EP0589363B1 - Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen automatischen Mischen eines Reaktionsgemisches in enem Analysegerät - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen automatischen Mischen eines Reaktionsgemisches in enem Analysegerät Download PDF

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EP0589363B1
EP0589363B1 EP93114983A EP93114983A EP0589363B1 EP 0589363 B1 EP0589363 B1 EP 0589363B1 EP 93114983 A EP93114983 A EP 93114983A EP 93114983 A EP93114983 A EP 93114983A EP 0589363 B1 EP0589363 B1 EP 0589363B1
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EP
European Patent Office
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gas
vessel
mixing
mixing element
gas jet
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP93114983A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0589363A1 (de
Inventor
Hans Dr. Rer. Nat. Schels
Horst Menzler
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Roche Diagnostics GmbH
Original Assignee
Boehringer Mannheim GmbH
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Publication date
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/40—Mixers using gas or liquid agitation, e.g. with air supply tubes
    • B01F33/407—Mixers using gas or liquid agitation, e.g. with air supply tubes by blowing gas on the material from above

Definitions

  • the invention relates to a method for the contactless automatic mixing of a liquid reaction mixture in an analysis device and a device for carrying out the method.
  • the present invention is particularly suitable for so-called discrete analyzers, in which each individual analysis is carried out in a separate reaction vessel, which is in the Usually has a round (usually circular) cross-section, is transported in a vertical position through various processing stations of the device and is open at the top.
  • the reaction vessel is fed computer-controlled with sample liquids and liquid reagents, the resulting reaction mixture is homogenized with the aid of a mixing device and after a predetermined reaction time, in many cases also after a multi-stage reaction in which several reagents are added in succession, one of the reactions of sample and Reagents resulting physically detectable measurable characteristic for the analysis determined.
  • This measured variable can be, for example, a photometrically determinable extinction, a fluorescence signal or an electrochemical measured variable (voltage or current flow).
  • the present invention is directed, regardless of the details of the method and the measured variable used for the detection, to automated analyzers of the most varied types, as long as they require the mixing of a reaction mixture in an elongated vessel with a vertical longitudinal central axis accessible from above through an opening.
  • the discrete automatic analyzers mentioned largely mimic the processing steps known from manual analyzes with the aid of mechanical, hydraulic and electronic means. It is therefore not surprising that machines of this type were among the first devices for automatic analysis. Although numerous other types of automatic analyzers, such as centrifugal analyzers and continuous flow analyzers, were subsequently developed, the discrete analyzers have not lost their importance in the long term. Rather, from today's perspective, they are by far the most important Group of automated analyzers. This success is essentially due to the fact that discrete automatic analyzers enable a completely selective, sample-oriented mode of operation, ie an individual program of different analytes can be determined in succession for each sample.
  • reaction vessel In order to avoid this so-called “carryover”, proposals have long been made to mix the reaction mixture in a reaction vessel without touching the reaction liquid (non-invasively). For example, cylindrical reaction vessels with mixing elements fixed to their base were used, which were quickly rotated back and forth in the mixing device. In another known device, the reaction vessel is sonicated with ultrasound in a liquid bath in order to achieve the required homogenization.
  • the invention is based on the object of proposing a non-contact (non-invasive) method and a device for automatically mixing a liquid reaction vessel in an analysis device, which solves the problem of carryover and yet enables the liquid to be mixed quickly, effectively and reliably.
  • the object is achieved in a method in which the reaction mixture is located in a vessel accessible from above through an opening, with the aid of a gas jet emerging from an outlet opening of a mixing element, in which the mixing element is lowered in the direction of the liquid surface at the beginning of the mixing process and the lowering movement in a lower end position, in which the mixing element protrudes into the vessel,
  • the liquid surface is not touched, stopped, the gas jet is switched on during the lowering of the mixing element, the gas jet is oriented in such a way that it causes an unsymmetrical lowering of a part of the liquid surface in the vicinity of the vessel wall and the gas jet has a tangential component of motion so that the lowered part of the liquid surface is set in rotation around the axis of the vessel.
  • Air is expediently used as the mixed gas for cost reasons.
  • the invention further relates to a device for carrying out the method, in which at least one and at most three gas jet outlet openings are provided in the vicinity of the lower end of the mixing element and are connected to a mixed gas source via a mixed gas line of the mixing element.
  • the reaction mixture is rapidly mixed without the mixing element or the surroundings of the vessel being contaminated by the liquid.
  • the lower end position in which the mixing element is stopped is selected so that the outlet opening of the gas jet is below the edge of the opening of the reaction vessel, but on the other hand the lower end of the mixing element does not touch the liquid surface.
  • the gas jet should be offset radially with respect to the axis of the vessel, i.e. it should hit the liquid surface at a point between the axis of the vessel and the wall of the vessel, although it does not have to be directed directly at the surface of the liquid, but can also be directed at a flat angle to the vessel wall and from there strikes the area of the liquid surface close to the wall.
  • the jet of the mixed gas is dimensioned in its strength and spatial extent so that it causes an asymmetrical lowering of part of the liquid surface. The “strength" of the jet depends on the speed of the gas molecules and their flow rate.
