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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur multiplen, gleichzeitigen
und parallelen Synthese chemischer Verbindungen, insbesondere zur
multiplen, gleichzeitigen und parallelen Synthese chemischer Verbindungen
an festen Trägermaterialien,
sowie eine Vorrichtung, zur Weiter-behandlung von Aliquoten an einem
polymeren Träger
gebundener chemischer Verbindungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs
11 sowie Verwendungen dieser letzt genannten Vorrichtung.
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Multiple
Synthesemethoden wurden in den vergangenen zehn Jahren vor allem
in der Peptidchemie entwickelt. Nachdem sich die Erkenntnis durchgesetzt
hat, daß eine
Vielzahl von Peptiden biologische Aktivität in menschlichem Körper entfalten, ist
vor allem in der Pharmaindustrie ein großer Bedarf an synthetischen
Peptiden entstanden. Derartige neue Peptide, die meist eine Kettenlänge bis
etwa 20 Aminosäuren
aufweisen, werden besonders effektiv durch kombinatorische Methoden
in fester Phase synthetisiert. Dabei werden Aminosäuren an
funktionale Träger
gekuppelt und die aus der herkömmlichen
Festphasensynthese bekannten Deblockierungs-, Wasch- und Kupplungsschritte
für jeden
Synthesezyklus, das heißt
das Anfügen
einer weiteren Aminosäure,
sequentiell wiederholt. Im Gegensatz zur klassischen Synthese werden
in einem Prozeßschritt
nicht nur zwei, sondern viele verschiedene Aminosäuren miteinander
gekuppelt. Inzwischen sind Syntheseautomaten, sogenannte Peptid-Synthesizer,
auf dem Markt, die mit Hilfe von Pipetierrobotern diese Schritte
computergesteuert durchführen und
so eine vollautomatische Synthese von über 100 unterschiedlichen Peptiden
gleichzeitig ermöglichen. So
lassen sich auch sogenannte Peptidbibliotheken aufbauen, die hunderttausende
unterschiedliche Peptide umfassen können und bei der Suche nach neuen
Leitstrukturen für
die Entwicklung neuer, hochwirksamer Therapeutika oder bei der Epitopkartierung
von immunologisch wichtigen Proteinen von großem Nutzen sind.
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In
jüngster
Zeit gewinnen jedoch auch nicht-peptidische Verbindungen in der
pharmazeutischen Industrie eine immer größer werdende Bedeutung bei
der Suche nach derartigen Leitstrukturen.
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Nahezu
alle Standardreaktionen der organischen Chemie lassen sich mit Hilfe
geeigneter Träger-,
Anker- und Schutzgruppen mit Hilfe der Festphasensynthese durchführen und
sind damit prnzipiell auch den kombinatorischen Synthesverfahren
zugänglich.
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Eine Übersicht über die
Entwicklung der kombinatorischen Synthese bei Suche nach Leitstrukturen
für neue
Therapeutika finden sich in dem Artikel von N.K. Terrett et al.
aus Tetrahedron 51, 8135–8173
(1995) und den Artikeln von M.A. Gallop et al. aus J.Med.Chem. 37,
1233–1251
(1994) und J.Med.Chem. 37, 1386–1401
(1994). Die in der kombinatorischen organischen Synthese heute gebräuchlichen
Gruppen und die damit durchführbaren Reaktionen
wurden kürzlich
von J.S. Früchtel
und G. Jung in Angew.Chem. 108, 19–46 (1996) beschrieben.
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Ähnlich wie
bei der automatisierten Herstellung synthetischer Peptide lassen
sich mit allgemeinen, kombinatorischen Methoden in der organischen Chemie
eine Vielzahl neuer oligomerer und nicht oligomerer Verbindungen
herstellen. Von besonderem Vorteil ist dabei die Festphasensynthese,
da aufgrund der meist kovalenten Bindung der Reaktionsedukte und
-produkte an einen festen Träger
die ansonsten sehr zeitaufwendigen Reinigungs- und Isolierungsschritte wesentlich
verkürzt
werden und somit eine vereinfachte Reaktionsdurchführung möglich wird.
Durch einfaches Auswaschen des polymergebundenen Produktes lassen
sich die Reaktionen mit einem sehr hohen Überschuß an Reagenz durchführen, so
daß der
Reaktionsablauf in Richtung eines höheren Umsatzes positiv beeinflußt werden
kann. Durch eine geringe Belegung der polymeren Träger lassen
sich unerwünschte
Nebenreaktionen, wie Quervernetzungen und Mehrfachkupplungen stark verringern.
Vor allem ist aber hervorzuheben, daß die Festphasensynthese prinzipiell
automatisierbar ist, was eine Grundvoraussetzung zur multiplen,
gleichzeitigen Synthese von Einzelverbindungen und Verbindungsbibliotheken
mit kombinatorischen Methoden darstellt. Sogenannte Verbindungsbibliotheken können prinzipiell
nach zwei unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden:
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A) "Split- und Recombinemethode"
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Die
herkömmliche
organische Festphasensynthese wird dabei so abgewandelt, daß nicht
auf einer bestimmten Menge Harz eine Substanz synthetisiert wird,
sondern daß das
einzelne Harzpartikel den kleinsten Reaktionsraum für die individuelle
Synthese einer einzelnen Substanz darstellt. Betrachtet man beispielsweise
ein geeignetes Harz mit Kügelchen
von 88 μm
Durchmesser, so besteht 1 g dieses Harzes aus ca. 2,86 Millionen
Harzkügelchen.
