DE4321688A1

DE4321688A1 - Kalorimeter zur präzisen Messung von Temperatursignalen in Flüssigphasen

Info

Publication number: DE4321688A1
Application number: DE19934321688
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof Dr Rer Nat Anderson; Hermann Dr Rer Nat Lubenow; Erhard Dipl Ing Hartmann; Eckhardt Brunner
Original assignee: Zirox Sensoren & Elektronik Gm
Current assignee: Zirox Sensoren & Elektronik Gm
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2013-07-01
Also published as: DE4321688C2

Description

Kalorimeter werden zur Messung von Wärmemengen bei physikali schen, chemischen und biologischen Reaktionen/Prozessen einge setzt. Die meisten Kalorimeter sind mit einem Thermostaten ausgerüstet, der je nach Bauart unterschiedliche Ziele ver folgt. Bei adiabatischen Kalorimetern muß dieser Thermostat den jeweiligen Reaktortemperaturen nachgeführt werden.

Bei isothermen Kalorimetern wird die Reaktortemperatur auf die Thermostatentemperatur nachgeführt, während sich bei isoperi bolen Kalorimetern diese Reaktortemperatur ändern kann, aber die Thermostatentemperatur unverändert konstant gehalten wer den muß. Die Temperaturmessung erfolgt einerseits unter Ver wendung temperaturabhängiger Widerstände (Pt, Ni und Thermi storen) und andererseits mittels Thermoelementen bzw. Thermo säulen. Die Temperaturmessung erfolgt häufig außen, nahe der Reaktorwand, aber auch im Inneren der Reaktoren (d. h. Realtem peratur).

Ob Mikro- (< 2 ml) oder Makroreaktoren (< 20 ml), das Haupt problem der am häufigsten angewendeten isoperibolen Technik besteht in der Gewährleistung der Temperaturkonstanz des umge benden Thermostaten. Diese Forderung ist nur erreichbar, wenn für ein homogenes Temperaturfeld gesorgt werden kann. Darauf werden unterschiedliche Bemühungen gerichtet.

Metallblockthermostaten zeigen hierbei unvermeidbare Inhomoge nitäten bzw. Temperaturgradienten. Flüssigkeitsthermostaten erfordern, daß dafür gesorgt wird, daß alle Volumenbereiche ständig hocheffektiv durchmischt werden. Hierbei gilt es, das richtige Verhältnis zwischen Viskosität der Flüssigkeit und der Strömungsführung herzustellen. Diese Probleme sind umso größer, je höher die Anforderungen an die Auflösung der Tempe ratursignale gestellt werden.

Ein wesentlicher Nachteil der sogenannten Wärmeflußkalorimeter besteht in ihrer relativ großen Zeitkonstante, wodurch eine Einschränkung der Anwendbarkeit entsteht. Die Innenmessung der Temperatur im Reaktor muß für reaktionskinetische Untersuchun gen so gestaltet werden, daß die Sensorzeitkonstante im Sekun denbereich liegt. Diese Anforderung wird von den meisten Gerä ten nicht erfüllt, insbesondere gemeinsam mit der Forderung der raschen Homogenisierung in der Reaktorzelle.

Aufgabe der Erfindung ist es, physikalische, chemische und biologische Prozesse, welche in Reaktoren ablaufen, mittels ihrer Temperatursignale zu verfolgen und dabei eine hohe Homo genität sowohl der Temperatur des Thermostaten als auch der Temperatur und der Konzentration im Reaktor zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird durch ein Kalorimeter gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 gelöst, in dessen Flüssigkeitsthermostaten mindestens ein Reaktor und mindestens eine, diesem Reaktor zugeordnete Präzisionsbürettenpumpe angeordnet ist, wobei der Reaktor mit der Präzisionsbürettenpumpe zur Einleitung einer Prozeßkomponente in den Reaktor über ein Einleitungsrohr in Verbindung steht und der Reaktor mit Mitteln zur Homogenisie rung des Reaktorinhaltes, mit Mitteln zur Erfassung der Tempe ratursignale und mit Mitteln zum Durchführen von Kalibriermes sungen und zum Einbringen definierter Wärmemengen in den Reak tor ausgestattet ist und der Flüssigkeitsthermostat Mittel zur Homogenisierung der Temperatur der Thermostatflüssigkeit auf weist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Ausführung des Kalorimeters in Zwillingsbauweise, wobei im Flüssigkeits thermostaten in mechanisch und thermisch symmetrischer Bauwei se zwei Reaktoren angeordnet sind und jedem der Reaktoren eine Präzisionsbürettenpumpe zugeordnet ist.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Kalorimeter in Zwillingsbauwei se und

