DE60007636T2

DE60007636T2 - Zentrifugalverdampfer für Proben mit Abschirmung der direkten Heizungswärme und homogener Heizwirkung

Info

Publication number: DE60007636T2
Application number: DE2000607636
Authority: DE
Inventors: Michael Friston Cole
Original assignee: Genevac Ltd
Current assignee: Genevac Ltd
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 2000-07-07
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2020-07-08
Also published as: WO2001004600A1; DE60007636D1; EP1196757B1; ATE257593T1; US7179651B1; EP1196757A1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Zentrifugalverdampfer, die verwendet werden, um Lösungsmittel zu verdampfen, die gelöstes Material enthalten, um Letzteres in trockenem Zustand zu gewinnen.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt Fälle, in denen solches Material in unterschiedlichen Lösungsmitteln gelöst wird (oder in Mischungen aus zwei oder mehr Lösungsmitteln in unterschiedlichen Anteilen) und durch gleichzeitige Verdampfung der Lösungsmittel gewonnen werden soll. Ein Beispiel ist das Produkt einer präparativen HPLC-Maschine. Wenn Material in einem zusammengesetzten Lösungsmittel gelöst wurde, das zwei oder mehr Komponenten hat, deren Anteil von einer Probe zur anderen unterschiedlich ist (z. B. Wasser und Acetonitril in unterschiedlichen Anteilen), kann das Lösungsmittel bei dem genannten Beispiel von fast reinem Wasser zu fast reinem Acetonitril variieren. Acetonitril ist flüchtiger als Wasser und hat eine geringere Verdampfungswärme, so dass es in einem Zentrifugalverdampfer schneller verdampft, was zu unterschiedlichen Probenmassen während der Verdampfung führt. Dies bringt zwei Probleme mit sich.
Erstens können unausgeglichene Ladungen erzeugt werden. Verschiedene Techniken sind vorgeschlagen worden, um dieses erste Problem zu lösen.
Zweitens besteht die Möglichkeit der Überhitzung von Proben, die eher als andere trocknen. Dies kann auftreten, wenn Material in Lösungsmittelmischungen gelöst wird, die einen höheren Anteil der flüchtigeren Komponente enthalten als die anderen Proben. In dieser Situation kann ein fortgesetztes Erhitzen der Proben zur Vollendung der Verdampfung der Lösungsmittelmischungen, die einen höheren Anteil der weniger flüchtigen Komponente enthalten, zu einer Überhitzung des getrockneten Materials führen. Proben, die noch verdampfen, erreichen keine höhere Temperatur als die der verdampfenden Flüssigkeit, aber trockene Proben können Temperaturen erreichen, die hoch genug sind, um das Rückstandsmaterial zu schädigen, wenn keine Maßnahmen getroffen werden, um dieses Material zu schützen.
Bei einer Anordnung, die dafür vorgesehen ist, dieses Problem zu überwinden, wurde vorgeschlagen, Probenbehälter in vier oder mehr Aluminiumblöcken in Schwingeimern in einem Verdampfer anzuordnen, wie in 1 dargestellt. Hier ist der Aluminiumblock mit dem Bezugszeichen 10 und einer der Probenbehälter mit 12 bezeichnet. Der Block ist in einem Eimer 14 angeordnet, der frei um ein Drehgelenk 16 schwingen kann, so dass, wenn der Rotor 18 stillsteht, die Eimer vertikal hängen, wie auf der linken Seite von 1 gezeigt. Wenn der Rotor 18 seine Drehgeschwindigkeit aufnimmt, indem er die vertikale Welle 20 dreht, schwingen die Eimer nach oben und außen aus der Position, die auf der linken Seite von 1 gezeigt ist, und nehmen unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft eine horizontale Position ein, wie auf der rechten Seite von 1 gezeigt.