  • the movement of the molecules of the gas jet has a rotational movement component, that is to say a movement component circulating around the longitudinal central axis of the vessel.
  • the liquid is rapidly set into a circulating movement, with liquid layers lying below the asymmetrical lowering of the liquid surface being set into a substantially horizontally circulating movement with almost no delay.
  • the lower liquid areas in the central area of the circulation rise in a spiral up and mix very quickly with the upper liquid areas.
  • the beam is preferably directed in such a way that the radial distance of the deepest point of the asymmetrical depression from the wall is less than 20%, preferably 10% of the largest vessel diameter.
  • the rotational movement component of the gas jet can be achieved in that the mixing element rotates with the outlet opening of the gas jet in the lower end position (about an axis coaxial to the central axis of the vessel). According to an alternative preferred embodiment, however, it can also be generated by appropriate alignment of the end section determining the jet direction of the mixed gas line leading to the outlet opening.
  • This end section is referred to below as the nozzle.
  • this expression should not be understood to mean that the end section of the line must have a nozzle-shaped, tapering shape. Rather, it can be cylindrical in shape with a constant cross section.
  • the mixing element 1 shown in FIG. 1 protrudes with its lower end 2 into a circular-cylindrical reaction vessel 4 accessible from above through an opening 3, the vertical longitudinal axis of which is designated by A. There is a liquid 6 to be mixed in the vessel 4.
  • the mixing element 1 consists essentially of two coaxial tubes, namely an outer tube 8 and an inner tube 9.
  • the walls of the outer tube 8 converge conically at the lower end 2 of the mixing element 1, so that the mixing element downwards (apart from in the wall 8a of the outer tube 8 existing holes, which serve as nozzles 12 and 13) is closed.
  • the lower end of the inner tube 9 is sealed at the annular line of contact 10 to the inside of the wall 8a of the outer tube 9, so that the interior of the tube 9 is separated from the annular space between the tube 9 and the tube 8.
  • the inner tube 9 serves as a mixed gas line 14, through which air is supplied from a mixed gas source 15 at a controllable pressure and, after passing through the nozzle 12, exits through an outlet opening 16.
  • the annular space between the tubes 8 and 9 forms a line 18 which is separate from the mixed gas line 14 and which is connected to a gas source 19 in order to supply an additional gas stream which emerges from the outlet openings 20 through the bores 13 and - as will be explained in more detail below - serves as a protective gas.
  • the gas sources 15, 19 and the connecting lines 15a, 19a to the mixing element 1 are only indicated symbolically. Suitable connection techniques, also in the case of a mixing element rotating about the vertical axis A, are known to the person skilled in the art.
  • the mixing element 1 In order to homogenize the liquid 6 in the vessel 4, the mixing element 1 is moved vertically downward in accordance with the arrow 21 and lowered into the upper part of the vessel 4, so that at least the lower end 2 projects into the vessel.
  • the lowering movement is stopped in a defined lower end position, which is selected such that the outlet openings 16 and 20 are located below the edge 3a of the opening 3 and the mixing element 1 does not touch the surface of the liquid 6.
  • mixed gas is already supplied through line 14 and preferably also protective gas through line 18 and exits through outlet openings 16 and 20, respectively.
  • this lowered shape of the liquid surface 22 is shown as a solid line, while the rest position of the liquid surface is shown as a dashed line 23.
  • the gas jet emerging from the outlet opening 16 has a rotational component with respect to the longitudinal central axis A of the vessel 4, in the preferred case of a round vessel cross section, that is, a component tangential to the wall 5 of the vessel 4.
  • the Nozzle 12 from which the mixed gas jet emerges runs radially (that is, without a directional component tangential to the vessel wall).
  • FIG. 2 Such an embodiment is shown in FIG. 2.
  • the tangential component of the gas jet movement is brought about by rotation of the mixing element 1 about the axis A.
  • the rotation frequency should preferably be between 10 and 80 revolutions per minute, preferably between 20 and 30 revolutions per minute.
  • the last section of the line of the mixed gas which determines the direction of the gas jet has a directional component tangential to a circle around the longitudinal central axis A of the vessel.
  • Such an embodiment is shown in FIG. 3.
  • FIGS. 2 and 3 also differ to the extent that only one outlet opening 16 is provided for the gas jet in FIG. 2, while FIG. 3 has three nozzles 12 ′ running obliquely with a tangential direction component with outlet openings 16 ′.
  • the number of gas jet outlet openings is preferably between 1 and 3 regardless of the orientation of the nozzles.
  • the mixing action occurs without the mixing element 1 being rotated, but of course both measures can also be combined, i.e. a mixing element with gas outlet openings according to FIG. 3 can also be set in rotation.
  • the movement of the liquid 6 during the mixing process is characterized in that on the one hand the liquid surface 22 is lowered relatively asymmetrically and that on the other hand this lowering of the liquid surface is set into a rotational movement.
  • the difference d between the highest point of the liquid surface and the lowest point of its lowered part is preferably at least 25%, particularly preferably at least 50% of the diameter of the liquid surface (in the case of a non-circular cross section of its largest diameter).
