DE102004030155A1

DE102004030155A1 - Dosiervorrichtung und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102004030155A1
Application number: DE102004030155A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brinz; Jane Lewis; Markus Tiefenbacher; Thomas Geiger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Fuell Process Sa Ch
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: DE102004030155B4; GB2415423B; CH697426B1; GB0512575D0; US7191917B2; US20050283113A1; GB2415423A

Abstract

Es wird eine Dosiervorrichtung bzw. ein Dosierelement, insbesondere zur Dosierung von Substanzen bei der Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, beschrieben mit einem Dosierelement, das ein einseitig geöffnetes Vorratsgefäß (12) zur Aufnahme der zu dosierenden Substanzen und einen Stempel (14) aufweist, der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) reversibel verschließt und der vorzugsweise zentral mindestens eine Dosieröffnung (18) zur Dosierung der im Vorratsgefäß (12) vorgelegten Substanzen aufweist, wobei das Vorratsgefäß (12) und/oder der Stempel (14) eine Aufnahme (26, 28) als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung umfasst. Weiterhin wird ein Dosierverfahren beschrieben.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dosiervorrichtung, ein Dosierelement und ein Verfahren zum Betrieb derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die Auffindung und Entwicklung neuer Stoffe und Materialien stellt ein vorrangiges Ziel der Materialwissenschaften, der Chemie und Pharmazie dar. Die Suche nach geeigneten Verbindungen ist jedoch sehr oft mit einem großen finanziellen und zeitlichen Aufwand verbunden. Um diese Suche effektiver und kostengünstiger durchführen zu können, wurde schon vor Jahren in der Pharmazie, dann auch in anderen Anwendungsgebieten eine systematische Methodik eingeführt, die unter der Bezeichnung „Kombinatorische Chemie" bekannt geworden ist. Dabei werden parallel mehrere potentiell interessante Verbindungen erzeugt und analysiert. Der Vorteil dieser Methode ist in der Möglichkeit zur Automatisierung zu sehen, die einen großen Durchsatz in kürzester Zeit gestattet.
Zur Erzeugung der dabei benötigten Materialbibliotheken muss eine große Zahl an potenziell interessanten Substanzen oder deren Vorläuferverbindungen an definierten Punkten entsprechender Substrate positioniert bzw. dosiert werden. Dies geschieht aufgrund der üblicherweise großen Zahl an zu dosierenden Substanzen vorzugsweise vollautomatisch. Herkömmliche Dosierroboter greifen dabei auf Systeme zurück, bei denen die zu dosierende Substanz mittels einer Spritze, die über einen Verbindungsschlauch mit einer Dosiernadel verbunden ist, aufgenommen wird. Die Spritze sowie der Verbindungsschlauch und die Dosiernadel sind dabei zunächst lediglich mit einer Betriebsflüssigkeit gefüllt, wobei die Dosiernadel an ihrem der Dosierungsöffnung zugewandten Ende mit Luft gefüllt ist. Zur Dosierung wird die Dosiernadel in die zu dosierende Substanz eingetaucht und der Stempel der Spritze aus dem zugehörigen Dosierkörper herausgezogen. Durch die Volumenvergrößerung wird die zu dosierende Substanz in die Dosiernadel und in den Verbindungsschlauch hineingezogen. Dabei bildet die in der Dosiernadel enthaltene Luft einen Puffer, sodass eine Kontamination bzw. Vermischung von zu dosierender Substanz und Betriebsflüssigkeit vermieden wird. Nachteilig an einem derartigen Dosiersystem ist, dass das in der Dosiernadel enthaltene Luftpolster kompressibel ist und somit hochviskose Medien bzw. Suspensionen nur schlecht dosiert werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dosiervorrichtung bzw. ein Dosierelement und ein Verfahren zum Betrieb derselben bereitzustellen, das die automatisierte Dosierung auch hochviskoser Medien zuverlässig gestattet.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung bzw. das Dosierelement sowie das Verfahren zum Betrieb derselben haben den Vorteil, dass eine automatisierte Dosierung auch hochviskoser Medien auf einfache und dennoch zuverlässige Weise erfolgen kann. Dabei wird ein Dosierelement verwendet, das ein einseitig geöffnetes Vorratsgefäß zur Aufnahme der zu dosierenden Substanzen aufweist sowie einen Stempel, der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes reversibel verschließt, und der vorzugsweise zentral mindestens eine Dosieröffnung zur Dosierung der im Vorratsgefäß vorgelegten Substanzen aufweist. Die zu dosierenden Substanzen werden dabei zunächst bei abgenommenem Stempel direkt in das Vorratsgefäß gegeben. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise auch die Zufuhr von Feststoffen oder hochviskosen Medien in das Vorratsgefäß, die bei geschlossenem Stempel allein durch die Einwirkung von Unterdruck nicht durch eine am Stempel vorgesehene Dosiernadel hindurch in das Vorratsgefäß aufgezogen werden können.