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Kalorimeter gemäß Fig. 1.

Die Erfindung, die anhand eines Kalorimeters in Zwillingsbau weise beschrieben wird, gestattet es, physikalische, chemische und biologische Prozesse, welche in den Reaktoren des Kalori meters ablaufen, mittels ihrer Temperatursignale zu verfolgen und zu bewerten.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden zwei symmetrisch zueinander angeordnete, zylindrische Reaktoren 1, 1′ verwen det. Jedem dieser Reaktoren 1, 1′ wird eine Präzisionsbüret tenpumpe 2, 2′ zugeordnet. Dabei ist der Reaktor 1 mit der Präzisionsbürettenpumpe 2 über ein Einleitungsrohr 3 und der Reaktor 1′ mit der Präzisionsbürettenpumpe 2′ über ein Einlei tungsrohr 3′ verbunden. Die Einleitungsrohre 3, 31 dienen der Zuführung von definierten Prozeßkomponenten zu den Reaktoren 1′, 1′.

Jeder der Reaktoren 1, 1′ ist mit einer, durch einen außerhalb des Kalorimeters liegenden Antrieb 4 angetriebenen Mischturbi ne 5 und einem Strömungsleitzylinder 6 ausgestattet. Die Mischturbine 5 und der die Mischturbine 5 umgebende Strömungs leitzylinder 6 sorgen für eine Homogenisierung des Reaktorin haltes und damit zur Verbesserung der Prozeßbedingungen. Der Strömungsleitzylinder 6 ist innerhalb des Reaktors 1, 1′ koa xial zu diesem an dessen Verschlußdeckel angeordnet und reicht bis in den Bodenbereich des Reaktors 1, 1′. In der Mantelflä che des Strömungszylinders 6 befinden sich Durchbrüche 7, die eine Zwangsströmung der Flüssigphase unabhängig von deren Füllhöhe im Reaktor 1, 1′ und damit deren optimale Durchmi schung gewährleisten.

In jedem der Reaktoren 1, 1′ ist innerhalb des Strömungs leitzylinders 6 ein stabförmiger Präzisionskalibrierheizer 8 angeordnet, mit dem Kalibriermessungen vor und/oder nach der eigentlichen Messung durchgeführt werden, und der es somit ge stattet, die Reaktorparameter zu bestimmen, welche für die Auswertung der Meßergebnisse notwendig sind. Außerdem dient der Präzisionskalibrierheizer 8 im Bedarfsfall zur rascheren Angleichung der Reaktortemperatur an die Temperatur des Flüs sigkeitsthermostaten 9.

Weiterhin ist in jedem der Reaktoren 1, 1′ gleichfalls inner halb des Strömungsleitzylinders 6 ein Temperatursensor 10 zur Erfassung der Temperatursignale vorgesehen.

Schließlich befinden sich in jedem der Reaktoren 1, 1′ Zu- und Abführrohre 11, die eine Be- und Entgasung in den Reaktoren gewährleistet, wobei auch diese Elemente innerhalb des Strö mungsleitzylinders 6 angeordnet sind.