  • the reduction naturally depends on the flow of the gas jet, the gas pressure in the line 14 and the diameter of the at least one gas jet outlet opening.
  • the gas flow is preferably between 10 ml / s and 70 ml / s, particularly preferably between 20 ml / s and 60 ml / s.
  • the diameter of the gas jet outlet openings 16 should preferably be between 0.1 and 0.8 mm, particularly preferably between 0.5 and 0.7 mm.
  • the gas pressure is preferably between 1.2 bar and 1.7 bar.
  • the nozzles are preferably oriented at an angle ⁇ between approximately 30 ° and approximately 60 ° to the axis A, an angle of approximately 45 ° having proven particularly useful.
  • the additional outlet openings 20 are provided above the outlet openings 16, through which a second gas stream is supplied as a protective gas.
  • the mixing element preferably has at least four such outlet openings 20, which form a ring which is uniformly distributed over the circumference of the mixing element 1.
  • the shape of the lower end 2 is also essential for a good mixing action and for reducing the risk that the mixing element 1 is contaminated by splashes of the liquid 6 during the mixing process of the mixing element 1 in relation to the cross section of the vessel 4 (in its upper region 4a, into which the mixing element 1 projects).
  • the largest horizontal cross-sectional area of the part of the mixing element 1 projecting into the vessel 4 in the lower end position should be at least 30% of the corresponding horizontal cross-sectional area of the vessel (measured at the same vertical height). It should be taken into account that the cross-sectional area to which this statement relates is square to the linear dimensions of the components.
  • a ratio of the diameter of the mixing element 1 and the vessel 4 of 0.6: 1 corresponds to a cross section ratio of 0.36: 1.
  • the cross section of the mixing element 1 should fill the vessel 4 relatively largely at least in a partial area of its height, so that only a considerably reduced cross section for the backflow of gas according to the arrows 25 past the mixing element 1 is available. As a result, the gas is stowed to a certain extent below the mixing element 1.
  • the lower boundary surface 26 slopes outwards and upwards from a deepest point 26a as shown.
  • the lower boundary surface is to be understood as the surface closing the mixing element 1 downwards, i.e. the surface of the mixing element 1 below its largest cross-section immersed in the vessel 4.

Landscapes

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  • Mixers Of The Rotary Stirring Type (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen automatischen Mischen eines flüssigen Reaktionsgemisches in einem Analysegerät sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Analysen für medizinische Zwecke, bei denen Körperflüssigkeiten, insbesondere Blut und Urin, auf darin enthaltene Bestandteile (Analyten) untersucht werden, werden seit vielen Jahren überwiegend mit Hilfe automatischer Analysegeräte durchgeführt. Im Vergleich zu manuellen Verfahren wird hierdurch nicht nur eine Kostensenkung, sondern auch eine verbesserte Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Analysen erreicht.
  • Es wurden verschiedene unterschiedliche Typen von Analyseautomaten entwickelt. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für sogenannte Diskret-Analysatoren geeignet, bei denen jede einzelne Analyse in einem separaten Reaktionsgefäß durchgeführt wird, welches in der Regel einen runden (meist kreisförmigen) Querschnitt hat, in senkrechter Position durch verschiedene Bearbeitungsstationen des Gerätes transportiert wird und nach oben offen ist. Das Reaktionsgefäß wird computergesteuert mit Probenflüssigkeiten und flüssigen Reagenzien beschickt, das resultierende Reaktionsgemisch wird mit Hilfe einer Mischeinrichtung homogenisiert und nach Ablauf einer vorbestimmten Reaktionszeit, vielfach auch nach einer mehrstufigen Reaktion, bei der nacheinander mehrere Reagenzien zugegeben werden, wird eine aus der Reaktion von Probe und Reagenzien resultierende, für die Analyse charakteristische physikalisch nachweisbare Meßgröße bestimmt. Diese Meßgröße kann beispielsweise eine photometrisch bestimmbare Extinktion, ein Fluoreszenzsignal oder eine elektrochemische Meßgröße (Spannung oder Stromfluß) sein. Die vorliegende Erfindung richtet sich unabhängig von Einzelheiten des Verfahrens und der für den Nachweis verwendeten Meßgröße auf Analyseautomaten der unterschiedlichsten Bauart, soweit sie in irgendeiner Verfahrensstufe das Mischen eines Reaktionsgemisches in einem von oben durch eine Öffnung zugänglichen länglichen Gefäß mit senkrecht verlaufender Längsmittelachse erfordern.
