DE69921367T2

DE69921367T2 - Vorrichtung zur parallelen Behandlung von Reaktionsgemischen

Info

Publication number: DE69921367T2
Application number: DE69921367T
Authority: DE
Inventors: Howard Campbell Turner; G. Cameron Palo Alto Dales; Lynn Livermore Van Erden; Johannes A. M. New Orleans Van Beek; Damian A. San Jose Hajduk; Ralph B. San Jose Nielsen; Paul San Francisco Mansky; Leonid San Jose Matsiev; Pei Wang; Eric Santa Barbara McFarland
Original assignee: Symyx Technologies Inc
Current assignee: Symyx Solutions Inc
Priority date: 1998-08-13
Filing date: 1999-08-12
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2019-08-13
Also published as: DK1069942T3; DE69908336D1; DE69908336T2; US6306658B1; JP2002522215A; ATE268639T1; DE69917946D1; DE69927720D1; US7288229B2; EP1069942B1; JP2002143671A; US6727096B1; JP3618295B2; DE69917946T2; JP3689026B2; DE69921197T2; ATE306316T1; CA2306807C; WO2000009255A2; DE69921367D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Reaktorsystem für kombinatorische Chemie.
Diskussion
Bei der kombinatorischen Chemie wird eine große Anzahl an Materialien als Kandidaten aus einer relativ kleinen Gruppe von Vorläufern erzeugt und nachfolgend in Bezug auf die Eignung für eine bestimmte Verwendung bewertet. So wie sie heutzutage durchgeführt wird, gestattet die kombinatorische Chemie es Wissenschaftlern, systematisch den Einfluss struktureller Variationen der Kandidaten zu erforschen, durch dramatische Beschleunigung der Raten, mit welchen sie erzeugt und bewertet werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Entdeckungsverfahren verringern kombinatorische Verfahren drastisch die Kosten der Erzeugung und Überprüfung jedes Kandidaten.
Die kombinatorische Chemie hat den Prozess der Arzneimittelentdeckung revolutioniert. Man kann die Entdeckung von Arzneimitteln als zweistufigen Prozess ansehen: Akquisition von Verbindungen als Kandidaten über Laborsynthese oder durch das Sammeln von Naturstoffen, gefolgt von Bewertung oder Überprüfung des Wirkungsgrads. Pharmazieforscher haben seit langem Protokolle der Hochdurchsatzüberprüfung (HTS) eingesetzt, um schnell den therapeutischen Wert von Naturstoffen und von Bibliotheken von Verbindungen zu bewerten, die über viele Jahre synthetisiert und katalogisiert wurden. Verglichen mit HTS-Protokollen war jedoch die chemische Synthese ein langsamer, mühsamer Prozess. Mit dem Auftauchen kombinatorischer Verfahren können Wissenschaftler nun große Bibliotheken organischer Moleküle mit einer Schnelligkeit erzeugen, die jener von HTS-Protokollen entspricht.
Seit kurzem wurden kombinatorische Vorgehensweisen für Entdeckungsprogramme eingesetzt, die nichts mit Arzneimitteln zu tun haben. So haben beispielswei se einige Forscher erkannt, dass kombinatorische Strategien auch vielversprechend in Bezug auf die Entdeckung anorganischer Verbindungen sind, beispielsweise von Hochtemperatur-Supraleitern, Magnetwiderstandsmaterialien, luminescenten Materialien, und Katalysatormaterialien. Vergleiche beispielsweise die mitangemeldete US Patentanmeldung Nr. 08/327 513 „The Combinatorial Synthesis of Novel Materials" (veröffentlicht als WO 96/11878) und die mitangemeldete US Patentanmeldung Nr. 08/898 715 „The Combinatorial Synthesis and Analysis of Organometallic Compounds and Catalysts" (zum Teil veröffentlicht als WO 98/03251).
Wegen der Erfolge in Bezug auf das Ausschalten des Engpasses bei der Entdeckung von Arzneimitteln sind viele Forscher dazu gelangt, kombinatorische Verfahren im wesentlichen nur als Werkzeuge zur Schaffung einer strukturellen Vielfalt anzusehen. Wenige Forscher haben betont, dass während der Synthesevariationen der Temperatur, des Drucks, der Ionenstärke, und anderer Prozessbedingungen stark die Eigenschaften von Bibliotheksmitgliedern beeinflussen können. So sind beispielsweise Reaktionsbedingungen besonders wichtig bei der chemischen Mischung nach Formeln, bei der man eine Gruppe von Bestandteilen unter unterschiedlichen Reaktionsbedingungen oder Konzentrationen zusammenführt, um deren Einfluss auf die Eigenschaften des Erzeugnisses zu bestimmen.
Darüber hinaus haben, da die Leistungskriterien in der Materialwissenschaft sich häufig von jenen in der Arzneimittelforschung unterscheiden, viele Forscher nicht erkannt, dass Prozessvariablen häufig dazu verwendet werden können, zwischen Bibliotheksmitgliedern sowohl während der Synthese als auch danach zu unterschieden. So kann beispielsweise die Viskosität von Reaktionsmischungen dazu verwendet werden, Bibliotheksmitglieder auf Grundlage ihrer Fähigkeit zu unterscheiden, eine Lösungsphasenpolymerisation zu katalysieren, da bei konstanter Polymerkonzentrationen das Molekulargewicht des hergestellten Polymers desto höher ist, je höher die Viskosität der Lösung ist. Weiterhin kann die gesamte abgegebene Wärme, und/oder der Temperaturspitzenwert, der während einer exothermen Reaktion beobachtet wird, dazu verwendet werden, eine Rangordnung von Katalysatoren aufzustellen.
Daher besteht ein Bedürfnis nach einer Einrichtung zur Erzeugung und Überprüfung kombinatorischer Bibliotheken, bei welcher man die Prozessbedingungen während der Synthese und der Überprüfung überwachen und kontrollieren kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein eine Vorrichtung zum parallelen Verarbeiten von Reaktionsgemischen, wie in Anspruch 1 ausgeführt ist, bereit. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Vorteile, die aus den Durchführungen der Erfindung entnommen werden können, schließen eine oder mehrere der folgenden Möglichkeiten ein. Prozessvariablen können für eine Vielzahl von Elementen in einer kombinatorischen Bibliothek überwacht und kontrolliert werden entsprechend des Fortschrittes einer chemischen Reaktion. Daten können für jedes Bibliothekselement wiederholt und parallel während des Verlaufes der Reaktion entnommen werden, anstelle der Entnahme von nur einer begrenzten Anzahl von Datenpunkten für ausgewählte Bibliothekselemente. Berechnungen und Korrekturen können automatisch für jeden verfügbaren Datenpunkt für jedes Bibliothekselement über den Verlauf der Reaktion durchgeführt werden. Ein einzelner experimenteller Wert kann aus dem gesamten Datensatz für jedes Bibliothekselement berechnet werden.