Um eine zuverlässige automatisierte Handhabung von Stempel und Vorratsgefäß zu gewährleisten, ist am Stempel und/oder am Boden des Vorratsgefäßes eine Aufnahme als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung vorgesehen.
Die Dosierung der im Vorratsgefäß vorgelegten Substanzen erfolgt vorteilhafterweise ohne den Einsatz von Betriebsflüssigkeiten.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Dosiervorrichtung bzw. Dosierelements sowie des dort angegebenen Verfahrens möglich.
So ist der Stempel vorteilhafterweise mit einem Kolbenschaft verbunden, der eine Dosierleitung zur Dosierung der vorgelegten Substanzen aufweist und an seinem dem Stempel abgewandten Ende mit einer austauschbaren Dosiernadel versehen ist. Die Dosiernadel ist dabei beispielsweise über einen Luer-Lock-Verschluß mit dem Kolbenschaft verbunden. Die Austauschbarkeit der Dosiernadel ist von Vorteil, falls es bei der Dosierung zu einer Kontaminierung derselben mit Fremdstoffen kommt. Da vorzugsweise jeder zu dosierenden Substanz ein eigenes Vorratsgefäß mit eigenem Stempel zugewiesen wird, kann somit jegliche Möglichkeit einer Kontamination mit Fremdstoffen ausgeschlossen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Dosiervorrichtung mehrere Dosierelemente, deren Vorratsgefäße eine im wesentlichen identische Längsausdehnung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedliche Volumina in den Vorratsgefäßen realisiert werden, ohne dass es einer Anpassung der automatischen Greifvorrichtung bedarf. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn die jeweilige Aufnahme des Vorratsgefäßes bzw. des Stempels eine Kodierung zur Erkennung des Volumens oder des Durchmessers des zugehörigen Vorratsgefäßes aufweist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden in einem Vorratsgefäß mindestens zwei Substanzen vorgelegt, die vor der Dosierung im Vorratsgefäß durch eine in das Vorratsgefäß integrierte oder von extern zugeführte Mischvorrichtung vermischt werden. Weiterhin können die im Vorratsgefäß vorgelegten Substanzen nach Verschluss desselben durch die den Stempel durchdringende Dosieröffnung hindurch entgast werden. Darüber hinaus bietet sich die vorteilhafte Möglichkeit, die im Vorratsgefäß vorgelegten Substanzen vor deren Dosierung einer chemischen Umsetzung zu unterziehen.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt schematisch eine Aufsicht auf ein Dosierelement als Bestandteil einer Dosiervorrichtung, 2 eine Schnittdarstellung des in 1 abgebildeten Dosierelements und die 3a bis 3f zeigen Querschnittsdarstellungen verschiedener Varianten des in 1 bzw. 2 dargestellten Dosierelements.
Ausführungsbeispiel
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es, eine Dosiervorrichtung bzw. ein Dosierelement zur Verfügung zu stellen, das insbesondere im Rahmen der kombinatorischen Materialentwicklung eine effiziente und automatisierte Dosierung zahlreicher, zur Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken benötigter Substanzen ermöglicht.
Kernstück der Dosiervorrichtung sind eines oder mehrere Dosierelemente, wie es beispielsweise in 1 und 2 dargestellt ist. Das Dosierelement 10 umfasst ein Vorratsgefäß 12, in dem eine oder mehrere zu dosierende Substanzen vorgelegt werden können. Das Vorratsgefäß 12 ist aus einem im wesentlichen chemisch inerten Material, wie beispielsweise Glas, PTFE oder PVC ausgeführt. Das Vorratsgefäß 12 ist vorzugsweise zylindrisch gestaltet, wobei ein Ende des Vorratsgefäßes 12 offen ist und durch einen Stempel 14 verschlossen werden kann. Um die Verschließbarkeit des Vorratsgefäßes 12 unabhängig vom Stempel 14 zu gewährleisten, weist das Vorratsgefäß 12 vorzugsweise im Bereich seiner Öffnung ein auf die Außenwandung des Vorratsgefäßes 12 aufgeprägtes Gewinde 13 auf.