Zunächst
wird die gesamte Harzmenge auf einzelne Reaktionsgefäße verteilt
und dann mit für
jedes Reaktionsgefäß individuellen
Synthesebausteinen gekuppelt. Nach der Reaktion werden die Harze
gut vermischt und wieder in gleichen Portionen auf die einzelnen
Reaktionsgefäße verteilt.
Dann wird die Reaktion mit den Synthesebausteinen der zweiten Reaktionsstufe
durchgeführt.
Dabei kann es sich natürlich
um die gleichen Synthesebausteine wie bei der ersten Reaktion handeln.
Betrachtet man als Beispiel eine Peptidbibliothek aus Peptiden mit
einer Kettenlänge
von 5 Aminosäuren,
so lassen sich aus den 20 natürlichen
Aminosäuren
mit dem geschilderten Verfahren 205 = 3,2 Millionen unterschiedliche Peptide
herstellen.
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B) Parallele und individuelle
Synthese von chemischen Verbindungen:
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Dabei
werden Substanzen individuell in getrennten Reaktionsräumen synthetisiert.
Um die Synthese nach den Anforderungen der kombinatorischen Chemie
durchzuführen,
werden ganze Substanzklassen, wie zum Beispiel Hydantoine, Benzodiazepine, Silbene,
Benzyl- und Arylpiperazine usw. parallel und individuell synthetisiert.
Werden beispielsweise in einem ersten Schritt na verschiedene Substanzen
A mit dem polymeren Träger
gekuppelt, dann in einem zweiten Schritt nb verschiedene Substanzen
B gekuppelt und schließlich
in einem dritten Schritt nc verschiedene Substanzen C angekuppelt,
so benötigt man
insgesamt na × nb × nc verschiedene
Reaktionsgefäße, wenn
man alle möglichen
Paarungen der Matrix AiBjCk (i = 1...na, j = 1...nb, k = 1...nc) synthetisieren
will.
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Die
Verbreitung derartiger kombinatorischer Methoden in der organischen
Chemie wird bisher vor allem dadurch behindert, daß diese
Verfahren mit den üblichen
Laborgeräten
wie sie in der organischen Synthese eingesetzt werden, nicht durchgeführt werden
können.
Es besteht vielmehr ein Bedarf an neuartigen, rechnergesteuerten
Syntheseautomaten, die eine vollständige oder zumindest weitgehende
Automatisierung aller bei der kombinatorischen Festphasensynthese
auftretenden Arbeitsschritte ermöglichen.
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Die
bei der Peptidsynthese bereits eingesetzten Syntheseautomaten sind
für einen
breiteren Einsatz bei der Synthese organischer Verbindungen nicht
geeignet, da in der allgemeinen organischen Synthese Probleme auftauchen,
die bei der Synthese von Peptiden nicht bekannt sind. Dazu gehören insbesondere
die bei der allgemeinen Synthese häufig auftretende Notwendigkeit
unterschiedlichste Reaktionsbedingungen zu verwirklichen, die beispielsweise Aufheizen,
Kühlen,
Rühren
des Reaktionsgemisches und die Durchführung der Reaktion unter einer
inerten Atmosphäre
oder unter Rückfluß erfordern
können.
Außerdem
müssen
die Materialien der entsprechenden Vorrichtung, die mit den Reaktanten
in Kontakt kommen, resistent gegen die unterschiedlichsten bei der
organischen Synthese eingesetzten Reagenzien, Lösungsmittel und Reaktionsbedingungen
sein.
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Eine
Vorrichtung zur multiplen, gleichzeitigen und parallelen Synthese
chemischer Verbindungen gemäß Oberbegriff
des vorliegenden Anspruchs 1 ist aus dem amerikanischen Patent
US 53 24 483 A bekannt.
Die dort beschriebene Vorrichtung erlaubt gegenüber den aus der Peptidsynthese
bekannten Vorrichtungen größere Anwendungsmöglichkeiten
in der allgemeinen Festphasensynthese, insbesondere das Arbeiten
unter Schutzgas, das Heizen und Kühlen des Reaktionsraums, Rückflusskühlung sowie
das Durchmischen des Reaktionsgemisches.
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Die
aus
US 53 24 483 A bekannte
Vorrichtung besitzt jedoch gewisse Nachteile, die mit Einschränkungen
des Einsatzspektrums bei der multiplen, parallelen Synthese chemischer
Verbindungen verbunden sind. So sind insbesondere die Möglichkeiten
der Reaktionsführung
stark eingeschränkt.
Die als U-förmige
Töpfchen
ausgebildeten einzelnen Reaktionsräume, in die Harz enthaltende
Reaktionsröhrchen
eintauchen, an deren unterem Ende ein Filter vorgesehen ist, lassen
praktisch keine Manipulation der Reaktanten zu. Sämtliche
für einen
Prozessschritt erforderlichen Reaktanten müssen bereits vor Beginn der
Reaktion im Rektionsansatz vorliegen. Die einzelnen Reaktionsgefäße werden
durch eine Haube verschlossen und können, gegebenenfalls von einem
gekühlten
Schutzgas umströmt
werden, jedoch ist kein Reaktionsablauf unter Gegenstrom des Schutzgases
möglich.
Das geschlossene Reaktionssystem führt auch zu Einschränkungen
hinsichtlich Volumen-, Konzentrations- und Reaktantenänderungen während eines Prozessschrittes.
Das Durchmischen der Reaktanten ist bei der bekannten Vorrichtung
nur durch Schütteln
der gesamten Anordnung möglich.