  • Die erwähnten Diskret-Analyseautomaten imitieren weitgehend mit Hilfe von mechanischen, hydraulischen und elektronischen Mitteln die von manuellen Analysen bekannten Bearbeitungsschritte. Insofern ist nicht verwunderlich, daß Automaten dieses Typs zu den ersten Geräten für die automatische Analyse gehörten. Obwohl in der Folgezeit zahlreiche andere Typen von Analyseautomaten, wie beispielsweise Zentrifugalanalysatoren und continuous flow Analysatoren entwickelt wurden, haben die Diskret-Analysatoren langfristig nicht an Bedeutung verloren. Vielmehr sind sie aus heutiger Sicht die bei weitem bedeutsamste Gruppe der Analyseautomaten. Dieser Erfolg ist wesentlich darauf zurückzuführen, daß Diskret-Analyseautomaten eine vollständig selektive probenorientierte Betriebsweise ermöglichen, d.h. zu jeder Probe kann ein individuelles Programm unterschiedlicher Analyten nacheinander bestimmt werden.
  • Eines der grundlegenden Probleme, das die Entwicklung diskreter Analyseautomaten von Anfang an begleitete, ist das Mischen von Reaktionsgemischen in den Reaktionsgefäßen. Diese zunächst einfach erscheinende Aufgabe erweist sich im einzelnen als schwierig, weil eine Reihe wichtiger Anforderungen zu erfüllen sind. Insbesondere soll die Mischung schnell und vollständig erfolgen, um eine hohe Analysegeschwindigkeit und gute Genauigkeit zu gewährleisten. Die Genauigkeit wird andererseits wesentlich dadurch beeinflußt, daß bei dem Bearbeitungsprozess einschließlich des Mischens keine fremden Proben- oder Reagenzanteile in ein Reaktionsgefäß gelangen, in das sie nicht gehören. Dies kann insbesondere durch Übertragung von in das Reaktionsgemisch eintauchenden ("invasiven") Rührelementen geschehen.
  • Um diese sogenannte "Verschleppung" zu vermeiden, wurden bereits seit langem Vorschläge gemacht, das Mischen des Reaktionsgemisches in einem Reaktionsgefäß ohne Berührung der Reaktionsflüssigkeit (nichtinvasiv) zu bewerkstelligen. Beispielsweise wurden zylinderförmige Reaktionsgefäße mit an ihrem Boden fest angeordneten Mischelementen eingesetzt, die in dem Gerät zum Mischen schnell hin und her gedreht wurden. Bei einem anderen bekannten Gerät wird das Reaktionsgefäß in einem Flüssigkeitsbad mit Ultraschall beschallt, um die erforderliche Homogenisierung zu erreichen.
  • Es wurde auch bereits vorgeschlagen, einen auf die Oberfläche der Flüssigkeit in dem Gefäß gerichteten Gasstrahl zum Mischen zu verwenden. In der WO 85/03571 wird in Verbindung mit Küvetten mit rechteckigem Querschnitt ein Luftstrahl verwendet, der aus einer stationären Düse unter einem möglichst flachen Winkel zu der Flüssigkeitsoberfläche auf den Rand der Flüssigkeitsoberfläche, d.h. auf den Meniskus an der Grenze zwischen Flüssigkeit und Gefäßwand gerichtet ist. Es wird Wert darauf gelegt, daß während des Mischvorganges sowohl die Düse als auch das Gefäß stationär und exakt ausgerichtet sind, wobei der Strahl parallel zur längeren Dimension des Gefäßquerschnitts verläuft. Die Düse soll sich vorzugsweise außerhalb des Gefäßes befinden. Bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform ist auch vorgesehen, die Düse für den Mischvorgang in das Gefäß abzusenken. Dies wird jedoch als nachteilig angesehen, weil dadurch der Durchsatz (d.h. die Analyseleistung) des Gerätes vermindert und die Düse von der Flüssigkeit kontaminiert wird. Deswegen muß die Düse bei dieser Ausführungsform zwischen den Mischvorgängen gespült werden.
  • In der US-Patentschrift 3 398 935 (welche 1964, also zur Anfangszeit der Entwicklung automatischer Analysegeräte angemeldet wurde) ist ein Mischverfahren beschrieben, welches darauf basiert, oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche eine kreisförmig wirbelnde Gasmasse zu erzeugen, deren Drehbewegung sich auf eine zu vermischende Flüssigkeit geringer Viskosität überträgt und deren Durchmischung bewirkt. Es werden zwei praktische Realisierungen beschrieben. In Fig. 2 der Literaturstelle ist eine schräg gegen die Wand des Gefäßes gerichtete Gasleitung dargestellt, die offenbar gedreht wird, um die gewünschte wirbelnde Gasmasse über der Flüssigkeitsoberfläche zu erzeugen. In den Figuren 3 und 4 der Literaturstelle ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Gasstrahl zentral auf die Mitte der Oberfläche gerichtet ist. Der drehende Gaswirbel wird dabei dadurch bewirkt, daß die Gasauslaßkanäle am Unterende des Gaszuführungsrohres schräg verlaufen, so daß eine zirkulierende Bewegungskomponente des Gasstromes resultiert.
