindungsgemäße Ansatzbehälter Reinraum-tauglich sein bzw. ein sog. Hygiene-Design aufweisen und insbesondere die EX-Schutzrichtlinien der EX-Zone 0 erfüllen. Daneben soll der Behälter die Vorgaben der sog. Closed System Technologie erfüllen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Behälter Meßsensoren – insbesondere Thermosensoren und Überfüllsicherungen auf. Der erfindungsgemäße Reaktionsapparat ist zur Herstellung endothermer Puffergemische geeignet.
Unter einem endothermen Puffergemisch ist erfindungsgemäß eine Lösung zu verstehen, die Puffersubstanzen aufheizt, die beim Vermischen eine positive Mischungsenthalpie aufweisen. Derartige Puffer bzw. Pufferlösungen sind aus dem Stand der Technik in großer Zahl bekannt. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer schwachen Säure mit einem praktisch völlig dissoziierten Neutralsalz derselben Säure.
Die Wirkung der in derartigen Pufferlösungen enthaltenen Puffersubstanzen beruht auf der Abfangreaktion von Wasserstoff- bzw. Hydroxid-Ionen unter Bildung schwacher Säuren bzw. Basen auf Grund ihres Dissoziationsgleichgewichts. Daneben können die derartigen Gemische weitere additive bzw. Hilfsstoffe aufweisen – wie z. B. Guanidiniumthiocyanat-Hydrochlorid.
Erfindungsgemäß werden die vorgenannten Aufgaben durch einen Behälter zur Herstellung endothermer Puffergemische gemäß unabhängigem Patentanspruch 1 gelöst, wobei der Reaktionsbehälter über ein Doppelmantelsystem verfügt und eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch aufweist, die sich zwischen dem Zwischenmantel (5) und dem inneren Mantel (7) befindet, sowie ein Luftpolster (4), das sich zwischen dem Zwischenmantel (5) und dem äußeren Mantel (3) befindet, wobei der Behälter auf einer Palette (1) befestigt ist und der Behälter einen segmentierten Deckel (13) aufweist, und der Behälterkörper (14), die Palette (1) und der Deckel (13) aus Polyethylen und/oder Polypropylen hergestellt sind und wobei der äußere Mantel (3) atmosphärisch belüftet ist.
Ein derartiger Reaktionsbehälter ist schematisch in den 1 und 2 dargestellt.
1 zeigt exemplarisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Reaktionsbehälters. Die Bezugszeichen bedeuten im Einzelnen:
Bezugszeichenliste

1: Palette
2: Entleerungsstutzen
3: Äußerer Mantel
4: Luftpolster
5: Zwischenmantel
6: Rohrschlange, bevorzugt aus Metall
7: Innerer Mantel
8: Wärmeübertragungsmedium
9: Einlauf für Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit
10: Ausgang für Heiz- bzw. Kühlflüssigkeit
11: Bohrungen für Luftaustausch
12: Einfüllstutzen
13: Deckel
14: Behälterkörper

2 zeigt in Draufsicht exemplarisch eine Ausführungsform eines dreiteiligen Deckels des erfindungsgemäßen Reaktionsbehälters. Die Bezugszeichen bedeuten im Einzelnen:
Bezugszeichenliste

131: Öffnung für Temperatursensor
132: Öffnung für Absaugung zur Absaugung von gasförmigen Emissionen
133: Öffnung für Rührwerkswelle
134: Öffnung für Zuführung Edukt
135: Öffnung für Zuführung Edukt