Dies bedeutet aber, dass während
der Durchmischung keinerlei Manipulationen am System durchführbar sind,
also insbesondere keine Probenentnahme oder Reagenzzugabe. Ferner
erfolgt die Temperierung der Reaktionsräume der bekannten Vorrichtung
durch Eintauchen in ein flüssiges
Temperiermedium. Damit sind aber Einschränkungen beim Transport der
Reaktionseinheit verbunden, so dass sich das System nur unzureichend
für einen
Einsatz in vollautomatisierten Syntheseanlagen eignet.
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In
US 53 24 483 A wird
außerdem
das Dokument
DE 40
05 518 A1 genannt, das eine Vorrichtung zur multiplen,
parallelen gleichzeitigen Synthese von Peptiden beschreibt. In
US 53 24 483 A wird
betont, dass die Vorrichtung der
DE 40 05 518 A1 für allgemeine chemische Synthesen
weniger geeignet ist. In der Vorrichtung der
DE 40 05 518 A1 sitzen die
Reaktionsgefäße in einem
Deckel und münden
in eine darunter befindliche Absaugwanne.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Vorrichtung
zur multiplen, gleichzeitigen und parallelen Synthese chemischer Verbindungen
der oben bezeichneten Art, die eine kompakte, vollständig modular
aufgebaute und im Betrieb transportable Reaktoreinheit aufweist,
mit der praktisch alle gängigen
Verfahren der kombinatorischen Festphasenchemie durchführbar sind
und die für
den Einsatz in vollautomatischen Syntheseanlagen geeignet ist, sowie
einer Vorrichttung zur Weiterbehandlung von Alignoten an einem polymeren
Träger
gebundener chemischer Verbindungen und Verwendungen letztere anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtungen mit den Merkmalen der vorliegenden Ansprüche 1 und
11 sowie die Verwendungen nach den Ansprüchen 16 und 17. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäßen Reaktionsmodule sind
demnach als offene Systeme konzipiert, die vielfältigste Reaktionsführungen
zulassen. Beispielsweise kann von unten Schutzgas in die Reaktionsgefäße eingeperlt
werden. Das eingeperlte Schutzgas sorgt für eine Durchmischung der oberhalb
des Filters im Reaktionsgefäß befindlichen
Reaktanten, was sich für
die bei der Festphasensynthese verwendeten Harze als ein besonders
schonendes Durchmischungsverfahren herausgestellt hat. Aufgrund
des offenen Systems können
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Reaktionen durchgeführt
werden, die mit starken Volumenänderungen
oder Gasentwicklung verbunden sind. Ebenso lassen sich von unten
beispielsweise gasförmige
Reaktanten einperlen oder Flüssigkeiten
aus dem Reaktionsgefäß absaugen.
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Der
einfache Zugang durch die obere Öffnung
der Reaktionsgefäße ermöglicht erlaubt
jederzeit Probenentnahmen und/oder Zugabe von Reaktanten. Als besonderer
Vorteil erweist sich dabei, daß die
Reaktionsgefäße nicht
geschüttelt
werden müssen,
da die Durchmischung durch das einperlende Gas erfolgt.
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Dimension
und Anzahl der eine Reaktionsmodul bildenden Reaktionsgefäße können nahezu beliebig
variiert werden.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere
für die
multiple, parallele Synthese geeignet ist, können auch Split & Recombine Verfahren durchgeführt werden.
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Bevorzugt
weist das Fußteil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sparate, wahlweise mit den Reaktionsgefäßen verbindbare Bauelemente
auf. Dabei handelt es zum einen um eine Gasbeschickungseinheit,
bei welcher der Beschickungskanal über einen Gaseinlaß mit Gas
beschickbar ist, das über
die Bohrungen der Ausnehmungen in die Reaktionsgefäße eingeperlt
werden kann, und zum anderen um eine Absaugeinheit, in deren Absaugkanal
ein Unterdruck erzeugbar ist, um Flüssigkeit aus den Reaktionsgefäßen über die
Filter und die Bohrungen in die Absaugeinheit zu saugen.
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Innerhalb
eines Syntheseautomaten können die
Fußteile
im Laufe des Reaktionsprozesses nach Bedarf mit geeigneten Greifern
oder Schiebern ausgetauscht werden.
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In
den Bohrungen der Gasbeschickungseinheit sind vorteilhaft Druchflußsteuerungen
zur individuellen Flußsteuerung
für jedes
Reaktionsgefäß vorgesehen.
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Die
Absaugeinheit kann in einer anderen Ausführungsform auch separate Sammelbehälter aufweiseb,
die jeweils einem Reaktionsgefäß zugeordnet
sind.
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Vorteilhaft
ist der Halter für
die Reaktionsgefäße temperierbar
und umgibt wenigstens einen Teilabschnitt jedes Reaktionsgefäßes. Die
Temperierung kann beispielsweise durch außen an den Halter lösbar anflanschbare
Temperierbacken erfolgen, etwa Peltierelemente, die eine Aufheizen
und Abkühlen
in einem weiten Temperaturbereich ermöglichen.
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Die
Reaktionsgefäße weisen
bevorzugt in der Nähe
ihrer oberen Öffnungen
seitliche Ausgänge auf,
durch die Reaktionsgase abgesaugt und/oder Schutzgas in die Reaktionsgefäße eingeblasen
werden kann. Dazu ist ein Deckelteil vorgesehen, das die Ausgänge umgibt
und einen Anschluß für Schutzgas bzw.
eine Verbindung zur einer Saugpumpe besitzt. Die Reaktionsgefäße selbst,
oder auf ihnen befindliche Stutzen, führen durch das Deckteil hindurch
und münden
in die Atmosphäre.