  • Diese Vorschläge zum automatischen berührungslosen Mischen mit Hilfe eines Gasstrahls haben sich in der Praxis nicht durchsetzen können. Trotz der bekannten grundsätzlichen Vorteile des berührungslosen Mischens werden bis heute in der Praxis fast ausschließlich in die Flüssigkeit eintauchende (invasive) Mischelemente verwendet, um in automatischen Analysegeräten das Reaktionsgemisch zu homogenisieren. Das Problem der Verschleppung wird soweit möglich durch Waschen des Mischelementes zwischen den einzelnen Mischvorgängen gelöst. Der damit verbundene apparative und zeitliche Aufwand wird als unvermeidlich in Kauf genommen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses (nichtinvasives) Verfahren und eine Vorrichtung zum automatischen Mischen eines flüssigen Reaktionsgefäßes in einem Analysegerät vorzuschlagen, welches das Problem der Verschleppung löst und dennoch eine schnelle, effektive und zuverlässige Durchmischung der Flüssigkeit ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird bei einem Verfahren, bei dem sich das Reaktionsgemisch in einem von oben durch eine Öffnung zugänglichen Gefäß befindet, mit Hilfe eines aus einer Austrittsöffnung eines Mischelementes austretenden Gasstrahls gelöst, bei welchem das Mischelement zu Beginn des Mischvorganges in Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche abgesenkt und die Absenkbewegung in einer unteren Endposition, in der das Mischelement in das Gefäß hineinragt, jedoch die Flüssigkeitsoberfläche nicht berührt, gestoppt wird, der Gasstrahl während des Absenkens des Mischelementes eingeschaltet ist, der Gasstrahl so ausgerichtet ist, daß er eine unsymmetrische Absenkung eines Teils der Flüssigkeitsoberfläche in der Nähe der Gefäßwand bewirkt und der Gasstrahl eine tangentiale Bewegungskomponente hat, so daß der abgesenkte Teil der Flüssigkeitsoberfläche in Rotation um die Achse des Gefäßes versetzt wird. Als Mischgas wird zweckmäßigerweise aus Kostengründen Luft verwendet.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bei welcher mindestens eine und höchstens drei Gasstrahl-Austrittsöffnungen in der Nähe des unteren Endes des Mischelementes vorgesehen sind, welche über eine Mischgasleitung des Mischelementes mit einer Mischgasquelle verbunden sind.
  • Bei Einhaltung der erfindungsgemäßen Verfahrensbedingung wird eine schnelle Durchmischung des Reaktionsgemisches erreicht, ohne daß das Mischelement oder die Umgebung des Gefäßes von der Flüssigkeit kontaminiert wird. Um Flüssigkeitsspritzer und die daraus resultierende Gefahr der Verschleppung zu vermeiden, ist wesentlich, daß der Strom des Mischgases bereits während des Absenkens des Mischelementes in seine untere Endposition aktiviert ist. Er soll während des Absenkens des Mischelementes konstant bleiben oder stetig bis zu einem Maximalwert ansteigen, der dann konstant gehalten wird.
  • Die untere Endposition, in der das Mischelement gestoppt wird, ist so gewählt, daß sich die Austrittsöffnung des Gasstrahls unterhalb des Randes der Öffnung des Reaktionsgefäßes befindet, andererseits aber das untere Ende des Mischelementes die Flüssigkeitsoberfläche nicht berührt. Im Rahmen dieser Grenzen läßt sie sich in Kenntnis der vorliegenden Erfindung empirisch festlegen. In der Praxis haben sich Abstände von etwa 4 mm bis 7 mm zwischen der untersten Begrenzung des Mischelementes und der ruhenden Flüssigkeitsoberfläche bei einem Gefäßdurchmesser von etwa 9 mm bewährt.
  • Der Gasstrahl soll radial gegenüber der Gefäßachse versetzt, also in einem Punkt zwischen der Gefäßachse und der Gefäßwand auf die Flüssigkeitsoberfläche auftreffen, wobei er nicht unmittelbar auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet sein muß, sondern auch unter einem flachen Winkel auf die Gefäßwand gerichtet sein kann und von dort indirekt auf den wandnahen Bereich der Flüssigkeitsoberfläche auftrifft. Der Strahl des Mischgases ist in seiner Stärke und räumlichen Ausdehnung so bemessen, daß er eine unsymmetrische Absenkung eines Teils der Flüssigkeitsoberfläche bewirkt. Die "Stärke" des Strahls hängt von der Geschwindigkeit der Gasmoleküle und deren Flußmenge ab. Diese Größen ihrerseits sind abhängig von dem Gasdruck in der Leitung, durch die das Mischgas in dem Mischelement zugeführt wird und von den Dimensionen der Düse, durch die es auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird. Schließlich weist die Bewegung der Moleküle des Gasstrahls eine Rotations-Bewegungskomponente, also eine um die Längsmittelachse des Gefäßes zirkulierende Bewegungskomponente, auf. Dadurch wird eine für die Erfindung charakteristische Bewegung der Flüssigkeit in dem Reaktionsgefäß erreicht. Die Flüssigkeit wird schnell in eine zirkulierende Bewegung versetzt, wobei nahezu verzögerungsfrei auch Flüssigkeitsschichten, die unterhalb der unsymmetrischen Absenkung der Flüssigkeitsoberfläche liegen, in eine im wesentlichen horizontal zirkulierende Bewegung versetzt werden. Dabei steigen die im Zentrumsbereich der Zirkulation unteren Flüssigkeitsbereiche spiralförmig nach oben auf und mischen sich dadurch sehr schnell mit den oberen Flüssigkeitsbereichen.
