DE10057195A1 - Reaktionsgefäß mit Membranboden - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Chemische Reaktionen werden in Reaktionsgefäße aus Glas oder Kunststoff durchgeführt. Handelt es sich um Gemische von Feststoffen und Flüssigkeiten, was insbesondere auf die Festphasensynthese zutrifft, ist zwischen einzelnen Reaktionsschritten im Regelfall eine Filtration erforderlich. Hierzu werden Papier- oder Membranfilter eingesetzt.

Das oben beschriebene Verfahren, das den heutigen Stand der Technik darstellt, besitzt zahlreiche Nachteile. Da zur Filtration ein Umgießen des Reaktionsgemisches erforderlich ist, die verwendeten Filtermaterialien saugfähig sind und ein vollständiges Ablösen des festen Filterrückstandes kaum möglich ist, treten große Substanzverluste sowohl bei der festen als auch bei der flüssigen Phase auf. Auch die Aufreinigung des Rohproduktes und die Lagerung des Endproduktes finden jeweils in anderen Gefäßen statt. Besitzt das Reaktionsgemisch toxische oder pathogene Eigenschaften, stellt der Filtrations- oder Umfüllvorgang ein hohes Kontaminationsrisiko für die Ausführenden dar. Gleichzeitig besteht die Gefahr der Verunreinigung des Reaktionsproduktes bzw. -zwischenproduktes durch die Umgebung.

Die Verarbeitung luft- oder temperaturempfindliche Substanzen unter Schutzgasatmosphäre oder bei tiefen Temperaturen ist nahezu oder vollkommen unmöglich. Das herkömmliche Verfahren ist darüber hinaus äußerst zeitaufwendig und setzt viele manuelle Arbeitsschritte voraus. Für Synthese- und Analyseroboter sind mehrschrittige Synthesen kaum zugänglich, da die Vorgänge des Umgießens, des Ablösens und des Überführens des Filterrückstandes in ein weiteres Reaktionsgefäß sowie des Filterwechsels mit einem beträchtlichen technologischen Aufwand verbunden sind und einen produktiven Betriebsablauf aufgrund des hohen Zeitaufwandes bei der Filtration meistens ausschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Durchführung chemischer Reaktionen ohne das Auftreten der oben genannten Nachteile zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 1 erfüllt. Wird der Boden des Reaktionsgefäßes durch eine Membran gebildet, die nur beim Anlegen eines Differenzdrucks durchlässig für die flüssige Phase des Reaktionsgemisches wird, ist es möglich, mehrschrittige Synthese- oder Trenngänge in einem einzigen Reaktionsgefäß durchzuführen, da der Membranboden gleichzeitig als Filter dient und die feste Phase immer im Reaktionsgefäß verbleibt. Das Reaktionsgemisch kann während aller Schritte von der Umwelt vollständig abgeschlossen bleiben.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass sich eine große Zahl von Reaktionsschritten innerhalb kurzer Zeit mit geringsten Materialverlusten durchführen lässt, da das Umgießen des Reaktionsgemisches mit den damit verbundenen Substanzverlusten entfällt. Eine Kontamination der Ausführenden oder des Produktes kann durch den geschlossenen Aufbau ausgeschlossen werden. Arbeiten mit Gefahrstoffen oder unter aseptischen Bedingungen werden stark vereinfacht; eine angepasste Membrankonstruktion ermöglicht sogar eine Sterilfiltration im letzten Arbeitsschritt. Gleichzeitig ist es möglich, Reaktionen unter Schutzgasatmosphäre und bei konstanten Temperaturen durchzuführen. Da die gesamte Konstruktion aus einem einheitlichen, wenn erforderlich hochinerten, Material ausgeführt werden kann, wenden auch Arbeiten mit stark aggressiven Substanzen ermöglicht. Der zur Automatisierung des Reaktionsablaufs notwendige technologische Aufwand ist sehr gering, da lediglich die Steuerung des zur Filtration erforderlichen Unter- oder Überdrucks und der Zugabe neuer Edukte notwendig ist. Auch Laborroboter können auf diese Weise die Durchführung sehr komplexer Reaktionen übernehmen, ohne dass Zeitverzögerungen auftreten oder manuelle Eingriffe erforderlich sind. Die Aufreinigung des Rohproduktes kann direkt im Reaktionsgefäß erfolgen; alternativ ist die Ankopplung des Gefäßes an handelsübliche Festphasenextraktions-Kartuschen möglich. Liegt das Endprodukt in fester Form vor, kann es direkt im Reaktionsgefäß getrocknet und gelagert werden. Das Reaktionsgefäß lässt sich bei gleichbleibenden technischen Eigenschatten in nahezu jeder Grüße herstellen, wodurch das Scale-Up vom Labor- zum Produktionsmaßstab deutlich vereinfacht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung in Anhang 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 einen Halbschnitt durch ein Reaktionsgefäß mit austauschbarem Membranboden, Luer-Anschluss und Verschlusskappe mit Septum.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein vorzugsweise aus Glas oder einem Kunststoff gefertigtes Gefäß, dessen Boden mit einer Öffnung versehen ist, die durch eine unten beschriebene Membran verschlossen wird. In der Praxis bietet es sich an, die Öffnung mit einem Anschlussstutzen zu versehen, der die Anbindung an ein Unterdrucksystem ermöglicht. Die verwendete Membran kann, dem Verwendungszweck angepasst, aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Vorraussetzung für die Wahl der geeigneten Membran ist, dass bei Arbeiten mit hydrophilen Substanzen das Membranmaterial hydrophob und bei Arbeiten mit hydrophoben Substanzen hydrophil ist. Gleichzeitig muss der Porendurchmesser der Membran genügend gering sein, um ein Durchfeuchten sicher zu vermeiden. Die Materialstärke besitzt ebenfalls deutlichen Einfluss auf die Flüssigkeitsdurchlässigkeit der Bodenmembran; gleichzeitig bestimmt sie die mechanische Belastbarkeit des Gefäßbodens. Insbesondere bei Verwendung von Magnetrühntäbchen im Reaktionsgefäß muss eine genügende Belastbarkeit sichergestellt sein. Bezüglich der Befestigung der Bodenmembran im Reaktionsgefäß muss zwischen Gefäßen für einmaligen und solchen für mehrmaligen Gebrauch unterschieden werden. Bei letzteren sollte die Membran auswechselbar sein. Die obere Öffnung des Gefäßen kann in jedem Fall z. B. mit einem Septum verschlossen werden.