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Der
Kühlbereich
der Reaktionsgefäße ist vorteilhaft
wenigstens teilweise von einem temperierbaren Kühlmantel umgeben. Auch hier
ist eine Kühlung
von außen über an den
Mantel anflaschbare Kühlbacken
denkbar.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bestehen die Reaktionsgefäße jeweils
aus einer separaten Reaktionskammer und einem separaten Kondensationsaufsatz,
die lösbar
in einem Verbindungsbereich flüssigkeits-
und gasdicht miteinander verbunden sind, wobei der Kühlmantel
vorteilhaft gleichzeitig als Halter für die Kondensationsaufsätze dient.
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Die
Einzelkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere
die Teile, die mit den Reaktanten und den Lösungsmiteln in Kontakt kommen,
bestehen vorteilhaft aus chemisch weitgehend inerten Materialien
wie Glas, Quarzglas, Edelstahl, Polytetrafluorethylen oder perfluoriertem
Elastomer.
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Der
Filter kann eine poröse
Platte aus einem chemisch inerten Material wie Sinterglas, Keramik, Edelstahl,
perfluoriertem Polymer oder Polytetrafluorethylen sein.
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Außerdem betrifft
die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Weiterbehandlung
von Aligoten der mit kombinatorischen Methoden an einen polymeren
Träger
gebundenen chemischen Verbindungen, insbesondere Verbindungen, die
der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung synthetisiert
wurden. Bei der erfindungsgemäßen Weiterbehandlungsvorrichtung
handelt es sich um eine Filtrier- und Reaktionseinheit mit separaten
in einem Halter angeordneten, oben und unten offenen Gefäßen aus
einem chemisch inerten Material und einer mit dem Halter dicht verbindbaren,
evakuierbaren Sammeleinheit, in welche die Gefäße mit ihrer unteren Öffnung hineinragen,
welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Gefäße als Mikrofiltrationsgefäße ausgebildet
sind, die in ihrem Inneren jeweils einen Filter aufweisen, der die
Mikrofiltrationsgefäße in einen
oberen Reaktionsraum und einen unteren Auslass unterteilt, wobei
die Mikrofiltrationsgefäße im Mikrotiterplattenformat
in dem Halter angeordnet sind.
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Das
Mikrotiterplattenformat erlaubt die Verwendung standardisierter
automatischer Pipetier- und Analysegeräte.
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Die
Sammeleinheit weist eine Auffangschale auf, in welcher die aus den
Mikrofiltrationsgefäßen abgesaugten
Flüssigkeiten
gesammelt werden.
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Die
Sammeleinheit weist außerdem
eine Kollektoreinheit auf, die separate, den einzelnen Mikrofiltrationsgefäßen zugeordneten
Sammelgefäße umfasst,
in denen die aus den Mikrofiltrationsgefäßen abgesaugten Flüssigkeiten
gesammelt werden. In diesem Fall ragen die Mikrofiltrationsgefäße vorteilhaft
in die Sammelgefäße hinein.
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Bevorzugt
bestehen die Mikrofiltrationsgefäße, die
Auffangschale und die Kollektoreinheit aus Glas, Quarzglas, Edelstahl,
perfluoriertem Elastomer oder Polytetrafluorethylen.
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Ebenso
bestehen die Filter bevorzugt aus einem chemisch inerten Material
wie Sinterglas, Keramik oder Polymermembran.
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Vorteilhaft
ist die Anzahl der Reaktionsgefäße im Mikrotiterplattenformat
ein ganzzahliges Vielfache oder ein ganzzahliger Teil von 96.
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Bevorzugt
wird die erfindungsgemäßen Reaktions-
und Filtriereinheit zur Abspaltung von an fester Phase synthetisierten
chemischen Verbindungen von den polymeren Trägermaterialien eingesetzt.
Die abgespaltenen Verbindungen können
direkt in den Sammelgefäßen auf
ihre biologische Aktivität
untersuchtm werden.
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Es
ist aber auch denkbar, die Reaktions- und Filtriereinheit zur kombinatorischen
Festphasensynthese chemischer Verbindungen zu nutzen.
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Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur
multiplen, gleichzeitigen und parallen Synthese chemischer Verbindungen
lassen sich durch kombinatorische Synthesemethoden in jeder Reaktionskammer
individuell unterschiedliche Substanzen synthetisieren. Die neu
synthetisierten Verbindungen müssen
dann mit Hilfe eines biologischen Assays auf eventuell biologisch
aktive Substanzen untersucht werden. Für den Assay benötigt man
nur kleinste Mengen an Substanz. Typischerweise werden zur Durchführung der
Assays Mikrotiterplatten verwendet, die 96 Löcher oder ein Vielfaches davon
besitzen. Da die herkömmlichen
Mikrotiterplatten zur Analyse von biologischen Proben eingesetzt
werden, kommen sie in der Regel nur mit wäßrigen Lösungsmitteln in Berührung. Der
Assay kann mit der noch am polymeren Träger gebundenen Substanz oder mit
der vom Träger
abgespaltenen löslichen
Substanz durchgeführt
werden.