  • Wesentlich ist dabei die Wahl des Auftreffpunktes des Gasstrahls auf die Flüssigkeitsoberfläche in radialer Richtung. Vorzugsweise ist der Strahl so gerichtet, daß der radiale Abstand des tiefsten Punktes der unsymmetrischen Absenkung von der Wand weniger als 20 %, vorzugsweise 10 % des größten Gefäßdurchmessers beträgt.
  • Die Rotations-Bewegungskomponente des Gasstrahls kann dadurch erreicht werden, daß das Mischelement mit der Austrittsöffnung des Gasstrahls in der unteren Endposition (um eine zu der Mittelachse des Gefäßes koaxiale Achse) rotiert. Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform kann sie jedoch auch durch eine entsprechende Ausrichtung des die Strahlrichtung bestimmenden Endabschnittes der zu der Austrittsöffnung führenden Mischgasleitung erzeugt werden. Dieser Endabschnitt wird nachfolgend als Düse bezeichnet. Dieser Ausdruck ist aber nicht so zu verstehen, daß der Endabschnitt der Leitung eine düsenförmig konisch zulaufende Form haben muß. Er kann vielmehr zylinderförmig mit gleichbleibendem Querschnitt geformt sein.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; es zeigen:
    • Fig. 1
    Eine Schnittdarstellung eines in ein Reaktionsgefäß abgesenkten in der Endposition befindlichen Mischelementes,
    Fig. 2
    eine Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Mischelementes von unten,
    Fig. 3
    eine Ansicht entsprechend Fig. 2 von einer alternativen Ausführungsform des Mischelementes.
  • Das in Figur 1 dargestellte Mischelement 1 ragt mit seinem unteren Ende 2 in ein von oben durch eine Öffnung 3 zugängliches kreiszylinderförmiges Reaktionsgefäß 4 hinein, dessen senkrecht verlaufende Längsmittelachse mit A bezeichnet ist. In dem Gefäß 4 befindet sich eine zu vermischende Flüssigkeit 6.
  • Das Mischelement 1 besteht im wesentlichen aus zwei koaxialen Rohren, nämlich einem äußeren Rohr 8 und einem inneren Rohr 9. Die Wände des äußeren Rohres 8 laufen am unteren Ende 2 des Mischelementes 1 konisch zusammen, so daß das Mischelement nach unten hin (abgesehen von in der Wand 8a des äußeren Rohres 8 vorhandenen Bohrungen, die als Düsen 12 und 13 dienen) geschlossen ist.
  • Das untere Ende des inneren Rohres 9 ist an der ringförmigen Berührungslinie 10 zur Innenseite der Wand 8a des äußeren Rohres 9 abgedichtet, so daß der Innenraum des Rohres 9 von dem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Rohr 9 und dem Rohr 8 getrennt ist.
  • Das innere Rohr 9 dient als Mischgasleitung 14, durch die Luft aus einer Mischgasquelle 15 mit einem regelbaren Druck zugeführt wird und nach Passieren der Düse 12 durch eine Austrittsöffnung 16 austritt. Der ringförmige Zwischenraum zwischen den Rohren 8 und 9 bildet eine von der Mischgasleitung 14 getrennte Leitung 18, die an eine Gasquelle 19 angeschlossen ist, um einen zusätzlichen Gasstrom zuzuführen, der durch die Bohrungen 13 aus Austrittsöffnungen 20 austritt und - wie noch näher erläutert wird - als Spritzschutzgas dient. Die Gasquellen 15,19 und die Verbindungsleitungen 15a,19a zu dem Mischelement 1 sind nur symbolisch angedeutet. Geeignete Verbindungstechniken, auch für den Fall eines um die senkrechte Achse A rotierenden Mischelementes, sind dem Fachmann geläufig.
  • Um die Flüssigkeit 6 in dem Gefäß 4 zu homogenisieren, wird das Mischelement 1 entsprechend dem Pfeil 21 senkrecht nach unten bewegt und in den oberen Teil des Gefäßes 4 abgesenkt, so daß zumindest das untere Ende 2 in das Gefäß hineinragt. Die Absenkbewegung wird in einer definierten unteren Endposition gestoppt, die so gewählt ist, daß die Austrittsöffnungen 16 und 20 sich unterhalb des Randes 3a der Öffnung 3 befinden und das Mischelement 1 die Oberfläche der Flüssigkeit 6 nicht berührt. Während des Absenkvorganges wird bereits Mischgas durch die Leitung 14 und vorzugsweise auch Spritzschutzgas durch die Leitung 18 zugeführt und tritt durch die Austrittsöffnungen 16 bzw. 20 aus.
  • Weiterhin ist für die Funktion wesentlich, daß der Gasstrahl derartig ausgerichtet ist, daß eine unsymmetrische Absenkung eines Teils der Flüssigkeitsoberfläche bewirkt wird. In der Figur ist diese abgesenkte Formgebung der Flüssigkeitsoberfläche 22 als durchgezogene Linie dargestellt, während die Ruheposition der Flüssigkeitsoberfläche als Linie 23 gestrichelt dargestellt ist.