Zur Verdeutlichung des Aufbaus soll im folgenden die Konstruktion eines kleinvolumigen Reaktionsgefäßes für mehrmaligen Gebrauch gemäß Fig. 1, Anhang 1, beschrieben werden.

Auf Grund seiner hohen chemischen, mechanischen und thermischen Stabilität bei geringen Herstellungskosten bietet sich als Material für ein Mehrweg-Reaktionsgefäß für Laboranwendungen Glas an. Der Zylinder (1), der an beiden Enden oder nur am unteren Ende mit einem Außengewinde versehen ist, kann deshalb aus Glas, aber auch aus einem anderen Material, insbesondere Kunststoff oder Metall, bestehen. Von besonderem Interesse sind hierbei vor allem die Kunststoff PTFE, das sich durch seine sehr große chemische und gute thermische Beständigkeit auszeichnet, und PP, das bei geringen Material- und Verarbeitungskosten ebenfalls eine gute Chemikalienbeständigkeit aufweist. Das untere Ende wird mit einer vorzugsweise aus einem Kunststoff bestehenden Kappe (2) mit Innengewinde verschlossen. Zwischen der waagerechten Fläche der Verschlusskappe und der Schnittfläche des Zylinders werden gemäß Fig. 1 die Membran (3) und die Bodenplatte (4) mit dem Anschlussstutzen (5) eingeklemmt. Beim Festziehen der Verschlusskappe versteift sich der Rand der Membran und dient als Dichtung. Für den Stutzen bietet sich besonders ein männlicher Luer- Anschluss an, da dieser mit den meisten marktüblichen Festphasenextraktions-Kartuschen, Vakuumkammern und Laborrobotern kompatibel ist und gleichzeitig einen einfachen Schlauchanschluss ermöglicht. Das Bauteil kann ebenfalls aus Kunststoff, Glas, Metall oder einem anderen Werkstoff bestehen. Wie bereits oben beschrieben, können Material, Porendurchmesser und Dicke der Bodenmembran variiert werden. Für Arbeiten im Labormaßstab in wässrigen bzw. anderen polaren Lösungen hat sich eine PTFE-Membran mit 0,66 mm Dicke und 30-60 µm Porendurchmesser als sehr gut geeignet erwiesen. Diese Membran ermöglicht auch einen Dauerbetrieb mit einem Magnetrührstäbchen im Reaktionsgefäß und besitzt gleichzeitig hervorragende Beständigkeit gegenüber aggressiven Substanzen. Verfügt der Zylinder über ein Gewinde am oberen Ende, so kann dieses mit einer Schraubkappe (6) verschlossen werden, die über eine Bohrung den Zugriff auf ein darunter liegendes Septum (7) freigibt. Alternativ dazu können Einweg-Gefäße auch fest mit einem Septum verschlossen werden.