Eine Überhitzung wird verhindert, indem die Temperatur eines der Blöcke erfasst wird und die Wärmezufuhr zu der rotierenden Anordnung gesteuert wird, um die Temperatur bei oder unter der maximalen zulässigen Trockenmaterialtemperatur zu halten. Vorausgesetzt, dass die Verteilung der unterschiedlichen Lösungsmittelmischungen in allen Proben in allen Blöcken gleichmäßig ist (was leider nicht garantiert werden kann), kann dies Proben schützen, die trocken werden. Aber in Fällen, in denen das Material in Lösungsmittelmischungen mit zufällig unterschiedlicher Zusammensetzung gelöst ist (was häufiger der Fall ist), kann ein Block, dessen Temperatur nicht gesteuert wird, relativ mehr Proben enthalten, die einen hohen Anteil der flüchtigeren Komponente enthalten, und alle Proben darin können trocken werden, während die Proben in dem Block, dessen Temperatur gesteuert wird, noch Lösungsmittel enthalten können. Unter diesen Umständen kann die Temperatur des Blocks, dessen Temperatur nicht gesteuert wird, auf einen Wert ansteigen, bei dem eine Beschädigung des darin vorhandenen trockenen Rückstands-Probenmaterials auftreten kann.
Dieses Problem könnte gelöst werden, indem ein Temperatursensor in jedem Probenblock angeordnet wird und die Wärme zu jedem Block unabhängig gesteuert wird, so dass jeder Block unterhalb der zulässigen Höchsttemperatur bleibt. Dies kann jedoch teuer und schwierig zu verwirklichen sein, insbesondere bei einer großen Zahl von Probenblöcken.
Ein Zentrifugalverdampfer ist aus der US-5 217 572 bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Bereitstellung von Wärme zu ermöglichen, um die Verdampfungsgeschwindigkeit von Proben unterschiedlicher Zusammensetzung, insbesondere unterschiedlicher Lösungsmittelzusammensetzung, zu erhöhen, die daher unterschiedliche Verdampfungsgeschwindigkeiten haben können, ohne zuzulassen, dass schneller trocknende Proben beim Trocknen überhitzt werden, während den langsamer verdampfenden Proben noch Wärme zum Trocknen zugeführt wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, die in den unabhängigen Patentansprüchen definiert ist, ist ein Probenhalter zur Verwendung in Zentrifugalverdampfern, welche Erhitzungsmittel zur Unterstützung des Verdampfungsprozesses umfassen, aus einem Material gebildet, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat und dafür vorgesehen ist, Behälter aufzunehmen, von denen jeder eine zu verdampfende Probe enthält, und die Behälter sind so in dem Halter montiert, dass weder die Probenbehälter noch ihr Inhalt Wärme direkt von dem Heizmittel, sondern nur von dem Halter aufnehmen können.
Der Probenhalter weist einen Block aus einem Material auf, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, wobei ein bevorzugtes Material hierfür Aluminium ist.
Der Querschnitt des Probenhalters wird so gewählt, dass sichergestellt ist, dass beim Einsatz nirgendwo in dem Probenhalter merkliche Temperaturgradienten vorhanden sind.
Die Probenbehälter können direkt in dem Block aus hochleitfähigem Material oder in Zwischenhaltern befestigt werden, die in Vertiefungen in dem Block angebracht sind.
Bei einem einlagigen Verdampfer ist es machbar, den Probenhalter aus einem einzelnen Block aus hochleitfähigem Material herzustellen. Obwohl dies auch bei einem viellagigen Verdampfer möglich ist, ist dies unpraktisch und teuer, und der Probenhalter in einem viellagigen Verdampfer ist vorzugsweise aus mehreren Probenhaltern aufgebaut, die durch Abstandselemente so verbunden sind, dass ein Temperaturunterschied zwischen angrenzenden Probenhaltern minimiert wird.
Die Querschnitte der Probenhalter und Abstandselemente sind so gewählt, dass Wärmegradienten in dem gesamten Aufbau auf einem sehr niedrigen Wert gehalten werden.
Vorzugsweise sollte die Temperaturabweichung in dem gesamten Aufbau während des Verdampfens weniger als 1°C betragen.
Vorzugsweise werden die Probenbehälter starr in einem festgelegten Winkel zur Vertikalen gehalten. Vorzugsweise liegt der festgelegte Winkel zwischen 35° und 65°.