  • Wichtig für die erfindungsgemäße Mischwirkung ist auch, daß der aus der Austrittsöffnung 16 austretende Gasstrahl eine Rotationskomponente bezüglich der Längsmittelachse A des Gefäßes 4, im bevorzugten Fall eines runden Gefäßquerschnitts also eine zu der Wand 5 des Gefäßes 4 tangentiale Komponente hat. Wie erwähnt, kann dies in zweierlei Weise realisiert werden. Einerseits kann die Düse 12, aus der der Mischgasstrahl austritt, radial (also ohne eine zu der Gefäßwand tangentiale Richtungskomponente) verlaufen. Eine solche Ausführungsform ist in Figur 2 dargestellt. In diesem Fall wird die tangentiale Komponente der Gasstrahlbewegung durch Rotation des Mischelementes 1 um die Achse A bewirkt. Bevorzugt sollte die Rotationsfrequenz zwischen 10 und 80 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt zwischen 20 und 30 Umdrehungen pro Minute liegen.
  • Eine andere Möglichkeit zur Erzeugung der tangentialen Komponente besteht darin, daß der die Richtung des Gasstrahles bestimmende letzte Abschnitt der Leitung des Mischgases eine zu einem Kreis um die Längsmittelachse A des Gefäßes tangentiale Richtungskomponente hat. Eine solche Ausführungsform ist in Figur 3 dargestellt.
  • Die Ausführungsformen nach Fig. 2 und Fig. 3 unterscheiden sich auch insoweit, als bei Fig. 2 nur eine Austrittsöffnung 16 für den Gasstrahl vorgesehen ist, während Fig. 3 drei schräg mit tangentialer Richtungskomponente verlaufende Düsen 12' mit Austrittsöffnungen 16' aufweist. Bevorzugt liegt die Anzahl der Gasstrahl-Austrittsöffnungen unabhängig von der Orientierung der Düsen zwischen 1 und 3.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 tritt die Mischwirkung ein, ohne daß das Mischelement 1 rotiert wird, jedoch können selbstverständlich auch beide Maßnahmen kombiniert werden, d.h. ein Mischelement mit Gasaustrittsöffnungen gemäß Fig. 3 kann zusätzlich in Rotation versetzt werden.
  • Die Bewegung der Flüssigkeit 6 während des Mischvorganges ist dadurch charakterisiert, daß einerseits die Flüssigkeitsoberfläche 22 verhältnismäßig stark unsymmetrisch abgesenkt wird und daß andererseits diese Absenkung der Flüssigkeitsoberfläche in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Vorzugsweise beträgt die Differenz d zwischen dem höchsten Punkt der Flüssigkeitsoberfläche und dem tiefsten Punkt ihres abgesenkten Teils mindestens 25%, besonders bevorzugt mindestens 50% des Durchmessers der Flüssigkeitsoberfläche (im Falle eines nicht kreisförmigen Querschnitts ihres größten Durchmessers). Die Absenkung hängt selbstverständlich von dem Fluß des Gasstrahls, dem Gasdruck in der Leitung 14 und dem Durchmesser der mindestens einen Gasstrahl-Austrittsöffnung ab. Bevorzugt liegt der Gasfluß zwischen 10 ml/s und 70 ml/s, besonders bevorzugt zwischen 20 ml/s und 60 ml/s. Der Durchmesser der Gasstrahl-Austrittsöffnungen 16 sollte bevorzugt zwischen 0,1 und 0,8 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 0,7 mm betragen. Der Gasdruck liegt bevorzugt zwischen 1,2 bar und 1,7 bar. Die Düsen sind vorzugsweise in einem Winkel α zwischen etwa 30° und etwa 60° zu der Achse A ausgerichtet, wobei sich ein Winkel von etwa 45° besonders bewährt hat.
  • An dem in das Gefäß 4 hineinragenden unteren Ende 2 des Mischelementes 1 sind oberhalb der Austrittsöffnungen 16 die zusätzlichen Austrittsöffnungen 20 vorgesehen, durch die ein zweiter Gasstrom als Spritzschutzgas zugeführt wird. Bevorzugt weist das Mischelement mindestens vier solcher Austrittsöffnungen 20 auf, die einen gleichmäßig über den Umfang des Mischelementes 1 verteilten Kranz bilden.
  • Wesentlich für eine gute Mischwirkung und für die Reduzierung des Risikos, daß das Mischelement 1 während des Mischvorganges durch Spritzer der Flüssigkeit 6 kontaminiert wird, ist auch die Formgebung des unteren Endes 2 des Mischelementes 1 in Relation zu dem Querschnitt des Gefäßes 4 (im dessen oberem Bereich 4a, in den das Mischelement 1 hineinragt).