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Werden
die Substanzen in Lösung
dem Assaysystem zugeführt,
so müssen
die Verbindungen zunächst
an einer Sollbruchstelle vom polymeren Träger gespalten und anschließend vom
Träger
extrahiert werden. Die Kinetik bestimmter Abspaltprozesse verläuft jedoch
sehr langsam und kann im Bereich von mehreren Minuten bis zu mehreren
Stunden liegen. Hierzu muß das
Harz für
die gesamte Zeit im Lösungsmittel/Abspaltreagenz
suspendiert werden. Da es sich bei organischen Bibliotheken um sehr
komplexe und unterschiedliche chemische Strukturen handelt, die
sich stark in ihrer Löslichkeit unterscheiden
können,
muß mit
unterschiedlichen organischen Lösungsmitteln
extrahiert werden. Eine wesentliche Vereinfachung der Abspaltung
und anschließenden
Analyse im Assaysystem besteht darin, daß die Substanzen direkt in
die Mikrotiterplatte überführt werden
können
und die Abspaltung ebenfalls in einer Einheit, die Mikrotiterplattenformat
hat, durchgeführt
wird.
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Mikrotiterplatten
sowie die dazugehörigen Filtereinheiten
bestehen heute im allgemeinen aus Polymermaterialien, wie Polystyrol
oder Polycarbonat, die chemisch gegen organische Lösungsmittel nicht
inert sind. Da häufig
die biologische Aktivität von
Substanzen mit Hilfe optischer Methoden untersucht wird, müssen die
Mikrotiterplatten darüber
hinaus bestimmte Anforderungen an ihre optische Transparenz in bestimmten
Wellenbereichen erfüllen.
Werden Materialien, wie Polystyrol oder Polycarbonat, die geeignete
optische Eigenschaften besiten, verwendet, so muß die Substanz nochmals aliquotiert
und verteilt werden. Da es sich häufig um geringste Substanzmengen
handelt, müssen
Interaktionen mit den Oberflächen
der Sammel- und Meßgefäße verhindert werden. Chemisch inerte Polymermaterialien
wie Polytetrafluorethylen und Polyethylen neigen jedoch zu hydrophoben
Wechselwirkungen mit hydrophoben Probemolekülen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Weiterbehandlung ist modular aufgebaut und alle Kontaktflächen bestehen
aus Gas.
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Ein
besonders bemerkenswerter Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist darin zu sehen, daß bereits
während
der Reaktion im Reaktormodul kleinste Mengen Harz mit daran kovalent
gebundenen Reaktionsprodukten entnommen werden können und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Mikrotiterplatte auf
ihre biologische Wirksamkeit untersucht werden können, und so beispielsweise
entschieden werden kann, ob die Reaktion bereits abgebrochen werden kann
oder ob weitere Reaktionsschritte erforderlich sind.
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Bei
einfacheren Reaktionen, die beispielswiese keine Kühleinheit
und keine Synthese unter Schutzgas erfordern, kann die erfindungsgemäße Mikrotiterplatte
selbst zur multiplen Durchführung von
chemischen Reaktionen verwendet werden. Darüber hinaus ist sie zur Extraktion
chemischer Verbindungen ohne Einschränkungen an den verwendeten Lösungsmitteln
geeignet.
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Die
erfindungsgemäßen Vorrichtungen
sind modulare, transportable Einheiten, die insbesondere für den Einsatz
in vollautomatischen Syntheseanlagen geeignet sind, die beispielsweise
verteilte Heiz-, Kühl-,
Reaktions- und Waschstationen aufweisen können, zu denen die erfindungsgemäßen Module rechnergesteuert
transportiert werden können.
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Im
Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher
beschrieben.
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In
den Zeichnungen zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch ein erfindungsgemäßes Reaktormodul,
das 12 separaten Reaktionsgefäße umfaßt, wobei
das Fußteil
eine Gasbeschickungseinheit ist;
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2 einen
Querschnitt durch das Reaktormodul der 1 entlang
der Linie II-II;
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3 einen
Querschnitt durch das Haltegestell des Reaktormoduls der 1 entlang
der Linie III-III; 4 zwei Klammern zum Verbinden
der Systemkomponenten der Reaktoreinheit aus 1 im Schnitt
entlang der Linie IVa-IVa bzw. IVb-IVb in 3;
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5 einen
Längsausschnitt
des Reaktormoduls der 1, wobei das Fußteil eine
Absaugeinheit ist;
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6 einen
Längsausschnitt
des Reaktormoduls der 1, wobei das Fußteil eine
Absaugeinheit mit separaten Sammelbehältern ist;
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7 eine
Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Weiterbehandlung von Aliquoten;
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8 einen
Längsschnitt
der Vorrichtung der 7 entlang der Linie VIII-VIII;
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9 einen
Ansicht gemäß 8 des
Halters der Vorrichtung der 7 mit geöffneter
Bügelklemme.
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In 1 ist
ein Reaktormodul 10 dargestellt, das aus einer Anzahl separater
Reaktionsgefäße 12 besteht.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist
das Reaktormodul 10 insgesamt zwölf Reaktionsgefäße 12 auf,
wobei in dem in 1 dargestellten Schnittbild
sechs Reaktionsgefäße sichtbar
sind. Jedes Reaktionsgefäß besteht
aus einer Reaktionskammer 13 und einem auf die Reaktionskammer
aufgesetzten Kondensationsröhrchen 14.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind Reaktionskammer 12 und Kühleinheit 14 als Einzelkomponenten
ausgeführt
und durch einen lösbaren
Verbindungsbereich 16 flüssigkeits- und gasdicht miteinander
verbunden. Der Verbindungsbereich 16 kann, wie dargestellt,
als Kegelschliffe ausgeführt
sein, als besonders vorteilhaft hat sich jedoch insbesondere im
Hinblick auf einen automatisierten Betrieb der Einsatz von Kugelschliffen
erwiesen, die beim Zusammensetzen der Komponenten zu einer gewissen
Selbstausrichtung von Reaktionskammer 12 und Kühleinheit 14 führen. Das
Reaktormodul 10 und die einzelnen Reaktionsgefäße bestehen
aus chemisch weitgehend inertem Material, wie zum Beispiel Glas,
Quarzglas, Edelstahl, Polytetrafluorethylen (PTFE), Kalrez® (Marke der
Fa. DuPont für
perfluoriertes Elastomer), usw. Anzahl und Abmessungen der einzelnen
Reaktionsgefäße innerhalb
eines Reaktormoduls sind in weiten Grenzen variierbar. Insbesondere
besteht, wie weiter unten deutlich werden wird, die Möglichkeit,
einzelne Reaktormodule 10, je nach spezifischen Anforderungen,
zu größeren Einheiten
zusammenzusetzen. Das Reaktormodul 10 ist auch im betriebsfähigen Zustand
transportabel.