Die symmetrisch angeordnete, aus den beschriebenen Elementen Reaktor 1, 1′ und Präzisionsbürettenpumpe 2, 2′ bestehende Baugruppe wird in einen, eine hohe Temperaturkonstanz gewähr leistenden Flüssigkeitsthermostaten 9 eingesetzt. Im Flüssig keitsthermostaten 9 sind Strömungsleiteinrichtungen 12 so an geordnet, daß sie die Reaktoren 1, 1′ und die Präzisionsbüret ten 2, 2′ umgeben und im Zusammenwirken mit einer im Bodenbe reich des Flüssigkeitsthermostaten 9 befindlichen Turbine 13 für eine ausgezeichnete Temperaturhomogenität der Flüssigkeit des Flüssigkeitsthermostaten 9 sorgen. Die Turbine 13 wird mit einem außerhalb des Kalorimeters liegenden Antrieb 14 ange triebenen und gewährleistet ein Umwälzen der Flüssigkeit ent lang der Außenseite der Strömungsleiteinrichtungen 12 aus dem Bodenbereich des Flüssigkeitsthermostaten 9 nach oben und ent lang der Innenseite der Strömungsleiteinrichtungen 12 und zwi schen den Reaktoren 1, 1′ und den Präzisionsbürettenpumpen 2, 2′ zurück in den Bodenbereich des Flüssigkeitsthermostaten 9.

Der Flüssigkeitsthermostat 9 ist von einem Luftthermostat 16 umgeben, wobei der Luftthermostat 16 den Flüssigkeitsthermos tat 9 voll umhüllt und selbst ein geschlossenes, mit einer Heizung 17, einer, durch einen Antrieb 15 angetriebenen Turbi ne 18 und internen Luftleiteinrichtungen 19 zur Eliminierung der Umgebungstemperatureinflüsse ausgestattetes System bildet.

Sowohl der Flüssigkeitsthermostat 9 als auch der Luftthermos tat 16 sind durch Wärmeisolationsschichten gegeneinander und letzterer gegenüber der Umgebung isoliert.

Die Ausführung des Kalorimeters in symmetrischer Zwillingsbau weise ermöglicht den gleichzeitigen Ablauf physikalischer, chemischer oder biologischer Prozesse in zwei Reaktoren 1, 1′ und deren Verfolgung mittels ihrer Temperatursignale. Die Tem peratursignale werden unabhängig voneinander oder als Diffe renz mittels der Temperatursensoren 10 gemessen. Die vorgeleg ten Substanzen befinden sich bereits vor Beginn des Meßvorgan ges in den Reaktoren 1, 1′ und werden bei Bedarf mit Hilfe der Präzisionskalibrierheizer 8 temperiert. Gleichzeitig erfolgt die Temperierung der in den Präzisionsbürettenpumpen 2, 2′ enthaltenen Komponenten.

Die Zugabe dieser Komponenten zu den Reaktoren 1, 1′ erfolgt zeitlich und mengenmäßig momentan oder nach einem frei wähl baren Programm. Durch die symmetrische Anordnung im Flüssig keitsthermostaten 9 und gleicher Eintauchtiefe der Reaktoren 1, 1′ und der Präzisionsbürettenpumpen 2, 2′ wird gewährlei stet, daß nach der Temperierung die Temperaturdifferenz zwi schen den Inhalten der Reaktoren 1, 1′ und den Inhalten der Präzisionsbürettenpumpen 2, 2′ gegen Null geht.

Es ist selbstverständlich, daß verschiedene andere Modifika tionen für jene, die mit der Technik vertraut sind, offen sichtlich sind und von diesen leicht vorgenommen werden kön nen, ohne von dem Geltungsbereich dieser Erfindung abzuwei chen. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, daß der Gel tungsbereich der hier angefügten Ansprüche auf die Beschrei bung beschränkt ist, wie sie im Vorstehenden dargelegt worden ist, sondern vielmehr, daß die Ansprüche so auszulegen sind, daß sie alle Merkmale von patentfähiger Neuartigkeit umfaßt, die in der vorliegenden Erfindung liegen, einschließlich aller Merkmale, die als Äquivalent davon durch jene behandelt wer den, die mit der Technik vertraut sind, zu der diese Erfindung gehört.