Ein weiteres Verständnis der Art und Weise und der Vorteile der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die übrigen Abschnitte der Beschreibung, die Zeichnungen, und die Patentansprüche erlangt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 erläutert ein paralleles Reaktorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Perspektivansicht eines modularen Reaktorblocks mit einem Roboter-Flüssigkeitshandhabungssystem.
3 zeigt ein Temperaturüberwachungssystem.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer integrierten Temperatursensor-Behälteranordnung.
5 zeigt eine Seitenansicht eines Infrarot-Temperaturmeßsystems.
6 zeigt ein Temperaturüberwachungs- und Kontrollsystem für einen Reaktorbehälter.
7 erläutert ein anderes Temperaturkontrollsystem, welches die Flüssigkeitskühlung und -erwärmung des Reaktorblocks umfasst.
8 ist eine Querschnittsansicht thermoelektrischer Einrichtungen, die sandwichartig zwischen einem Reaktorblock und einer Wärmeübertragungsplatte eingeschlossen sind.
9 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Reaktorblocks, der nützlich zum Erhalten kalorimetrischer Daten ist.
10 ist eine Perspektivansicht in Explosionsdarstellung eines Systems gemäß der Erfindung mit einem Rührsystem für ein einziges Modul eines modularen Reaktorblocks des in 2 gezeigten Typs.
11 ist eine schematische Darstellung eines Elektromagneten Rührsystems.
12–13 sind schematische Darstellungen von Abschnitten elektromagnetischer Rühr-Arrays, bei welchen sich die Verhältnisse von Elektromagneten zu Behälterorten an 1 : 1 bzw. 2 : 1 annähern, wenn die Anzahl an Behälterorten groß wird.
14 ist eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Rühr-Arrays, bei welchem das Verhältnis von Elektromagneten zu Behälterorten 4 : 1 ist.
15 zeigt zusätzliche Elemente eines elektromagnetischen Rührsystems, einschließlich einer Treiberschaltung und eines Prozessors.
16 erläutert die Magnetfeldrichtung eines 2 × 2 Elektromagnet-Arrays zu vier unterschiedlichen Zeiten während einer Umdrehung eines magnetischen Rührstabes.
17 erläutert die Magnetfeldrichtung eines 4 × 4-Elektromagnet-Arrays zu fünf unterschiedlichen Zeiten während einer vollständigen Drehung eines 3 × 3-Arrays aus magnetischen Rührstäben.
18 erläutert die Drehrichtung des 3 × 3-Arrays aus magnetischen Rührstäben in 17.
19 zeigt eine Verdrahtungskonfiguration für ein elektromagnetisches Rührsystem.
20 zeigt eine alternative Verdrahtungskonfiguration für ein elektromagnetisches Rührsystem.
21 zeigt die Phasenbeziehung zwischen sinusförmigen Quellenströmen I_A(t) und I_B(t), die zwei Gruppen von in 19 und 20 gezeigten Elektromagneten treiben.
22 ist ein Blockschaltbild einer Stromversorgung für ein elektromagnetisches Rührsystem.
23 erläutert eine Einrichtung zur direkten Messung des aufgebrachten Drehmoments eines Rührsystems.
24 zeigt die Anordnung eines Dehnungsmessstreifens in einem Abschnitt einer Basisplatte, die ähnlich der unteren Platte des in 10 gezeigten Reaktormoduls ausgebildet ist.
25 zeigt ein induktives Messspulensystem zur Feststellung der Drehung und zur Messung des Phasenwinkels einer magnetischen Rührschaufel oder eines magnetischen Rührstabes.
26 zeigt typische Ausgangssignale von induktiven Messspulen, die die Phasenverzögerung erläutern, die beim magnetischen Rühren von Lösungen mit niedriger bzw. hoher Viskosität auftritt.
27 erläutert, wie sich die Amplitude und der Phasenwinkel während einer Reaktion verändern, wenn die Viskosität von einem niedrigen Wert bis zu einem Wert zunimmt, der dazu ausreicht, den Rührstab anzuhalten.
28–29 zeigen Biegemoden von Stimmgabeln und bimorphen/unimorphen Resonatoren.
30 zeigt schematisch ein System zur Messung der Eigenschaften von Reaktionsmischungen unter Verwendung mechanischer Oszillatoren.
31 zeigt eine Einrichtung zur Beurteilung der Reaktionskinetik auf Grundlage der Überwachung von Druckänderungen infolge der Erzeugung oder des Verbrauchs verschiedener Gase während der Reaktion.
32 zeigt Ergebnisse von Kalibrierläufen für Polystyrol-Toluol-Lösungen unter Verwendung mechanischer Oszillatoren.
33 zeigt eine Kalibrierkurve, die durch Korrelieren von M_W der Polystyrolstandards mit der Entfernung zwischen der Frequenzantwortkurve für Toluol und jede der Polystyrol-Lösungen von 32 erhalten wurde.
34 zeigt den Druck, der während der Lösungspolymerisation von Ethylen zu Polyethylen aufgezeichnet wurde.
35–36 zeigen die Ethylenverbrauchsrate in Abhängigkeit von der Zeit, bzw. die Masse des hergestellten Polyethylens in Abhängigkeit von dem verbrauchten Ethylen.
37 zeigt eine Perspektivansicht eines Reaktormoduls mit acht Behältern, von der in 10 gezeigten Art, das mit einem optionalen Flüssigkeitseinspritzsystem versehen ist.
38 zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Beispiels eines Füllanschlusses, der eine O-Ring-Dichtung zum Minimieren von Flüssigkeitslecks aufweist.
39 zeigt ein zweites Beispiel eines Füllanschlusses.
40 zeigt gestrichelt die Vorderansicht eines Einspritz-Verteilers.
40A zeigt eine Perspektivansicht eines Einspritz-Verteilers 1006.
40B zeigt eine Querschnittsansicht des in 40A gezeigten Einspritz-Verteilers.
41–42 zeigen eine Querschnittsansicht eines Einspritz-Verteilers entlang einer ersten bzw. zweiten Schnittlinie in 40.
43 zeigt gestrichelt eine Aufsicht auf eine Injektor-Adapterplatte, die als Schnittstelle zwischen einem Injektor-Verteiler und einem Block eines in 37 gezeigten Reaktormoduls dient.
44 zeigt eine Seitenschnittansicht einer Injektor-Adapterplatte entlang einer in 43 gezeigten Schnittlinie.
45 zeigt ein Beispiel eines Vertiefungs-Injektors.
46 zeigt eine Aufsicht auf ein Reaktormodul.
47 zeigt einen "geschlossenen" Zustand eines Injektorsystemventils vor dem Einspritzen eines Fluids.
48 zeigt einen "geöffneten" Zustand eines Injektorsystemventils vor dem Einspritzen eines Fluids, und zeigt einen Rührmechanismus und zugehörige Dichtungen, um einen Druck oberhalb von Atmosphärendruck in Reaktorbehältern aufrecht zu erhalten.
49 zeigt eine Querschnittsansicht eines Rührmechanismus mit magnetischer Durchführung, der das Minimieren von Gaslecks unterstützt, die bei dynamischen Dichtungen auftreten.