Die Erfindung betrifft auch einen Zentrifugalverdampfer, der einen Probenhalter gemäß der obigen Beschreibung umfasst.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Erhitzen von Proben in einem Zentrifugalverdampfer, das die Schritte umfasst: Befestigen der Proben mit gutem Thermokontakt zu einer Masse von Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, welches einen Probenhalter bildet, und Zuführen von Energie zum Erhitzen des Probenhalters und damit der Proben, wobei der Probenhalter die Proben von direkter Wärmeenergie abschirmt, wodurch die Proben keine direkte Wärme erhalten, sondern nur durch die Masse des Materials von hoher Wärmeleitfähigkeit, das den Probenhalter bildet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Steuern der Erhitzung von Proben in einem Zentrifugalverdampfer zur Unterstützung der Verdampfung von Lösungsmittel aus ihnen, wobei die Proben in Behältern angeordnet sind, die in einem Probenhalter wie oben genannt angeordnet sind, dessen Temperatur kontrolliert wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verhindern von Überhitzungsschäden an trockenem Material, wenn Energie zugeführt wird, um Lösungsmittel in anderen Proben zu verdampfen, wobei die Proben in Behältern angeordnet sind, die in einem Probenhalter wie oben genannt angeordnet sind, und die Probenbehälter durch das Probenhaltermaterial von direkter Wärmeenergie abgeschirmt sind, wobei die Temperatur des Probenhaltermaterials kontrolliert wird, und die Wärmeenergie reduziert oder abgeschaltet wird, wenn die Temperatur des Halters ein vorher bestimmtes Maximum übersteigt.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 1, 3a und 3b beschrieben, die Probenhalter zeigen, wie sie in Zentrifugalverdampfern verwendet werden können, und beispielhalber unter Bezugnahme auf die übrigen 2, 4, 5 und 6 der beigefügten Zeichnungen.
Wie zuvor erwähnt zeigt 1 einen früheren Vorschlag zur Lösung des Problems der Überhitzung von Proben, die eher trocknen als andere derselben Charge.
3a zeigt eine bekannte Form eines aus Aluminium hergestellten Probenhalters, bei dem Probenbehälter (typischerweise Glasröhren) in röhrenförmigen Hülsen angeordnet sind (die auch aus Metall, möglicherweise auch Aluminium hergestellt sein können), die um einen Rand einer flachen Schale mit dünnem Querschnitt gehalten werden. Eine externe Quelle führt den Hülsen und den Proben darin Wärme zu, aber die Hülsen sind nur thermisch durch den dünnen Querschnitt des Rands verbunden, der, sogar wenn er aus Aluminium hergestellt ist, noch die Existenz eines deutlichen Temperaturgradienten zwischen einer Hülse und einer anderen an dem Rand zulässt.
Die Temperatur getrockneter Proben kann deshalb bezüglich angrenzender Proben, die Flüssigkeit enthalten (und deshalb bei Vorhandensein von Lösungsmittel auf einer niedrigeren Temperatur bleiben), deutlich ansteigen, wenn das Erhitzen fortgesetzt wird, um Proben zu trocknen, in denen noch Lösungsmittel übrig ist. Ein solches An steigen der Temperatur kann zu einer Überhitzung der getrockneten Proben und zu deren Beschädigung führen.
Andere in einem Winkel angeordnete Probenhalter sind aus einer Reihe von getrennten Platten 28, 30 und 32 hergestellt worden, wie in 3b gezeigt. Hier haben die Platten elliptische Öffnungen zum Aufnehmen der Probenröhren 34, die dadurch in einem ähnlichen Winkelverhältnis zur Vertikalen gehalten werden.
Keine dieser Aufbauformen verhindert, dass Wärme die Röhren direkt erreicht, und löst auch nicht das Problem der Überhitzung von Proben, die eher als andere trocknen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in 2 dargestellt. Ein Block aus festem Aluminium 22 weist eine Vielzahl von Öffnungen mit einem Winkel von 45° auf, in die Röhren 24, die die Proben enthalten, eng anliegend eingesetzt werden und dadurch in einem Winkel von 45° zu der vertikalen Welle 26 gehalten werden.
Der Block 22, der die Röhren 24 trägt, die die Proben enthalten, wird von der vertikalen Welle 26 in einer Kammer (nicht gezeigt) gedreht, und diese wird auf eine für Zentrifugalverdampfer bekannte Art evakuiert. Strahlungswärme wird durch eine Heizvorrichtung 27 auf den äußeren Rand des Aluminiumblocks 22 aufgebracht. Das Vorhandensein des Aluminiums verhindert, dass Strahlung direkt die Röhren erreicht, die die Proben enthalten.
In ähnlicher Weise kann die Unterseite des Blocks 22 zusätzlich zu oder an Stelle des äußeren Rands durch ein Heizmittel (nicht gezeigt), das in geeigneter Weise bezüglich des Blocks angeordnet ist, erhitzt werden.