Vorzugsweise befindet sich im Inneren des Doppelmantelsystems eine geeignete Wärmeträgerflüssigkeit – wie z. B. Öl oder Wasser –, die durch eine Heiz- bzw. Kühlvorrichtung, die mit einer weiteren, zweiten Wärmeträgerflüssigkeit, die in einem abgeschlossenen Rohrsystem durch die erste Wärmeträgerflüssigkeit innerhalb des Doppelmantelsystems geleitet wird, arbeitet.
Der Behälter wird vorzugsweise aus einem geeigneten thermostabilen sowie gegenüber aggressiven Stoffen resistenten Material wie z. B. einem geeigneten polymeren Kunststoff gefestigt. Derartige Materialien sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik in großer Zahl wohl bekannt. Der Grundkörper des erfindungsgemäßen Ansatzbehälters wird aus Polyethylen und/oder Polypropylen hergestellt.
Geeignete Polyethylene stehen aus dem Stand der Technik ebenfalls in großer Anzahl zur Verfügung. Sie können je nach den angestrebten Eigenschaften bzw. Einsatzzwecken nach grundsätzlich zwei verschiedenen Verfahren – dem sog. Hochdruck- sowie dem Niederdruckverfahren – hergestellt werden. Die nach der Hochdruck- bzw. Niederdruck-Polymerisation hergestellten Polymere unterscheiden sich hauptsächlich hinsichtlich ihres Verzweigungsgrades und damit verbunden in ihrem Kristallinitätsgrad und ihrer Dichte.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird der Reaktionsapparat besonders aus einem Polyethylen hergestellt, das auf dem Wege der Hochdruck-Polymerisation hergestellt wurde. Derartige im Rahmen des Hochdruck-Polymerisationsverfahrens hergestellte Polymere weisen im allgemeinen Kristallinitätsgrade in einem Bereich von 60–80% und eine Dichte in einem Intervall von 0,94–0,965 g/cm³ auf. Derartige Polyethylene sind aus dem Stand der Technik als Polymere mit hoher (200.000 bis 5.000.000) bzw. ultrahoher (3·10⁶–6·10⁶) Molmasse bekannt.
In Abhängigkeit von der angestrebten Verwendung können jedoch auch Polymere mit anderen Eigenschaften für die Herstellung eingesetzt werden.
Ebenso ist der Einsatz von Polypropylen möglich, welches in einer bevorzugten Ausführungsform für die Herstellung des Deckels für den erfindungsgemäßen Reaktionsbehälter eingesetzt wird. Polypropylen zeichnet sich durch eine hohe Härte, Rückstellfähigkeit, Steifheit und Wärmebeständigkeit aus, wobei sogar kurzfristige Erwärmungen bis 140°C von diesem Polymeren toleriert werden.
Da der Ansatzbehälter aufgabengemäß mobil sein soll, ist er zweckmäßiger mit einer Vorrichtung verbunden, die einen leichten Transport ermöglicht.
Das Volumen des erfindungsgemäßen Reaktionsbehälters richtet sich nach dem angestrebten Verwendungszweck. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Volumen des erfindungsgemäßen Ansatzbehälters in einem Bereich von 10 bis 2000 l, ganz besonders bevorzugt in einem Intervall von 50 bis 1000 l.
Erfindungsgemäß ist der Ansatzbehälter auf einer Palette befestigt, die aus Polyethylen und/oder Polypropylen, vorzugsweise dem gleichen oder einem ähnlichen Material, gefertigt ist. Dabei sind die Schweißnähte – wie alle übrigen Schweißnähte vorzugsweise in Form von sog. Hohlkehlnähten ausgeführt, um ein leichtes und vollständiges Reinigen des Ansatzbehälters zu ermöglichen und damit die Vorgaben eines hygienischen Designs (Hygienic Design) zu erfüllen.
Um ein leichtes Reinigen des Innenraums des erfindungsgemäßen Reaktionsapparates zu ermöglichen, kann der Ansatzbehälter gewünschtenfalls zur Aufnahme eines sog. Inlinersystems vorbereitet werden. Derartige Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden z. B. von der Firma Stedim kommerziell vertrieben. Derartige Systeme bestehen im wesentlichen aus einem Kunststoffbeutel, der zum Auskleiden des Reaktionsgefäßes vorgesehen und entsprechend dimensioniert ist. Derartige Kunststoffbeutel verkörpern sog. Einmalartikel und werden nach durchgeführter Umsetzung aus dem Reaktionsapparat entfernt und entsorgt, wobei der Reaktionsraum an sich unverschmutzt zurückbleibt. Besonders bevorzugt wird der Deckel aus Polypropylen hergestellt.
Die Abdeckung des Behälters besteht erfindungsgemäß aus einem geteilten Deckel, der ebenfalls aus dem gleichen Material wie der Ansatzbehälter sein kann und aus Polyethylen und/oder Polypropylen hergestellt ist.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung besteht die Behälterabdeckung vorzugsweise aus einem drei-geteilten Deckel, wobei ein Deckelsegment einem Halbkreis entspricht und die beiden anderen Deckelsegmente die Form eines Viertelkreises aufweisen (vgl. 2). Je nach angestrebtem Verwendungszweck kann jedoch eine andere Segmentierung des Behälterdeckels vorgesehen werden.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung weist der Behälterdeckel Vorrichtungen zur Aufnahme von Sensoren – wie z. B. Temperatursensoren und/oder Überfüllsicherungen – auf. Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik in großer Zahl und vielgestaltigen Ausführungsformen bekannt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird zur Temperaturerfassung vorzugsweise ein sog. Infrarot-Temperatursensor eingesetzt, der zum Schutz gegen den Kontakt mit dem Behälterinhalt mit einer austauschbaren Schutzvorrichtung – wie z. B. einer Folie – aus einem geeigneten Material – wie z. B. Polyethylen – versehen sein kann.
Des weiteren kann der erfindungsgemäße Ansatzbehälter mit Öffnungen zum Durchführen oder Anschließen von Zu- und Ableitungen bzw. Rührvorrichtungen versehen sein.
Der Behälterdeckel kann des Weiteren vorzugsweise Vorrichtungen aufweisen, die das sichere Zusammenhalten und damit das möglichst vollständige Abdichten des Ansatzbehälters gewährleisten. Vorzugsweise sind diese Vorrichtungen erfindungsgemäß als Ösen ausgebildet, die mit elastischen Bändern – wie z. B. Gummibändern verbunden werden.
Zur besseren Passgenauigkeit sind die Deckelsegmente überlappend gefertigt, womit ebenfalls eine höhere Abdichtung zum Schutz des Behälterinhalts vor Verschmutzung erzielt wird.

Claims

Temperierbarer Reaktionsbehälter zur Herstellung endothermer Puffergemische, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsbehälter über ein Doppelmantelsystem verfügt und eine Vorrichtung zum Wärmeaustausch aufweist, die sich zwischen dem Zwischenmantel (5) und dem inneren Mantel (7) befindet, sowie ein Luftpolster (4), das sich zwischen dem Zwischenmantel (5) und dem äußeren Mantel (3) befindet, wobei der Behälter auf einer Palette (1) befestigt ist und der Behälter einen segmentierten Deckel (13) aufweist, und der Behälterkörper (14), die Palette (1) und der Deckel (13) aus Polyethylen und/oder Polypropylen hergestellt sind und wobei der äußere Mantel (3) atmosphärisch belüftet ist.