50 zeigt eine Perspektivansicht eines in 48 dargestellten Rührmechanismus, und zeigt Einzelheiten einer Mehrstückspindel.
50A zeigt eine alternative Konstruktion einer Mehrstückspindel.
50B zeigt Einzelheiten der alternativen Konstruktion einer Mehrstückspindel in 50B.
51 zeigt Einzelheiten eines Kupplungsabschnitts einer Mehrstückspindel.
52 zeigt eine Querschnittsansicht der in 51 gezeigten Kupplung.
53 ist ein Blockschaltbild eines Datenverarbeitungssystems, das eine Ausführung der Erfindung zeigt.
54–57 sind schematische Darstellungen eines Parallelreaktors, der zum Einsatz bei der Erfindung geeignet ist.
58 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Kontrollieren und Untersuchen einer parallelen chemischen Reaktion.
59 ist eine Darstellung eines Dialogfensters zur Benutzereingabe von Systemkonfigurationsinformation.
60 ist eine Darstellung eines Dialogfensters für Benutzereingabe von Datenanzeigeinformation.
61 ist eine Darstellung eines Dialogfensters zur Benutzereingabe von Parallelreaktorparametern.
62 ist eine Darstellung eines Dialogfensters zur Benutzereingabe eines Temperaturgradienten für Reaktorblöcke in einem parallelen Reaktor.
63–64 sind Darstellungen von Fenstern, die den Systemstatus und Versuchsergebnisse für einen Parallelreaktor anzeigen.
65 ist eine Darstellung eines Fensters, das Versuchsergebnisse für einen einzelnen Reaktorbehälter anzeigt.
66 ist eine Darstellung eines Dialogfensters zur Benutzereingabe von Farbskalierparametern.
67 ist eine schematische Darstellung einer Computerplattform, die zum Implementieren des Datenverarbeitungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung, Verfahren, und Computerprogramme zum Durchführen und Überwachen des Fortschrittes und der Eigenschaften von Mehrfachreaktionen in-situ bereit. Sie ist besonders nützlich zum Synthetisieren, Überprüfen, und Charakterisieren kombinatorischer Bibliotheken, aber stellt ebenso signifikante Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Versuchsreaktoren zur Verfügung. So sorgt beispielsweise die in-situ-Überwachung einzelner Reaktionsmischungen nicht nur für eine Rückkopplung für Prozesssteuerungen, sondern stellt auch Daten zur Bestimmung von Reaktionsraten zur Verfügung, von Produktausbeuten, und von verschiedenen Eigenschaften der Reaktionserzeugnisse, einschließlich der Viskosität und des Molekulargewichts während eines Versuches. Darüber hinaus kann die in-situ-Überwachung, verbunden mit einer engen Prozesssteuerung, die Produktselektivität verbessern, Gelegenheiten zum Optimieren des Prozesses und des Produkts zur Verfügung stellen, die Verarbeitung temperaturempfindlicher Materialien ermöglichen, und die Unterschiede zwischen verschiedenen Versuchen verringern.
Andere Vorteile ergeben sich wegen der Verwendung kleiner Mischvolumina. Zusätzlich dazu, dass wertvolle Reaktanden gespart werden, erhöht die Verringerung der Probengröße die Oberfläche relativ zum Volumen innerhalb einzelner Reaktorbehälter. Dies verbessert die Gleichförmigkeit von Reaktionsmischungen, unterstützt den Gas-Flüssigkeitsaustausch bei Mehrphasenreaktionen, und erhöht die Wärmeübertragung zwischen den Proben und den Reaktorbehältern. Da große Proben erheblich langsamer auf Änderungen der Systembedingungen reagieren, ermöglicht die Verwendung kleiner Proben zusammen mit der in-situ-Überwachung und der Prozesssteuerung auch eine zeitabhängige Verarbeitung und Charakterisierung.
Der Parallelreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist nützlich für die Erforschung und Entwicklung chemischer Reaktionen, Katalysatoren und Prozesse. Es kann dieselbe Art von Reaktion in jedem Behälter durchgeführt werden, oder es können in jedem Behälter unterschiedliche Reaktionen durchgeführt werden. Daher kann sich jeder Reaktionsbehälter in Bezug auf seinen Inhalt während eines Versuches ändern. Jeder Reaktionsbehälter kann sich in Bezug auf einen Prozesszustand ändern, einschließlich Katalysatormengen (Volumen, Mole oder Masse), Verhältnisse von Ausgangsbestandteilen, Zeit für die Reaktion, Reaktionstemperatur, Reaktionsdruck, Rate der Zufügung eines Reaktanden zur Reaktion, Reaktionsatmosphäre, Reaktionsrührrate, Einspritzen eines Katalysators oder Reaktanden oder anderen Bestandteils (beispielsweise eines Reaktions-Quenchers) und anderer Bedingungen, die Fachleute erkennen werden. Jeder Reaktionsbehälter kann sich auch in Bezug auf die vorhandenen Chemikalien ändern, beispielsweise durch Verwendung unterschiedlicher Reaktanden oder Katalysatoren in zwei oder mehr Behältern.
So kann beispielsweise der Parallelreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung Reaktionsbehälter aufweisen, die ein unterschiedliches Volumen haben. Das Reaktorbehältervolumen kann zwischen etwa 0,1 Milliliter (ml) und etwa 500 ml variieren, spezieller zwischen etwa 1 ml und etwa 100 ml, und noch spezieller zwischen etwa 5 ml bis etwa 20 ml. Diese Reaktorbehältergrößen ermöglichen Reaktandenvolumina in einem Bereich, der ein ordnungsgemäßes Rühren gestattet (beispielsweise ermöglicht ein Reaktorbehälter von 15 ml Reaktandenvolumina zwischen etwa 2 und 10 ml). Weiterhin ermöglicht der Parallelreaktor der vorliegenden Erfindung eine Änderung des Reaktordrucks von Behälter zu Behälter oder Modul zu Modul oder Zelle zu Zelle, wobei jeder Behälter einen Druck aufweist, der im Bereich von etwa Atmosphärendruck bis etwa 34,47 × 10⁵ Pa (500 psi) reicht, und spezieller von Atmosphärendruck bis etwa 20,68 × 10⁵ Pa (300 psi) reicht. Bei anderen Ausführungsformen kann die Reaktortemperatur sich von Behälter zu Behälter oder Modul zu Modul oder Zelle zu Zelle ändern, wobei jeder Behälter auf einer Temperatur im Bereich von etwa –150°C bis etwa 250°C liegt, und spezieller im Bereich von –100°C bis etwa 200°C. Die Rührraten können sich ebenfalls von Behälter zu Behälter oder Modul zu Modul oder Zelle zu Zelle unterscheiden, wobei jeder Behälter durch mechanisches Rühren bei einer Rate von etwa 0 bis etwa 3000 Umdrehungen pro Minute (rpm) gerührt wird, spezieller bei einer Rate von etwa 10 bis etwa 2000 rpm, und noch spezieller bei einer Rate von etwa 100 bis etwa 1000 rpm. Bei anderen Ausführungsformen ermöglicht der Parallelreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung das Einspritzen von Reaktanden oder anderen Bestandteilen (beispielsweise Katalysatoren), während sich ein Reaktionsbehälter auf dem Reaktionsdruck befindet (wie dies nachstehend im Einzelheiten erläutert wird). Allgemein ermöglicht das Einspritzen von Reaktanden oder Bestandteilen eine Änderung der Reaktionsbedingungen von Behälter zu Behälter, beispielsweise durch Hinzufügen eines Reaktions-Quenchers bei einer zeitlich abgestimmten Frequenz oder einer Umwandlungsfrequenz. Die Reaktionsraten können in Abhängigkeit von dem durchgeführten Versuch verschieden sein, können jedoch im Bereich von weniger als 1 Minute bis etwa 48 Stunden liegen, spezieller im Bereich von etwa 1 Minute bis etwa 24 Stunden, und noch spezieller im Bereich von etwa 5 Minuten bis etwa 12 Stunden.