Zwei oder mehr Heizvorrichtungen wie 27 können an Stelle einer einzelnen Heizvorrichtung wie gezeigt um den Block 22 angeordnet sein. Ebenso kann die oder jede Heizvorrichtung eine beliebige zweckmäßige Form haben und kann z. B. eine oder mehrere Quellen von Strahlungswärmeenergie oder Mikrowellenenergie umfassen, oder eine RF-Induktionsspule kann sich im Wesentlichen darum herum erstrecken.
Ein optisches Pyrometer 36 erfasst die Temperatur des Blocks entfernt durch ein Fenster in der Vakuumkammerwand. Alternativ kann ein Temperatursensor in oder an dem Block angebracht sein, mit einem Mittel zur Übertragung von Signalen, die Temperaturinformationen enthalten, an einen Empfänger außerhalb der Vakuumkammer. Eine Entschlüsselung der Ausgabe des Pyrometers oder Signale von dem Fernempfänger können verwendet werden, um Signale zu erzeugen, die den Betrieb der Heizvorrichtung(en) so steuern, dass der Wert der Temperatur des Blocks/der Blöcke hoch genug bleibt, um eine rasche Lösungsmittelverdampfung zu ermöglichen, aber unter dem Wert bleibt, bei dem das Probenmaterial Beschädigungen erleidet. Dies wird erreicht, da sogar, wenn der Inhalt einer Röhre vollständig trocken wird, die Röhre und ihr nun trockener Restinhalt trotzdem nicht die Temperatur des Aluminiumblocks überschreiten können, und durch Steuern der Wärmeenergie bezüglich der Blocktemperatur wird getrocknetes Probenmaterial geschützt.
Eine weitere Ausführungsform ist in 4 und 5 gezeigt. Hier werden die Probenröhren 38 eng anliegend in Öffnungen in Aluminium-Zwischenblöcken 40 gehalten, von denen einer in 4 dargestellt ist. Die Zwischenblöcke werden in Vertiefungen 42 in dem drehbaren Hauptblock 44 so eingepasst, dass die Probenröhren in einem Winkel zwischen 35° und 65°, typischerweise 45°, zur Achse der vertikalen Welle 46 angeordnet sind.
Wenn die Zwischenblöcke 40 an ihrem Platz sind, wird der Hauptblock 44 auf seine Drehgeschwindigkeit gebracht und einem Vakuum ausgesetzt, während Wärme durch die Heizvorrichtung 50 der Unterseite des Haupt-Aluminiumblocks zugeführt wird, wie dargestellt (oder deren Rand durch eine alternativ angeordnete Heizvorrichtung 51). Die Temperatur des Hauptblocks 44 und damit die Maximaltemperatur der Zwischenblöcke 40 wird kontrolliert und entsprechend gesteuert, wobei Signale von einem optischen Pyrometer 48 und ein Temperatursteuerungssystem wie oben in Bezug auf 2 beschrieben verwendet werden.
6 zeigt eine Weiterentwicklung der in 5 gezeigten Anordnung, bei der die Blöcke 40 in zwei Tabletts 44a und 44b angebracht sind, die zwei Lagen einer zusammengesetzten Anordnung bilden. Jede Lage weist Blöcke 40 und Röhren 38 auf. Die Tabletts sind auf einer Welle 46 getragen und von dieser (vertikal) beabstandet.
Ein fester Aluminium-Abstandhalter 47 ist zwischen ihnen in gutem Thermokontakt mit jedem der Tabletts angeordnet. Wärme wird durch zwei Strahlungsquellen 50a und 50b zugeführt (obwohl eine Wärmequelle ausreichend sein kann, und falls gewünscht mehr als zwei verwendet werden können). Ein optisches Pyrometer 48 kontrolliert die Temperatur einer der Lagen. Durch Auswahl des Abstandhalters 47, so dass er eine ausreichende Masse und einen ausreichend guten Thermokontakt mit den beiden Lagen hat, behalten beide Lagen im Einsatz ihre Temperatur im Wesentlichen bei, so dass, wenn die Wärmezufuhr zu einer von ihnen gesteuert wird und dadurch sichergestellt wird, dass ihre Temperatur einen sicheren Wert nicht übersteigt, die andere auch auf einer sicheren Temperatur gehalten wird, bezogen auf getrocknetes Probenmaterial darauf.