Die Werkstoffe und Abmessungen des Reaktionsgefäßes Können dem Verwendungszweck angepasst werden. Bei Einweg-Reaktionsgefäßen kann das untere Gewinde durch eine gepresste, geklebte, geschweißte oder sonstige nicht lösbare Befestigung ersetzt werden.

Zur Darstellung eines Arbeitsganges mit dem Reaktionsgefäß mit Membranboden soll das oben beschriebene Gefäß für eine Festphasensynthese eingesetzt werden. Das Reaktionsgefäß wird über den Luer Anschluss mit einer handelsüblichen Vakuumkammer verbunden, jedoch noch kein Vakuum angelegt. Wird das fest-flüssige Reaktionsgemisch nun in das Gefäß eingefüllt, passiert die flüssige Phase die Membran nicht; das Gefäß mit Membranboden zeigt die gleichen Eigenschaften wie ein herkömmliches Reaktionsgefäß. Wird nach Ablauf einer festgelegten Zeit jedoch das Vakuum freigegeben, so läuft die flüssige Phase in die Vakuumkammer, während die feste Phase im Reaktionsgefäß verbleibt. Sobald das Vakuum abgeschaltet wird, wird die Membran wieder undurchlässig. An dieser Stelle können sich weitere Spül- und Reaktionsschritte anschließen. Im letzten Arbeitsschritt wird das Rohprodukt, das an die feste Phase gebunden ist, mit Hilfe eines geeigneten Lösemittels freigesetzt und gleichzeitig aufgereinigt. Hierzu wird zwischen Reaktionsgefäß und Vakuumkammer eine Festphasenextraktions-Kartusche geschaltet. Das Rohprodukt wird verlustfrei in diese überführt und kann mit Hilfe eines anderen Lösemittels in Reinform eluiert werden.

Dieses Beispiel soll nur einen Einblick in die Anwendungsgebiete des Reaktionsgefäßes mit Membranboden bilden. Der individuelle Betriebsablauf kann hiervon deutlich abweichen.

Claims (11)

1. Reaktionsgefäß für die Durchführung chemischer Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Gefäßes durch eine Membran gebildet wird, deren Flüssigkeitsdurchlässigkeit durch Einwirken eines Unter- oder Überdrucks gesteuert werden kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenmembran auswechselbar ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenmembran nicht auswechselbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsgefäß unterhalb der Bodenmembran mit einem Anschlussstutzen versehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß unterhalb der oberen Öffnung mit einem oder mehreren seitlichen Anschlussstutzen versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Öffnung des Reaktionsgefäßes mit einem Gewinde zur Aufnahme einer austauschbaren Verschlusskappe versehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Öffnung des Reaktionsgefäßes mit einem Septum verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Öffnung des Gefäßes von einem Anschlussstutzen gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer oder mehreren der Öffnungen bzw. an einem oder mehreren der Anschlussstutzen des Reaktionsgefäßes weitere Einrichtungen zur Reinigung oder sonstigen weiteren Behandlung chemischer Verbindungen angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der oben beschriebenen Reaktionsgefäße horizontal oder vertikal zu einer Einheit zusammengefasst sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß mehrwandig ist oder auf andere Weise temperierbar gestaltet ist.