Übersicht über den Parallelreaktor
Das Parallelreaktorsystem der vorliegenden Erfindung ist eine integrierte Plattform zur Durchführung kombinatorischer Forschung in Chemie- und Materialwissenschaftsanwendungen. Ein integriertes Parallelreaktorsystem weist mehrere Reaktoren auf, die parallel betrieben werden können, in einem Maßstab, der für Forschungseinsätze geeignet ist, also typischerweise im Labormaßstab oder einem kleineren Maßstab (beispielsweise Minireaktoren und Mikroreaktoren). Die Reaktoren eines derartigen integrierten Systems können typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, integriert mit einem gemeinsamen Substrat ausgebildet oder mit diesem verbunden sein, in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, vorzugsweise räumlich gleichförmig, und/oder können sich eine gemeinsame Halterungsstruktur oder ein gemeinsames Gehäuse teilen. Das integrierte Parallelreaktorsystem kann auch ein oder mehrere Kontroll- und Überwachungssysteme enthalten, die mit ihm vollständig oder teilweise integriert ausgebildet sind.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Parallelreaktorsystems 100. Das Reaktorsystem 100 weist abnehmbare Behälter 102 zur Aufnahme von Reaktanden auf. Vertiefungen 104, die in einem Reaktorblock 106 vorgesehen sind, enthalten die Behälter 102. Obwohl die Vertiefungen 104 als Reaktorbehälter dienen können, sorgen abnehmbare Behälter 102 oder Auskleidungen für die Bereitstellung verschiedener Vorteile. So kann man beispielsweise nach einer Reaktion und einem vorläufigen Versuch (Überprüfung) eine Untergruppe von Behältern 102 von dem Reaktorblock 106 für weitere, tiefer gehende Untersuchungen abnehmen. Bei der Verwendung abnehmbarer Behälter 102 kann man auch Behälter 102 auswählen, die aus einem Material bestehen, das für eine vorgegebene Gruppe von Reaktanden, Produkten, und Reaktionsbedingungen geeignet ist. Anders als der Reaktorblock 106, der ein beträchtliches Investment darstellt, können die Behälter 102, falls sie beschädigt wurden, nach Gebrauch entsorgt werden. Schließlich kann man die Kosten des Systems 100 verringern, und die Kompatibilität mit standardisierten Probenvorbereitungs- und Versuchseinrichtungen dadurch sicherstellen, dass der Reaktorblock 106 so ausgelegt ist, dass er im Handel erhältliche Behälter aufnimmt.
Wie in 1 gezeigt, weist jeder der Behälter 102 eine Rührschaufel 108 auf. In einer Ausführungsform dreht sich jede Rührschaufel 108 annähernd mit derselben Geschwindigkeit, so dass jede der Reaktionsmischungen innerhalb der Behälter 102 eine ähnliche Mischung erfährt. Da Reaktionsprodukte durch die Mischintensität be einflusst werden können, stellt eine gleichmäßige Drehrate sicher, dass irgendwelche Unterschiede bei Produkten nicht infolge von Mischänderungen auftreten. In einer anderen Ausführungsform kann die Drehrate jeder Rührschaufel 108 unabhängig variiert werden, was – wie nachstehend erläutert – dazu verwendet werden kann, die Viskosität und das Molekulargewicht der Reaktionsprodukte festzulegen, oder dazu verwendet werden kann, den Einfluss der Mischgeschwindigkeit auf die Reaktion zu untersuchen.
Abhängig von der Art und Weise der Ausgangsmaterialien, der Arten von Reaktionen, und des Verfahrens, das zur Festlegung der Reaktionsprodukte und der Reaktionsraten verwendet wird, kann es wünschenswert sein, den Reaktorblock 106 in einer Kammer 110 einzuschließen. Die Kammer 110 kann evakuiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt werden. Bei einigen Fällen kann die Kammer 110 nur während des Füllens von Ausgangsmaterialien in die Behälter 102 verwendet werden, um eine Kontaminierung während der Probenvorbereitung zu minimieren, beispielsweise, um die Vergiftung von empfindlich auf Sauerstoff reagierenden Katalysatoren zu verhindern. In anderen Fällen kann die Kammer 110 während des Reaktionsprozesses oder der Festlegungsphase verwendet werden, und stellt ein bequemes Verfahren zum Liefern eines oder mehrerer Gase gleichzeitig an alle Behälter 102 zur Verfügung. Auf diese Weise kann ein gasförmiger Reaktand sämtlichen Behältern 102 gleichzeitig zugefügt werden. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass es häufig erforderlich ist, die Rate des Verschwindens eines gasförmigen Reaktanden zu überwachen, beispielsweise bei der Bestimmung von Umwandlungsraten, und in derartigen Fällen werden die Behälter 102 sämtlich abgedichtet und einzeln an eine Gasquelle angeschlossen, wie dies nachstehend erläutert wird.
2 zeigt eine Perspektivansicht eines Parallelreaktorsystems 130, das einen modularen Reaktorblock 132 aufweist. Der in 2 gezeigte, modulare Reaktorblock 132 besteht aus sechs Modulen 134, und jedes Modul 134 enthält acht Behälter (nicht gezeigt). Allerdings wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl an Modulen 134 und die Anzahl an Behältern innerhalb jedes der Module 134 variieren kann. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Modul 134 auf Komponentenzellen (nicht gezeigt) aufgeteilt werden, wobei beispielsweise jede Zelle eine Vertiefung 104 aufweist, die einen Reaktionsbehälter 102 haltert. Wenn daher ein Modul acht Reaktionsbehälter enthalten soll, können acht Zellen vorhanden sein, was die Herstellungskosten verringert, und den Austausch beschädigter oder verschlissener Zellen erleichtert. Es kann jede Anzahl an Zellen pro Modul vorhanden sein, beispielsweise eine Zelle, die zwei Reaktionsbehälter pro Zelle aufweist, usw.