Der Stempel 14 umfasst vorzugsweise an seiner der zu dosierenden Substanz zugewandten Seite eine Dichtung 15, die beispielsweise mechanisch fixiert und somit austauschbar ausgeführt ist. Auf seiner der zu dosierenden Substanz abgewandten Seite geht der Stempel 14 in einem Kolbenschaft 16 über, der zur besseren Führung vorzugsweise vier geeignete Rippen aufweist. Der Stempel 14 sowie der Kolbenschaft 16 besteht vorzugsweise aus Edelstahl oder einem chemisch inerten Polymer wie PTFE oder PVC.
Eine Besonderheit des Dosierelements besteht darin, dass im Gegensatz zu üblichen, vor allem aus der Medizin bekannten Dosierspritzen die Dosierung der vorgelegten Substanzen durch eine Durchbrechung 18 des Stempels 14 hindurch erfolgt. Dazu weist der mit dem Stempel 14 verbundene Kolbenschaft 16 eine Dosierleitung 20 auf, durch die eine zu dosierende Substanz aus dem Vorratsgefäß 12 durch die Durchbrechung 18 hindurch transportabel ist. Auf seiner dem Stempel 14 abgewandten Seite weist der Kolbenschaft 16 beispielsweise eine mechanische Fixiervorrichtung 22 für eine Dosiernadel 24 auf. Die mechanische Fixiervorrichtung 22 ist dabei vorzugsweise als Luer-Lock-Verschluss ausgeführt.
Um eine automatisierte Dosierung im kurzen Zeittakt zu gewährleisten, weist das Vorratsgefäß 12 auf seiner der Öffnung gegenüberliegenden Seite und/oder der Stempel 14 bzw. Kolbenschaft 16 auf seiner der zu dosierenden Substanz abgewandten Seite eine Aufnahme oder Passung 26, 28 auf, die als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung dient.
Zur Dosierung wird vorzugsweise jeder zu dosierenden Substanz bzw. Substanzmischung ein separates Dosierelement zugeordnet. Dies vermeidet effektiv eine Vermischung bzw. Kontamination der Substanzen untereinander. Zur Befüllung des Dosierelements 10 wird zunächst dessen Stempel 14 entfernt und die Substanz im offenen Vorratsgefäß 12 vorgelegt. Dann wird der Stempel 14 in das Vorratsgefäß 12 eingeführt, wobei die dort vorhandene Luft über die Dosierleitung 20 entweichen kann. Der Stempel 14 wird vorzugsweise soweit eingeführt, dass die gesamte im Vorratsgefäß 12 vorhandene Luft verdrängt wird. Sollte es sich bei der vorgelegten Substanz um eine luftempfindliche Verbindung handeln, kann die Vorlage der Substanz in einer Schutzgasapparatur erfolgen bzw. eine bereits vorgelegte Substanz durch die Dosierleitung 20 hindurch auf übliche Weise entgast werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, im Vorratsgefäß 12 mehrere Substanzen sowie gegebenenfalls Lösungsmittel nacheinander einzufüllen und diese dann entweder mittels eines externen Rührwerks, wie beispielsweise einem Magnetrührer, oder mittels einer im Vorratsgefäß 12 vorgesehenen Rührvorrichtung, wie beispielsweise Glaskugeln, miteinander zu vermischen.
Die Dosierung der vorgelegten Substanzen bzw. Substanzgemische erfolgt, indem das Dosierelement 10 mittels einer mechanischen Greifvorrichtung an den Aufnahmen 26, 28 ergriffen wird, zum Ort der Dosierung überführt wird und dort durch Druck auf den Stempel 16 bzw. das Vorratsgefäß 12 eine Dosierung der vorgelegten Substanzen bzw. Substanzmischungen erfolgt.
Die Dosierungsvorrichtung umfasst somit mindestens ein Dosierelement 10, mindestens eine Greifvorrichtung und mindestens eine Steuereinheit zur Steuerung der Greifvorrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform dient das Dosierelement 10 zusätzlich als chemischer Reaktor. Dazu werden die im Vorratsgefäß 12 des Dosierelements 10 vorgelegten Substanzen vor deren Dosierung einer chemischen Reaktion unterworfen. Dazu kann das Dosierelement 10 eine entsprechende Heiz-, Rühr- bzw. Kühlvorrichtung aufweisen. Genauso können diese Vorrichtungen jedoch vorübergehend anbringbar oder lediglich zur Verfügung stehend ausgeführt sein.