Bezugszeichenliste

1, 1′ Reaktor
2, 2′ Präzisionsbürettenpumpe
3, 3′ Einleitungsrohr
4 Antrieb
5 Mischturbine
6 Strömungsleitzylinder
7 Durchbruch
8 Präzisionskalibrierheizer
9 Flüssigkeitsthermostat
10 Temperatursensor
11 Zu- und Abführrohr
12 Strömungsleiteinrichtung
13 Turbine
14 Antrieb
15 Antrieb
16 Luftthermostat
17 Heizung
18 Turbine
19 Luftleiteinrichtung.

Claims

1. Kalorimeter zur präzisen Messung von Temperatursignalen in Flüssigphasen, bestehend aus einem inneren Flüssigkeitst hermostaten (9) und einem diesen umgebenden Luftthermosta ten (16), dadurch gekennzeichnet, daß im Flüssigkeitsther mostaten (9) mindestens ein Reaktor (1) und mindestens eine, diesem Reaktor (1) zugeordnete Präzisionsbüretten pumpe (2) angeordnet sind, wobei der Reaktor (1) mit der Präzisionsbürettenpumpe (2) zur Einleitung einer Prozeß komponente in den Reaktor (1) über ein Einleitungsrohr (3) in Verbindung steht und der Reaktor (1) mit Mitteln zur Homogenisierung des Reaktorinhaltes, mit Mitteln zur Er fassung der Temperatursignale und mit Mitteln zum Durch führen von Kalibriermessungen und zum Einbringen definier ter Wärmemengen in den Reaktor (1) ausgestattet ist und der Flüssigkeitsthermostat (9) Mittel zur Homogenisierung der Temperatur der Thermostatflüssigkeit aufweist.

2. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Flüssigkeitsthermostaten (9) in mechanisch und ther misch symmetrischer Bauweise zwei Reaktoren (1, 1′) ange ordnet sind, wobei jedem der Reaktoren (1, 1′) eine Prä zisionsbürettenpumpe (2, 2′) zugeordnet ist.

3. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einleitungsrohr (3) in Form einer Düse im Oberteil des Reaktors (1) mindestens bis zur Flüssigkeitsoberfläche ausgebildet ist.

4. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einleitungsrohr (3) in Form eines Kapillarrohres im Oberteil des Reaktors (1) mindestens bis zur Flüssig keitsoberfläche ausgebildet ist.

5. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einleitungsrohr (3) mit einer in den Reaktor (1) ge richteten Tropfenableiteinrichtung versehen ist.

6. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich in jedem Reaktor (1) Zu- und Abführrohre (11) befin den, die eine Be- und Entgasung in dem Reaktor (1) gewähr leisten.

7. Kalorimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Reaktor (1) zur Homogenisierung des Reaktorinhaltes mit einer, durch einen außerhalb des Kalorimeters liegen den Antrieb (4) angetriebenen Mischturbine (5) und einem Strömungsleitzylinder (6) ausgestattet ist, wobei der Strömungsleitzylinder (6) innerhalb des Reaktors (1) koa xial zu diesem bis in dessen Bodenbereich reichend ange ordnet ist, und sich in der Mantelfläche des Strömungs leitzylinders (6) eine Zwangsströmung der Flüssigphase unabhängig von deren Füllhöhe im Reaktor und damit deren optimale Durchmischung gewährleistende Durchbrüche (7) befinden.

8. Verfahren zur präzisen Messung von Temperatursignalen in Flüssigphasen in einem Kalorimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusammenführung der Pro zeßkomponenten die gleichzeitige Temperierung der Prozeß komponenten innerhalb des Flüssigkeitsthermostaten voraus geht.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe der zweiten bzw. letzten Prozeßkomponente nach der exakten Temperatureinstellung des Reaktionsgemisches zeitlich und mengenmäßig nach einem frei wählbaren Pro gramm erfolgt.