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Die
Reaktionskammer 12, in die ein polymerer Träger, Lösungsmittel
und Reaktanten eingefüllt werden,
wird nach unten durch eine Filterplatte 18 oder eine Fritte
abgeschlossen. Das einzelne Reaktionsgefäß 12 ist als offenes
System konzipiert. Am unteren Ende der Reaktionskammer 12 ist
ein Auslaß 26 vorgesehen,
während
sich am oberen Ende der Kühleinheit 14 eine Öffnung 22 zur
Atmosphäre
befindet. Im oberen Bereich der Kühleinheit ist außerdem ein
seitlicher Ausgang 20 vorgesehen, der zum Absaugen von
gasförmigen
Reaktionsprodukten oder zum Einblasen von Schutzgas dient.
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Die
Reaktionsräume 12 des
Reaktormoduls sind temperierbar. Im in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
sind die einzelnen Reaktionskammern 13 zu diesem Zweck
in einen Reaktorhalter 46 eingesetzt. Bei dem Reaktorhalter 46 kann es
sich um einen Metallblock handeln, der Kanäle für ein erwärmtes oder gekühltes Temperiermittel
aufweist, besonders bevorzugt ist jedoch ein massiver Block aus
einem wärmeleitfähigem Matgerial
mit Bohrungen für
die einzelnen Reaktionsgefäße, an dessen
Seitenflächen
Temperierelemente, beispielsweise elektrisch betriebene Peltierelemente,
zum Aufheizen oder Kühlen
des Reaktorblocks angeflanscht werden. Aus diesem Grund ist insbesondere die
in 2 dargestellte Ausführungsform mit zwei Reihen
von Reaktionselementen im Hinblick auf eine schnelle und effiziente
Temperierung günstig.
Entsprechend sind die Kondensationseinheiten 14 von einem
kühlbaren
Kühlmantel 48 umgeben.
Auch hier erweist sich im Hinblick auf einen modularen Aufbau und
eine automatisierte Handhabung der einzelnen Reaktormodule 10 eine
Kühlung
durch seitliches Anflanschen eines Kühlelementes als besonders günstig. Falls
Reaktionskammer 12 und Kondensationseinheiten 14 aus
einem relativ wärmeleitfähigen Material
bestehen, kann im Verbindungsbereich 16 eine Trennschicht
aus einem Matgerial mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein. Der
Temperaturbereich, in dem die Reaktoren gekühlt oder beheizt werdne können, liegt
vorteilhaft zwischen –70°C und +200°C. Der Temperaturbereich
der Kühleinheit 14 reicht
bis –100°C.
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Das
Reaktormodul wird nach unten durch ein Fußteil 30 abgeschlossen,
bei dem es sich je nach Prozeßführung um
eine Verschlußeinheit
mit Gasdurchführung
oder eine Absaugeinheit handeln kann. Bei der in den 1 und 3 dargestellten
Ausführungsform
ist das Fußteil 30 eine
Verschlußeinheit mit
Gasdurchführung. Über einen
Gaseinlaß 32 mit Rückschlagklappe
können
beispielsweise Schutzgas oder gasförmige Reaktanten in das Gasreservoir 38 einströmen. Das
Gasreservoir wird im stationären Zustand
kontinuierlich mit Gas versorgt, wodurch die Reaktionslösung durchmischt
und gleichzeitig eine Inertgasatmosphäre aufgebaut wird. Für jedes
Reaktionsgefäß ist eine
Gasaustrittsöffnung
dienende Bohrung 35 in den Ausnehmungen 33 vorgesehen, die
so geformt ist, daß der
Auslaß 26 der
Reaktionskammer 13 dicht in die Ausnehmung einsetzbar ist.
In der Bohrung 35 befindet sich eine, beispielsweise als Kapillare
ausgeführte
Durchflußsteuerung 36,
die eine flußgesteuerte
Begasung jedes einzhelnen Reaktors ermöglicht. Durch die am Gaseinlaß 32 vorgesehene
Rückschlagklappe
kann das Gasreservoir 38 unter einen erhöhten Druck
gesetzt werden, so daß die
Begasung der Reaktionskammer 13 sogar dann möglich ist,
wenn das komplette Reaktionsmodul, beispielsweise beim Transport
von einem Arbeitsplatz zu einem anderen innerhalb eines komplexen, automatisierten
Syntheseautomaten, von der Gasversorgung abgekoppelt ist.