  • Die größte horizontale Querschnittsfläche des in der unteren Endposition in das Gefäß 4 hineinragenden Teils des Mischelementes 1 sollte mindestens 30% der entsprechenden (in gleicher vertikaler Höhe gemessenen) Horizontalquerschnittsfläche des Gefäßes betragen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Querschnittsfläche, auf die sich diese Aussage bezieht, sich quadratisch zu den Lineardimensionen der Bauelemente verhält. Bei kreisförmigen Querschnitten entspricht beispielsweise ein Verhältnis der Durchmesser des Mischelementes 1 und des Gefäßes 4 von 0,6:1 einem Querschnittsverhältnis von 0,36:1. Mit anderen Worten soll der Querschnitt des Mischelementes 1 das Gefäß 4 mindestens in einem Teilbereich seiner Höhe relativ weitgehend ausfüllen, so daß nur ein erheblich reduzierter Querschnitt für das Rückströmen von Gas entsprechend den Pfeilen 25 an dem Mischelement 1 vorbei zur Verfügung steht. Dadurch wird das Gas unterhalb des Mischelementes 1 bis zu einem gewissen Grad gestaut.
  • Zur Reduzierung der Gefahr von Kontaminationen ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn die untere Begrenzungsfläche 26 von einem tiefsten Punkt 26a wie dargestellt nach außen und oben hin schräg verläuft. Als untere Begrenzungsfläche ist dabei die das Mischelement 1 nach unten hin abschließende Fläche zu verstehen, d.h. die Oberfläche des Mischelementes 1 unterhalb von dessen größtem in das Gefäß 4 eintauchenden Querschnitt.

Claims (12)

  1. Verfahren zum berührungslosen automatischen Mischen eines flüssigen Reaktionsgemisches in einem Analysegerät, bei dem sich das Reaktionsgemisch in einem von oben durch eine Öffnung zugänglichen Gefäß befindet, mit Hilfe eines aus einer Austrittsöffnung eines Mischelementes austretenden Gasstrahls,
    bei welchem
    das Mischelement zu Beginn des Mischvorganges in Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche abgesenkt und die Absenkbewegung in einer unteren Endposition, in der das Mischelement in das Gefäß hineinragt, jedoch die Flüssigkeitsoberfläche nicht berührt, gestoppt wird,
    der Gasstrahl während des Absenkens des Mischelementes eingeschaltet ist,
    der Gasstrahl so ausgerichtet ist, daß er eine unsymmetrische Absenkung eines Teils der Flüssigkeitsoberfläche mit einem tiefsten Punkt in der Nähe der Gefäßwand bewirkt und
    der Gasstrahl eine Rotations-Bewegungskomponente hat, so daß der tiefste Punkt des abgesenkten Teils der Flüssigkeitsoberfläche in Rotation um die Längsmittelachse des Gefäßes versetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Fluß des Gasstrahls zwischen 10 ml/s und 70 ml/s, bevorzugt zwischen 20 ml/s und 60 ml/s beträgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Winkel zwischen der Richtung des Gasstrahls beim Austreten aus der Austrittsöffnung des Mischelementes und der Längsmittelachse des Gefäßes zwischen 30° und 60° beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Gasstrahl derart auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet ist, daß der Abstand des tiefsten Punktes der unsymmetrischen Absenkung von der Wand weniger als 20 % des größten Durchmessers der Flüssigkeitsoberfläche beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der tiefste Punkt der von dem Gasstrahl erzeugten unsymmetrischen Absenkung mindestens um 25%, bevorzugt mindestens 50% des größten Durchmessers der Flüssigkeitsoberfläche tiefer liegt als der höchste Punkte der Flüssigkeitsoberfläche.
  6. Verfahren nach einer der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Mischelement in der unteren Endposition um eine zu der Längsmittelachse des Gefäßes koaxiale Achse rotiert.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem die Rotationsfrequenz des Mischelementes zwischen 10 und 80 Umdrehungen pro Minute, besonders bevorzugt zwischen 20 und 30 Umdrehungen pro Minute liegt.
  8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher mindestens eine und höchstens drei Gasstrahl-Austrittsöffnungen (16) vorgesehen sind, die über eine Mischgasleitung (14) des Mischelementes (1) mit einer Mischgasquelle (15) verbunden sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher der Durchmesser jeder Gasstrahl-Austrittsöffnung (16) zwischen 0,1 und 0,8 mm, bevorzugt zwischen 0,5 und 0,7 mm beträgt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei welcher das Mischelement (1) im Bereich seines unteren Endes (2) oberhalb der mindestens einen Gasstrahl-Austrittsöffnung (16) mindestens eine zusätzliche Austrittsöffnung (20) aufweist, die über eine von der Mischgasleitung (14) getrennte Leitung (18) an eine Gasquelle (19) angeschlossen ist und durch die ein zusätzlicher Gasstrom als Spritzschutzgas zugeführt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Leitung (18) für das Spritzschutzgas in dem Gaszuführelement die Mischgasleitung (14) ringförmig umgibt.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei welcher die größte horizontale Querschnittsfläche des in der unteren Endposition in das Gefäß hineinragenden Teils des Mischelementes (1) mindestens 30 % der entsprechenden Horizontalquerschnittsfläche des Gefäßes (4) beträgt.
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