Die Verwendung von Modulen 134 führt im Vergleich zu einem monolithischen Reaktorblock zu mehreren Vorteilen. So kann beispielsweise die Größe des Reaktorblocks 132 einfach eingestellt werden, abhängig von der Anzahl an Reaktanden oder der Größe der kombinatorischen Bibliothek. Weiterhin sind relativ kleine Module 134 leichter zu handhaben, zu transportieren, und herzustellen als ein einzelner, großer Reaktorblock. Ein beschädigtes Modul kann schnell durch ein Ersatzmodul ausgetauscht werden, was Reparaturkosten und Stillstandszeiten minimiert. Schließlich verbessert die Verwendung von Modulen 134 die Steuerung der Reaktionsparameter. So können beispielsweise die Rührgeschwindigkeit, die Temperatur, und der Druck jedes der Behälter bei verschiedenen Modulen unterschiedlich sein.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist jedes der Module 134 auf einer Basisplatte 136 angebracht, die eine Vorderseite 138 und eine Rückseite 140 aufweist. Die Module 134 sind mit der Basisplatte 136 unter Verwendung von Führungen (nicht gezeigt) gekuppelt, die an Kanäle 142 angepasst sind, die auf der Oberfläche der Basisplatte 136 vorgesehen sind. Die Führungen verhindern eine Querbewegung der Module 134, gestatten jedoch eine Linearbewegung entlang den Kanälen 142, die sich von der Vorderseite 136 bis zur Rückseite 140 der Basisplatte 136 erstrecken. Anschläge 144, die in den Kanälen 142 in der Nähe der Vorderseite 138 der Basisplatte 136 vorgesehen sind, begrenzen die Bewegung der Module 134. Daher kann eins der Module 134, oder können mehrere der Module 134, zur Vorderseite 138 der Basisplatte 136 bewegt werden, für den Zugang auf einzelne Behälter, während die anderen Module 134 durch einen Roboter gefüllt werden. Bei anderen Ausführungsformen sind die Module 134 starr an der Basisplatte 136 angebracht, unter Verwendung von Bolzen, Clips, oder anderen Befestigungsmitteln.
Wie in 2 gezeigt ist, ist ein herkömmliches Roboter-Materialhandhabungssystem 146 normalerweise dazu vorgesehen, Behälter mit Ausgangsmaterialien zu füllen. Das Robotersystem 146 weist eine Pipette oder Sonde 148 auf, die abgemessene Mengen an Flüssigkeiten in jeden der Behälter einbringt. Das Robotersystem 146 manipuliert die Sonde 148 unter Verwendung eines 3-Achsen-Verschiebesystems 150. Die Sonde 148 ist mit Quellen 152 flüssiger Rea genzien über ein flexibles Rohr 154 verbunden. Pumpen 156, die entlang dem flexiblen Rohr 154 angeordnet sind, werden zur Übertragung flüssiger Reagenzien von den Quellen 152 zur Sonde 148 eingesetzt. Geeignete Pumpen 156 umfassen Peristaltikpumpen und Spritzenpumpen. Ein Ventil 158 mit mehreren Anschlüssen, das stromabwärts der Pumpen 156 angeordnet ist, wählt aus, welches flüssige Reagenz von den Quellen 152 der Sonde 148 zum Einbringen in die Behälter zugeführt wird.
Das Roboter-Fluidhandhabungssystem 146 wird durch einen Prozessor 160 gesteuert. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform versorgt der Benutzer zuerst den Prozessor 160 mit Betriebsparametern unter Verwendung einer Software-Schnittstelle. Typische Betriebsparameter umfassen die Koordinaten jedes der Behälter und die Anfangszusammensetzungen der Reaktionsmischungen in einzelnen Behältern. Die Anfangszusammensetzungen können als Liste flüssiger Reagenzien von jeder der Quellen 152 festgelegt werden, oder als inkrementale Zufügungen verschiedener flüssiger Reagenzien in Bezug auf bestimmte Behälter.
Temperatursteuerung und -überwachung
Die Fähigkeit, die Temperatur einzelner Reaktorbehälter zu überwachen und zu steuern, stellt einen wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Während der Synthese kann die Temperatur eine wesentliche Auswirkung auf die Struktur und die Eigenschaften von Reaktionserzeugnissen haben. So hängen beispielsweise bei der Synthese organischer Moleküle die Ausbeute und die Selektivität häufig stark von der Temperatur ab. Entsprechend können bei Polymerisationsreaktionen die Polymerstruktur und die Polymereigenschaften, nämlich Molekulargewicht, Teilchengröße, Monomerumwandlung, und die Mikrostruktur, von der Reaktionstemperatur beeinflusst werden. Während der Überprüfung oder Charakterisierung kombinatorischer Bibliotheken sind die Steuerung und die Überwachung der Temperatur von Bibliotheksmitgliedern häufig unverzichtbar, um aussagekräftige Vergleiche zwischen Mitgliedern zu ermöglichen. Schließlich kann die Temperatur als Überprüfungskriterium verwendet werden, oder dazu verwendet werden, nützliche Prozess- und Erzeugnisvariablen zu berechnen. So kann beispielsweise die Katalyse exothermer Reaktionen in eine Rangordnung gebracht werden, auf Grundlage des Temperaturspitzenwertes der Reaktion und/oder der Gesamtwärme, die im Verlauf der Reaktion abgegeben wird, und können Temperaturmessungen dazu verwendet werden, die Raten der Reaktion und der Umwandlung zu berechnen.
3 erläutert ein Beispiel eines Temperaturüberwachungssystems 180, das Temperatursensoren 182 aufweist, die in Wärmeberührung mit einzelnen Behältern 102 stehen. Zur Verdeutlichung beschreiben wir das Temperaturüberwachungssystem 180 unter Bezugnahme auf den monolithischen Reaktorblock 106 von 1, jedoch gilt diese Beschreibung ebenso für den modularen Reaktorblock 132 von 2. Geeignete Temperatursensoren 182 umfassen ummantelte oder nicht-ummantelte Thermoelemente (TC), Widerstandswärmemessgeräte (RTD), und Thermistoren. Die Temperatursensoren 182 kommunizieren mit einer Temperaturüberwachungseinrichtung 184, die von den Temperatursensoren 182 empfangene Signale in eine Standardtemperaturskala umwandelt. Ein wahlweiser Prozessor 186 empfängt Temperaturdaten von der Temperaturüberwachungseinrichtung 184. Der Prozessor 186 führt mit den Daten Berechnungen durch, die Wandkorrekturen und einfache vergleiche zwischen verschiedenen Behältern 102 umfassen können, sowie kompliziertere Verarbeitungen wie die nachstehend erläuterten kalorimetrischen Berechnungen. Während eines Versuchslaufs werden Temperaturdaten typischerweise an einen Speicher 188 geschickt, so dass sie zu einem späteren Zeitpunkt zur Untersuchung abgerufen werden können.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer integrierten Temperatursensor-Behälteranordnung 200. Der Temperatursensor 202 ist in die Wand 204 eines Reaktorbehälters 206 eingebettet. Die Oberfläche 208 des Temperatursensors 202 befindet sich neben der Innenwand 210 des Behälters, um einen ausreichenden Wärmekontakt zwischen dem Inhalt des Behälters 206 und dem Temperatursensor 202 sicherzustellen. Die in 3 gezeigte Sensoranordnung ist dann nützlich, wenn es erforderlich ist, den Inhalt des Reaktorbehälters 206 frei von störenden Einflüssen zu halten. Dieses Erfordernis kann beispielsweise dann auftreten, wenn eine freistehende Mischeinrichtung verwendet wird, beispielsweise ein magnetischer Rührstab. Allerdings wird darauf hingewiesen, dass die Herstellung eines integrierten Temperatursensors wie jenes, der in 4 gezeigt ist, teuer und zeitaufwendig sein kann, insbesondere wenn Reaktorbehälter aus Glas eingesetzt werden.