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Das
Fußteil 30,
die Reaktionsräume 12 und die
Kühleinheiten 14 bilden
drei Einzelkomponenten eines Reaktormoduls 10, die durch
geeignete, in 2 dargestellte, Verbindungselemente 40, 42 zusammengehalten
werden. Während
das Verschlußelement 40,
das die Verbindung von Kühleinheit 14 und
Reaktionskammer 12 gewährleistet,
im allgemeinen nur zu Reinigungsarbeiten gelöst werden muß, ist vor
allem für
die Verbindungsklemme 42, welche die Reaktionsräume 12 mit
dem Fußteil 30 verbindet, ein
Verschlußelement
erforderlich, das durch geeignete Greifer oder Manipulatoren automatisch
geöffnet
werden kann, da je nach Prozeßführung ein mehrmaliger
Austausch von Verschlußeinheit
mit Gasführung
und Absaugeinheit erforderlich sein kann.
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Eine
mögliche
Ausführung
der des das Reaktormodul 10 umgebenden Haltegestells 44 und
der Verbindungelemente 40, 42 ist in den 3 und 4 dargestellt.
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Die
in 5 dargestellte Absaugeinheit 30b besitzt
im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie die in 1 und 2 dargestellte
Beschickungseinheit 30a, außer daß die Bohrungen 35 keine
Durchflußsteuerung 36 aufweisen. 6 zeigt
eine Abwandlung des Fußteils
der 5, wobei für
jedes Reaktionsgefäß 12 individuelle
Sammelbehälter 37 vorgesehen
sind.
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Die
Absaug- und Entsorgungseinheit 30b besitzt Bohrungen, über die
flüssige
Medien aus den Reaktoren entsorgt werden können oder sie kann in einer
anderen Ausführungsform
mit Behältern
ausgerüstet
sein, in denen die flüssigen
Phasen jedes einzelnen Reaktorraums diskret gesammelt werden können. Das
Entleeren der Reaktoren erfolgt durch Anlegen eines Unterdrucks
an die Entsorgungseinheit oder Sammeleinheit.
-
Nicht
dargestellt in 1 und 2 ist die Kopfabsaugeinheit
am Kopf der Reaktionsräume. Die
Kondensationsaufsätze 14 bezw.
die sie verlängernden
Stutzen 28 ragen dabei in die Kopfabsaugeinheit. In diesem
Bereich sind sie mit einem seitlichen Ausgang 20 versehen.
Durch das Absaugen wird gewährleistet,
daß gegen
die aus den Reaktionskammern 13 strömenden Gase immer ein entgegengerichteter
Strom entsteht und somit ein Austritt von Reaktionsgasen in die
Atmosphäre
sicher verhindert wird. Über
eine Ventilschaltung kann Schutzgas auf die Absaugeinheit gegeben
werden und so während des
Entleerungsvorgangs der Reaktoren die Reaktionskammern 13 weiter
mit Schutzgas geflutet werden. Für
die nötige
Abdichtung zwischen Reaktionskammer 12 und Kühleinheit 14 sorgen
Federn 24, die den nötigen
Druck für
die Herstellung einer gasdichten Verbindung im Bereich 16 aufbringen.
Auch der Anpreßdruck
der Reaktionsräume
auf die Verschluß- und
Entsorgungseinheit 30a bzw. die Absaugeinheit 30b des
Fußteils 30 ist
variabel und kann über
Federkraft geregelt sein.
-
Der
Betrieb des dargestellten Reaktormoduls ergibt sich wie folgt:
-
a) Beschicken der Reaktoren:
-
Hierzu
wird der Halter mit den Reaktionsgefäße mit der Verschlußeinheit
verbunden. Gas wird über
die Verschlußeinheit
durch die Filterplatte in die Reaktionskammer geleitet und der Reaktor
von oben mit Reaktionsmedium beschickt. Der Reaktor kann dabei temperiert
werden.
-
b) Reaktion:
-
Der
Reaktor wird temperiert und die Reaktionslösung durch das sie durchströmende Schutzgas durchmischt.
Die Kondensationseiheit wird gekühlt.
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c) Stofftrennung feste
Phase/flüssige
Phase:
-
Hierzu
wird der Halter mit den Reaktionsgefäßen automatisch auf die Absaugeinheit
umgesetzt und durch Anlegen eines Unterdrucks entleert. Über den
Reaktorkopf kann dabei gleichzeitig Schutzgas in das Reaktorgefäß strömen. Damit
wird insbesondere auch verhindert, daß Sauerstoff aus der Atmosphäre beim
Absaugen in die Reaktionskammern gelangt.
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d) Diskretes Sammeln der
Reaktorinhalt:
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Hierzu
wird wird der Halter mit den Reaktionsgefäßen automatisch auf die Absaugeinheit
umgesetzt und durch Anlegen eines Unterdrucks wird in getrennten
Gefäßen gesammelt. Über den
Reaktorkopf kann Schutzgas in die Reaktionskammern einströmen.
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In
den 7 bis 9 ist die erfindungsgemäße Reaktions-
und Filtriervorrichtung 50 dargestellt. In der in 4 dargestellten
Aufsicht sind alle 96 Positionen der Standardmikrotiterplatte dargestellt.
Es können
jedoch auch Mikrotiterplatten verwendet werden, die ganzzahlige
Vielfache oder Teile dieses üblichen
Mikrotiterplattenformats umfassen. Diese standardisierten Systeme
eignen sich besonders für
den Einsatz mit ebenfalls bekannten, standardisierten Pipettierrobotern.
Es können
jedoch auch individuelle Lösungen
ohne Einschränkungen hinsichtlich
der Zahl und Anordnung der verwendeten Einheiten gewählt werden.