In der 3a bis 3f sind verschiedene Varianten des Dosierelements 10 dargestellt, die sich insbesondere hinsichtlich des möglichen Dosiervolumens unterscheiden. Trotz unterschiedlichem Volumen der Vorratsgefäße 12 wird die Längsausdehnung des Dosierelements 10 weitgehend konstant gehalten. Verschiedene Volumina werden durch die Wahl entsprechender Durchmesser des Vorratsgefäßes 12 erzielt. Dies ermöglicht, dass Dosierelemente 10 unterschiedlicher Dosiervolumina nacheinander zur Dosierung herangezogen werden können, ohne dass es einer Adaptierung der mechanischen Greifvorrichtung bedarf. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Aufnahmen 26, 28 so zu gestalten, dass sie eine Kennung zur Identifikation des Dosiervolumens aufweisen, sodass die mechanische Greifvorrichtung automatisch an das entsprechende Dosiervolumen des gerade gehalterten Dosierelements adaptiert wird.
Das in 3a dargestellte Dosierelement ist mit abgenommener Dosiernadel 24 dargestellt, wobei deutlich wird, dass anstelle von Dosiernadeln auch andere Dosiervorrichtungen, wie Gießer, aufgesetzt werden oder das Dosierelement fest an eine geschlossene Dosier- oder Reaktionsapparatur angeschlossen werden kann. Das in 3f dargestellte Dosierelement ist anstelle mit einer Dosiernadel mit einer Hohlleitung oder einem Kolben mit erweitertem Durchmesser verbunden. Dieser kann Bestandteil einer Gesamtapparatur sein.
Die beschriebene Dosiervorrichtung eignet sich zur Dosierung insbesondere hochviskoser Medien wie beispielsweise Suspensionen oder Dispersionen.

Claims

Dosiervorrichtung, insbesondere zur Dosierung von Substanzen bei der Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, mit einem Dosierelement, das ein einseitig geöffnetes Vorratsgefäß (12) zur Aufnahme der zu dosierenden Substanzen, und einen Stempel (14) aufweist, der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) reversibel verschließt, und der vorzugsweise zentral mindestens eine Dosieröffnung (18) zur Dosierung der im Vorratsgefäß (12) vorgelegten Substanzen aufweist, wobei das Vorratsgefäß (12) und/oder der Stempel (14) eine Aufnahme (26, 28) als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung umfasst.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorratsgefäß (12) auf seiner der Öffnung gegenüberliegenden Begrenzungsfläche eine Aufnahme (26) aufweist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (14) mit einem Kolbenschaft (16) verbunden ist, der eine Dosierleitung (20) zur Dosierung der vorgelegten Substanzen aufweist und an dessen dem Stempel (14) abgewandtem Ende die Aufnahme (28) angebracht ist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (16) an seinem dem Stempel (14) abgewandten Ende mit einer austauschbaren Dosiernadel (24) verbunden ist.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (16) mit der Dosiernadel (24) durch ein Luer-Lock-Verschluss verbunden ist.
Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dosierelemente vorgesehen sind, deren Vorratsgefäße (12) eine im wesentlichen identische Längsausdehnung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Dosiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (26, 28) eine Kodierung zur Erkennung des Volumens oder des Durchmessers des zugehörigen Vorratsgefäßes (12) aufweist.
Dosierelement, insbesondere zur Dosierung von Substanzen bei der Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, mit einem einseitig geöffneten Vorratsgefäß (12) zur Aufnahme der zu dosierenden Substanzen, und einem Stempel (14), der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) reversibel verschließt, und der vorzugsweise zentral mindestens eine Dosieröffnung (18) zur Dosierung der im Vorratsgefäß (12) vorgelegten Substanzen aufweist, wobei das Vorratsgefäß (12) und/oder der Stempel (14) eine Aufnahme (26, 28) als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung umfasst.
Verfahren zur Dosierung von Substanzen, insbesondere zur Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, wobei in einem ersten Schritt in einem einseitig geöffneten Vorratsgefäß (12) die zu dosierenden Substanzen vorgelegt werden, dann in einem zweiten Schritt die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) reversibel mit einem Stempel (14), der axial beweglich ist, verschlossen wird und in einem dritten Schritt das Vorratsgefäß (12) durch eine mechanische Greifvorrichtung gegriffen wird und durch Druck auf den Stempel (14) die vorgelegte Substanz durch mindestens eine den Stempel (14) durchdringende Dosieröffnung (18) dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsgefäß (12) mindestens zwei Substanzen vorgelegt werden, die vor der Dosierung im Vorratsgefäß (12) durch eine in das Vorratsgefäß (12) integrierte oder von extern zugeführte Mischvorrichtung gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Verschluss des Vorratsgefäßes (12) mit einem Stempel (14) die vorgelegte Substanz durch die den Stempel (14) durchdringende Dosieröffnung (18) hindurch entgast wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsgefäß (12) eine chemische Umsetzung der vorgelegten Substanzen vor deren Dosierung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder ein Dosierelement nach Anspruch 8 verwendet wird.