Daher wird bei einem anderen Beispiel der Temperatursensor in die Reaktionsmischung eingetaucht. Da die Reaktionsumgebung innerhalb des Behälters den Temperatursensor schnell beschädigen kann, wird er normalerweise mit einem inerten Material ummantelt, beispielsweise einem thermoplastischen Fluorkunststoffmaterial. Zusätzlich zu den Kostenvorteilen stellt ein direktes Eintauchen weitere Vorteile zur Verfügung, einschließlich einer schnellen Reaktion und einer erhöhten Genauigkeit. Bei einem anderen Beispiel wird der Temperatursensor auf die Außenoberfläche 212 des Reaktorbehälters von 4 aufgebracht. Solange die Wärmeleitfähigkeit des Reaktorbehälters bekannt ist, können relativ exakte und schnelle Temperaturmessungen durchgeführt werden.
Man kann auch die Temperatur aus der Ferne überwachen, unter Verwendung eines in 5 gezeigten Infrarotsystems. Das Infrarotüberwachungssystem 230 weist eine wahlweise Isolierkammer 232 auf, die den Reaktorblock 234 und Behälter 236 enthält. Die Oberseite 238 der Kammer 232 ist mit einem Fenster 240 versehen, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Eine Infrarotkamera 242, die außerhalb der Isolierkammer 232 angeordnet ist, erfasst die Intensität der Infrarotstrahlung, die durch das Fenster 240 hindurchgeht, und zeichnet sie auf. Da die Infrarotemissionsintensität von der Quellentemperatur abhängt, kann sie dazu verwendet werden, Hochtemperaturbehälter von Niedrigtemperaturbehältern zu unterscheiden. Mit geeigneter Kalibrierung kann die Infrarotintensität in die Temperatur umgewandelt werden, so dass zu jedem Zeitpunkt die Kamera 242 "Schnappschüsse" der Temperatur entlang der Oberfläche 244 des Reaktorblocks 234 zur Verfügung stellt. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform sind die Oberseiten 246 der Behälter 236 offen. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Oberseiten 246 der Behälter 236 mit für Infrarotstrahlung durchlässigen Kappen (nicht gezeigt) versehen. Es wird darauf hingewiesen, dass infolge des Rührens die Temperatur innerhalb eines bestimmten Behälters gleichmäßig ist, und daher die Oberflächentemperatur des Behälters, die durch Infrarotemission gemessen wird, mit der Volumentemperatur übereinstimmt, die von einem TC oder einem RTD gemessen wird, das in dem Behälter eingetaucht ist.
Die Temperatur der Reaktorbehälter und des Blocks kann sowohl gesteuert als auch überwacht werden. Abhängig vom Einsatz kann jeder der Behälter auf derselben Temperatur gehalten werden, oder können die Behälter unterschiedliche Temperaturen aufweisen, während eines Versuches. So kann man beispielsweise Verwendungen in Bezug auf die Katalysatoraktivität dadurch überprüfen, dass zuerst in getrennten Behältern jede der Verbindungen mit gemeinsamen Ausgangsmaterialien kombi niert wird, und man dann diese Mischungen bei gleicher Temperatur reagieren lässt. Man kann dann einen vielversprechenden Katalysator weiter dadurch charakterisieren, dass er in verschiedenen Behältern mit denselben Ausgangsmaterialien kombiniert wird, die in dem Überprüfungsschritt eingesetzt werden. Die Mischungen reagieren dann bei unterschiedlichen Temperaturen, um den Einfluss der Temperatur auf die Katalysatorleistung (Geschwindigkeit, Selektivität) zu messen. In vielen Fällen kann es erforderlich sein, die Temperatur der Behälter während der Verarbeitung zu ändern. So kann man beispielsweise die Temperatur einer Mischung verringern, bei der eine reversible, exotherme Reaktion stattfindet, um die Umwandlung zu maximieren. Man kann auch während eines Charakterisierungsschrittes die Temperatur eines Reaktionsprodukts rampenförmig durchfahren, um Phasenübergänge festzustellen (Schmelzbereich, Glasübergangstemperatur). Schließlich kann man den Reaktorblock auf konstanter Temperatur halten, während Temperaturänderungen in den Behältern während der Reaktion überwacht werden, um kalorimetrische Daten zu erhalten, wie sie nachstehend geschildert werden.
6 zeigt ein nützliches Temperatursteuersystem 260, das getrennte Heizelemente 262 und Temperaturmesselemente 264 aufweist. Das in 6 gezeigte Heizelement 262 ist eine herkömmliche Dünnfaden-Widerstandsheizung, deren Wärmeabgabe proportional zum Produkt des Heizfadenwiderstands und des Quadrats des durch den Heizfaden hindurchgehenden Stroms ist. Das Heizelement 262 ist so dargestellt, dass es um einen Reaktorbehälter 266 herumgewickelt ist, um eine gleichmäßige radiale und axiale Erwärmung des Inhalts des Behälters 266 sicherzustellen. Das Temperaturmesselement 164 kann ein TC, ein RTD und dergleichen sein. Das Heizelement 262 kommuniziert mit einem Prozessor 268, der auf Grundlage von Information, die von dem Temperatursensor 264 über ein Temperaturüberwachungssystem 270 empfangen wird, die Wärmeabgabe des Heizelements 262 erhöht oder verringert. Ein Heizungssteuersystem 272, das in dem Kommunikationsweg zwischen dem Heizelement 262 und dem Prozessor 268 angeordnet ist, wandelt ein Signal des Prozessors 268 für eine Erhöhung (Verringerung) der Erwärmung in eine Erhöhung (Verringerung) des elektrischen Stroms durch das Heizelement 262 um. Im allgemeinen ist jeder der Behälter 104 des Parallelreaktorsystems 100, das in 1 oder 3 gezeigt ist, mit einem Heizelement 262 und einem oder mehreren Temperatursensoren 264 versehen, die mit einem zentralen Heizungssteuersystem 272 kommunizieren, mit dem Temperaturüberwachungssystem 270, und dem Prozessor 268, so dass die Temperatur der Behälter 104 unabhängig gesteuert werden kann.