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Die
Reaktions- und Filtriervorrichtung 50 besteht aus einer
gewissen Anzahl von Mikrofiltrationsgefäßen 52, die aus einem
chemisch inerten Material wie Glas, Edelstahl, Kalrez® oder
PTFE bestehen. In den Mikrofiltrationsgefäßen sind Fitler 54 angeordnet,
die beispielsweise aus Sinterglas oder einer Polymermembran bestehen
können
und deren Porosität
in weiten Grenzen wählbar
ist. Die einzelnen Mikrofiltrationsgefäße 52 sitzen in einem
Halteblock aus inertem Material wie Glas, Edelstahl, Teflon, Kalrez
oder PTFE. Die Reaktions- und Filtriervorrichtung 50 besitzt
einen seitlichen Abschluß 64,
an welchen wahlweise Über-
oder Unterdruck angelegt werden kann.
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Die
Mikrofiltrationsgefäße 52 mit
ihrem zugehörigen
Halter 56 sitzen dicht auf einer Auffangschale 60.
Zwischen Auffangschale 60 und Halter 56 kann eine
Dichtung 58 angeordnet sein. Die Auffangschale 60 dient
zum Auffangen der Waschflüssigkeiten
und besitzt einen seitlichen Anschluß, durch welchen die Lösungsmittel
kontinuierlich entsorgt werden können.
Die Kollektoreinheit 60b weist einzelne Sammelgefäße 62 auf,
die jeweils unter den zugehörigen Mikrofiltrationsgefäßen 52 angeordnet
sind. Auch die Sammelgefäße 64 der
Kollektoreinheit 62 bestehen bevorzugt aus einem interen
Material. Der Halter 56 für die Mikrofiltrationsgefäße 52 ist
mit der Auffangschale 60 bzw. der Kollektoreinheit 60b über mindestens
eine Klemme 68 verbunden. Es kann außerdem ein geeignetet außerer, stapelbarer
Halter 70 vorgesehen sein, der mit einem Klemmbügel 66 den
Halteblock 56 mit den Mikrofiltrationsgefäße 52 und
die Sammeleinheit 60 verbindet und gleichzeitig ein sicheres
Aufeianderstapeln mehrerer Reaktions- und Filtriervorrichtungen 50 erlauben.
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Die
Funktionsweise der erfindungsgemäßen Reaktions-
und Filtriervorrichtung ergibt sich wie folgt:
Eine bestimmte
Menge einer harzgebundenen Harzbibliothek wird in die Mikrofiltrationsgefäße gebracht. Es
kann sich dabei um eine Kugel pro Gefäß bis zu mehreren tausend Kugeln
pro Gefäß handeln.
- a) Die Filter/Reaktionseinheit wird dann dicht
auf die Auffangschale 60 agesetzt, die in 8 gestrichelt
dargestellt ist, also keine einzelnen Sammelgefäße besitzt, sondern im wesentliche
eben ist. Eine Dichtung zwischen der Filter/Reaktionseinheit und
der Auffangschale garantiert dabei die notwendige Abdichtung. Durch
Zugabe eines Lösungsmittels
in die Mikrofiltrationsgefäße wird
das Harz suspendiert. Durch Anlegeen eines Unterdrucks an die Filter/Reaktionseinheit über den
Unterdruckanschluß 64 wird
das Lösungsmittel
vom Polymer getrennt und über
die Auffangschale 60 abgesaugt. Dieser Vorgang kann beliebig
oft wiederholt werden um so einen Reinigungseffekt am Polymer zu
erzielen.
- b) Alternativ kann eine Anordnung mit Kollektoreinheit 60b gewählt werden,
bei der die Mikrofiltrationsgefäße in die
einzelnen Sammelgefäße 62 hineinragen.
Dadurch wird eine Kreuzkontamination vermieden. Durch Anlegen eines
Unterdrucks an die Filtrier/Reaktionseinheit wird das Lösungsmittel
wieder vom Polymer getrennt und diesmal in diskreten Sammelgefäßen 62 gesammelt.
Auch hier kann dieser Vorgang beliebig oft wiederholt werden um
einen gesteigerten Reinigungseffekt am Polymer zu erzielen.
- c) Die Filtrier- und Reaktionseinheit wird dicht auf die Sammeleinheit
gesetzt. Eine Dichtung zwischen der Filtrier- und Reaktionseinheit
und der Sammeleinheit garantiert wieder die Abdichtung. Durch Zugabe
eines Lösungsmittels
bzw. eines Reagenzes wie Mikrofiltrationsgefäße wird das Harz suspendiert.
Durch Anlegen eines Überdrucks,
wobei hier wieder der Unterdruckanschluß 64 verwendet werden
kann, ist es möglich, das
Lösungsmittel
oberhalb des Filters 54 in den Mikrofiltrationsgefäßen 52 zu
halten. Damit wird es möglich,
auch chemische Reaktionen in den Mikrofiltrationsgefäßen durchzuführen. Aufgrund der
Tatsache, daß die
Mikrofiltrationsgefäße in die Sammelgefäße 62 der
Kollektoreinheit 60b ragen wird auch bei der Durchführung von
chemischen Reaktionen eine Kreuzkontamination zwischen den einzelnen
Mikrofiltrationsgefäßen 52 vermieden.
Schließlich
wird wieder Unterdruck an die Reaktions- und Filtriereinheit gelegt
und das Reagens und/oder Lösungsmittel
vom Harz abgetrennt. Es folgt ein erneutes Resuspendieren des Polymers
und das Absaugen der extrahierten Verbindungen vom Polymer.