Claims

Probenhalter (22, 44, 44a, 44b), der besonders für die Verwendung in einem bestimmten Typ von Zentrifugalverdampfer angepasst ist, wobei der Probenhalter aus einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt und zur Aufnahme von Probenbehältern (24, 38) geeignet ist, die Lösungsmittel und Probenmaterial enthalten, wobei der Zentrifugalverdampfer Mittel (27, 50, 51, 50a, 50b) zur Erzeugung von Strahlungswärme aufweist, das so angeordnet ist, dass es den Probenbehältern Wärme zuführt, um das Lösungsmittel zu verdampfen, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenhalter – so konstruiert ist, dass das Lösungsmittel und das Probenmaterial in dem Probenhalter, wenn sie in den Zentrifugalverdampfer gegeben werden, keine Strahlungswärme direkt von dem Mittel zur Erzeugung von Strahlungswärme erhalten, sondern Wärme nur durch den Probenhalter erhalten; und – einen Querschnitt hat, der so gewählt ist, dass Temperaturgradienten innerhalb des Probenhalters minimiert werden, so dass während der Verdampfung Probenbehälter, aus denen das Lösungsmittel verdampft ist, im Wesentlichen die gleiche Temperatur beibehalten wie diejenigen, die noch Lösungsmittel enthalten.
Probenhalter nach Anspruch 1, der für die Aufnahme von Probenbehältern so angepasst ist, dass die Probenbehälter in direktem Kontakt mit dem Probenhalter stehen.
Probenhalter nach Anspruch 1, der für die Aufnahme von einem oder mehreren Zwischenhaltern (40) angepasst ist, in dem/denen die Probenbehälter befestigt sind.
Probenhalter nach einem der vorigen Ansprüche, der in Kombination mit einem oder mehreren anderen Probenhaltern (44a, 44b) ein Paket mit einem Abstands element (47) zwischen aneinander grenzenden Haltern bildet, wobei das Abstandselement einen Querschnitt hat, der so gewählt ist, dass der eine andere oder die mehreren anderen Probenhalter im Wesentlichen die gleiche Temperatur beibehalten wie der Probenhalter.
Probenhalter nach einem der vorigen Ansprüche, der einen Querschnitt hat, der so gewählt ist, dass die Temperaturabweichung in dem gesamten Probenhalter weniger als 1°C beträgt.
Zentrifugalverdampfer, der ein Heizmittel und einen Probenhalter nach einem der vorigen Ansprüche umfasst.
Zentrifugalverdampfer nach Anspruch 6, bei dem das Mittel zur Erzeugung von Strahlungswäme eine RF-Induktionsheizvorrichtung oder eine Quelle von Mikrowellenenergie umfasst.
Zentrifugalverdampfer nach Anspruch 6 oder 7, der ein Temperaturmessmittel und ein Steuerungsmittel umfasst, wobei das Temperaturmessmittel so betätigbar ist, dass es die Temperatur des Probenhalters bestimmt, und das Steuerungsmittel so betätigbar ist, dass es den Energiefluss zu dem Heizmittel unterbricht, wenn die Temperatur des Probenhalters eine Schwellentemperatur überschreitet.
Zentrifugalverdampfer nach Anspruch 8, bei dem das Temperaturmessmittel ein optisches Pyrometer (36, 48) umfasst.
Verfahren zum Verdampfen von Lösungsmittel aus Probenmaterial in einem Zentrifugalverdampfer, so dass trockenenes Probenmaterial zurückbleibt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (1) Befestigen von Probenbehältern, die das Lösungsmittel und das Probenmaterial enthalten, in einem Probenhalter, der aus einem Material von hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt ist und einen Querschnitt hat, der so gewählt ist, dass Temperaturgradienten innerhalb des Probenhalters minimiert werden, so dass während der Verdampfung die Probenbehälter, aus denen das Lösungsmittel verdampft ist, im Wesentlichen die gleiche Temperatur beibehalten wie diejenigen, die noch Lösungsmittel enthalten; (2) Zuführen von Energie zu einem Mittel zur Erzeugung von Strahlungswärme zur Erwärmung des Probenhalters, wobei der Probenhalter wiederum die Probenbehälter erwärmt, wobei der Probenhalter so konstruiert ist, dass während der Verdampfung Lösungsmittel und Probenmaterial in dem Probenhalter keine Strahlungswärme direkt von dem Mittel zur Erzeugung von Strahlunggwärme erhalten, sondern Wärme nur durch den Probenhalter erhalten.