Andere Beispiele umfassen eine Anordnung des Heizelements 262 und des Temperatursensors 264 innerhalb des Behälters 266, was zu einer exakteren Überwachung und Steuerung der Temperatur der Inhalte der Behälter 266 führt, so wie die Vereinigung des Temperatursensors und des Heizelements in einem einzigen Gehäuse. Ein Thermistor stellt ein Beispiel für eine Vereinigung von Temperatursensor und Heizvorrichtung dar, die sowohl zur Überwachung als auch zur Steuerung der Temperatur verwendet werden kann, da ihr Widerstand temperaturabhängig ist.
7 erläutert ein weiteres Temperatursteuersystem, welches die Kühlung und Erwärmung des Reaktorblocks 106 mit einer Flüssigkeit umfasst. Die Regelung der Temperatur des Reaktorblocks 106 sorgt für zahlreiche Vorteile. So stellt dies beispielsweise eine einfache Art und Weise dazu dar, eine annähernd gleichmäßige Temperatur sämtlicher Reaktorbehälter 102 aufrecht zu erhalten. Infolge der großen Oberfläche der Behälter 102 im Vergleich zum Volumen der Reaktionsmischung kann durch Kühlung des Reaktorblocks 106 auch die Durchführung stark exothermer Reaktionen erfolgen. Durch Temperatursteuerung einzelner Behälter 102 gestattet die aktive Kühlung des Reaktorblocks 106 eine Verarbeitung bei Temperaturen unterhalb von Umgebungstemperatur. Darüber hinaus verringert eine aktive Erwärmung oder Kühlung des Reaktorblocks 106, in Kombination mit der Temperatursteuerung einzelner Behälter 102 oder Gruppen von Behältern 102, auch die Reaktionszeit der Temperaturregelungsrückkopplung. Man kann die Temperatur einzelner Behälter 102 oder von Gruppen von Behältern 102 unter Verwendung kompakter Wärmeübertragungseinrichtungen steuern, die elektrische Widerstandsheizelemente oder thermoelektrische Einrichtungen umfassen, wie dies in 6 bzw. 8 gezeigt ist. Obwohl eine Reaktorblockkühlung unter Bezugnahme auf den monolithischen Reaktorblock 106 beschrieben wird, kann man entsprechend unabhängig einzelne Module 134 des in 2 gezeigten, modularen Reaktorblocks 132 erwärmen oder kühlen.
Wiederum in 7 wird ein Wärmefluid 290, beispielsweise Wasser, Dampf, eine Silikonflüssigkeit, ein Fluorkohlenstoff, und dergleichen, von einem Vorratsbehälter 292 mit gleichmäßiger Temperatur zum Reaktorblock 106 unter Verwendung einer Pumpe 294 mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit transportiert. Das Wärmefluid 290 tritt in den Reaktorblock 106 von einer Pumpenauslassleitung 296 über einen Einlassanschluss 298 ein. Vom Einlassanschluss 298 fließt das Wärmefluid 290 durch eine Durchlass 300, der in dem Reaktorblock 106 vorgesehen ist. Der Durchlass kann einen einzelnen oder mehrere Kanäle aufweisen. Der in 7 gezeigte Durchlass 300 besteht aus einem einzigen Kanal, der sich zwischen Reihen aus Behältern 102 durchschlängelt, und schließlich den Reaktorblock 106 an einem Auslassanschluss 302 verlässt. Das Wärmefluid 290 kehrt zu dem Vorratsbehälter 292 über eine Reaktorblockauslassleitung 304 zurück. Eine Wärmepumpe 306 regelt die Temperatur des Wärmefluids 290 in dem Vorratsbehälter 292, durch Zuführen oder Abführen von Wärme über eine Wärmeübertragungswicklung 308. In Reaktion auf Signale von Temperatursensoren (nicht gezeigt), die in dem Reaktorblock 106 und dem Vorratsbehälter 292 angeordnet sind, stellt ein Prozessor 310 die Wärmemenge ein, die dem Wärmefluid 290 über die Wicklung 308 zugeführt oder von diesem abgeführt wird, ein. Um die Flussrate des Wärmefluids 290 durch den Durchlass 300 einzustellen, kommuniziert der Prozessor 310 mit einem Ventil 312, das in einer Vorratsbehälterauslassleitung 314 angeordnet ist. Der Reaktorblock 106, der Vorratsbehälter 292, die Pumpe 294 und die Leitungen 296, 304, 314 können isoliert werden, um die Temperatursteuerung in dem Reaktorblock 106 zu verbessern.
Da der Reaktorblock 106 typischerweise aus einem Metall oder einem anderen Material besteht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, ist der Durchlass 300 mit einem einzigen Kanal normalerweise dazu ausreichend, die Temperatur des Blocks 106 auf ein paar Grad oberhalb oder unterhalb Zimmertemperatur zu halten. Um die Gleichförmigkeit der Temperatur innerhalb des Reaktorblocks 106 zu verbessern, kann der Durchlass auf parallele Kanäle (nicht gezeigt) aufgeteilt werden, unmittelbar stromabwärts des Einlassanschlusses 298. Im Gegensatz zu dem Durchlass 300 mit einem einzigen Kanal, der in 7 gezeigt ist, geht jeder der parallelen Kanäle zwischen einer einzelnen Reihe von Behältern 102 hindurch, bevor er den Reaktorblock 106 verlässt. Diese parallele Flussanordnung verringert den Temperaturgradienten zwischen dem Einlassanschluss 298 und dem Auslassanschluss 302. Um die Gleichförmigkeit der Temperatur noch weiter zu verbessern, und auch den Wärmeaustausch zwischen den Behältern 102 und dem Block 106, kann der Durchlass 300 vergrößert werden, so dass die Vertiefungen 104 im wesentlichen in einen Hohlraum vorspringen, der das Wärmefluid 290 enthält. Zusätzlich kann man den Reaktorblock 106 voll ständig weglassen, und die Behälter 102 in einem Bad haltern, oder sie dort eintauchen, welches das Wärmefluid 290 enthält.
8 erläutert die Verwendung thermoelektrischer Einrichtungen zum Erwärmen und Kühlen einzelner Behälter. Thermoelektrische Einrichtungen können sowohl als Heizvorrichtungen als auch als Kühlvorrichtungen dienen, mittels Umkehr des Stromflusses durch die Einrichtung. Anders als Widerstandsheizungen, die elektrische Energie in Wärme umwandeln, sind thermoelektrische Einrichtungen Wärmepumpen, die den Peltier-Effekt dazu ausnutzen, Wärme von einer Oberfläche der Einrichtung zur anderen zu übertragen. Eine typische thermoelektrische Anordnung sieht aus wie ein Sandwich, bei welchem die vordere Oberfläche der thermoelektrischen Einrichtung in Wärmekontakt mit dem Gegenstand steht, der gekühlt (erwärmt) werden soll, und die hintere Oberfläche der Einrichtung in Wärmekontakt mit einer Wärmesenke (Wärmequelle) steht. Ist die Wärmesenke oder Wärmequelle die Umgebungsluft, so weist die hintere Oberfläche der Einrichtung typischerweise einen Array aus wärmeleitfähigen Rippen auf, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Vorzugsweise ist die Wärmesenke oder Wärmequelle eine Flüssigkeit. Im Vergleich zu Luft weisen Flüssigkeiten eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine höhere Wärmekapazität auf, und sollten daher für eine bessere Wärmeübertragung durch die hintere Oberfläche der Einrichtung sorgen. Da thermoelektrische Einrichtungen normalerweise mit Verbindungen aus blankem Metall hergestellt werden, müssen sie häufig körperlich von der Flüssigkeits-Wärmesenke oder der Flüssigkeits-Wärmequelle isoliert werden.
8 zeigt als Beispiel eine Art und Weise der Verwendung thermoelektrischer Einrichtungen 230 zum Erwärmen und Kühlen von Reaktorbehältern 338 unter Verwendung einer Flüssigkeits-Wärmesenke oder Flüssigkeits-Wärmequelle. Bei der in 8 gezeigten Anordnung sind thermoelektrische Einrichtungen 330 sandwichartig zwischen einem Reaktorblock 334 und einer Wärmeübertragungsplatte 336 eingeschlossen. Reaktorbehälter 338 sitzen innerhalb von Vertiefungen 340, die in dem Reaktorblock 334 vorgesehen sind. Dünne Wände 342 am Boden der Vertiefungen 340 trennen die Behälter 338 von den thermoelektrischen Einrichtungen 330 ab, und sorgen für einen guten Wärmekontakt. Wie in 8 gezeigt ist, steht jeder der Behälter 338 in Wärmekontakt zu einer einzigen thermoelektrischen Einrichtung 330, obwohl im allgemeinen eine thermoelektrische Einrichtung mehr als einen der Behälter 338 erwärmen oder abkühlen kann. Die thermoelektrischen Einrichtungen 330 er halten entweder Wärme von einem Wärmefluid, oder geben Wärme in dieses ab, das durch einen inneren Hohlraum 344 der Wärmeübertragungsplatte 336 umläuft. Das Wärmefluid gelangt in die Wärmeübertragungsplatte 336 über Einlassanschlüsse 346, und verlässt diese über Auslassanschlüsse 348, und seine Temperatur wird auf ähnliche Weise wie in 7 gezeigt kontrolliert. Während eines Versuchs wird die Temperatur des Wärmefluids typischerweise konstant gehalten, während die Temperatur der Behälter 338 durch Einstellen des elektrischen Stroms gesteuert wird, und daher durch den Wärmetransport durch die thermoelektrischen Einrichtungen 330. Obwohl dies in 8 nicht gezeigt ist, wird die Temperatur der Behälter 338 auf ähnliche Weise wie bei dem in 6 gezeigten Schema gesteuert. Temperatursensoren, die in der Nähe der Behälter 338 und innerhalb des Wärmeübertragungsplattenhohlraums 344 angeordnet sind, kommunizieren mit einem Prozessor über einen Temperaturmonitor. In Reaktion auf Temperaturdaten von dem Temperaturmonitor erhöht oder verringert der Prozessor den Wärmefluss zu bzw. von den thermoelektrischen Einrichtungen 330. Ein Steuersystem für die thermoelektrischen Einrichtungen, das in dem Kommunikationsweg zwischen den thermoelektrischen Einrichtungen 330 und dem Prozessor angeordnet ist, stellt die Größe und Richtung des Flusses des elektrischen Stroms durch jede der thermoelektrischen Einrichtungen 330 in Reaktion auf Signale von dem Prozessor ein.
Messung und Verwendung kalorimetrischer Daten
Temperaturmessungen stellen häufig ein qualitatives Bild der Reaktionsgenetik und der Umwandlung zur Verfügung, und können daher zur Überprüfung von Bibliotheksmitgliedern verwendet werden. So können beispielsweise Änderungsraten der Temperatur im Verlauf der Zeit, und ebenso Temperaturspitzenwerte, die innerhalb jedes der Behälter erreicht werden, dazu verwendet werden, Katalysatoren in eine Rangfolge zu bringen. Typischerweise sind die besten Katalysatoren einer exothermischen Reaktion jene, die dann, wenn sie mit einer Gruppe von Reaktanden kombiniert werden, zur stärksten Wärmeerzeugung in der kürzesten Zeit führen.
Zusätzlich zu ihrer Verwendung als Überprüfungswerkzeug kann die Temperaturmessung, kombiniert mit der richtigen Temperatursteuerung und der Auslegung des Reaktorsystems, auch dazu dienen, quantitative kalorimetrische Daten zu erhal ten. Aus derartigen Daten können Wissenschaftler beispielsweise die instantane Konversion und die Reaktionsrate berechnen, Phasenübergänge feststellen (Schmelzpunkt, Glasübergangstemperatur), von Reaktionsprodukten, oder latente Wärmen messen, um Strukturinformation von Polymermaterialien zu erhalten, einschließlich des Ausmaßes der Kristallinität und der Verzweigung.
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts des Reaktorblocks 360, der dazu verwendet werden kann, exakte kalorimetrische Daten zu erhalten. Jeder der Behälter 362 enthält Rührschaufeln 364, um sicherzustellen, dass die Inhalte 366 der Behälter 362 gut gemischt werden, und die Temperatur T_j innerhalb irgendeines der Behälter 362 gleichförmig ist. Jeder der Behälter 362 enthält einen Thermistor 368, der T_j misst, und den Behälterinhalt 366 erwärmt. Die Wände 370 der Behälter 362 bestehen aus Glas, obwohl man jedes Material verwenden kann, das ein relativ geringes Wärmeleitvermögen hat, und ähnliche mechanische Festigkeit und chemische Widerstandsfähigkeit. Die Behälter 362 werden innerhalb von Vertiefungen 372 gehaltert, die in dem Reaktorblock 360 vorgesehen sind, und jede der Vertiefungen 372 ist mit einem Isoliermaterial 374 ausgekleidet, um die Wärmeübertragung von oder zu den Behältern 362 noch weiter zu verringern. Geeignete Isoliermaterialien 374 umfassen Glaswolle, Silikongummi, und dergleichen. Das Isoliermaterial 374 kann weggelassen werden, oder durch eine Wärmepaste ersetzt werden, wenn ein besserer Wärmekontakt zwischen dem Reaktorblock 360 und den Behältern 362 gewünscht wird, wobei ein guter Wärmekontakt beispielsweise dann benötigt wird, wenn exotherme Reaktionen unter isothermen Bedingungen untersucht werden. Der Reaktorblock 360 besteht aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Aluminium, Edelstahl, Messing, und dergleichen. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit, begleitet von aktiver Erwärmung oder Abkühlung unter Verwendung irgendeines der voranstehend geschilderten Verfahren unterstützt die Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen Temperatur T_o über den Reaktorblock 360. Man kann ungleichförmige Temperaturen innerhalb des Reaktorblocks 360 dadurch berücksichtigen, dass T_oj gemessen wird, die Temperatur der Blöcke 360 in der Nähe jedes der Behälter 362, unter Verwendung von Blocktemperatursensoren 376. In derartigen Fällen wird T_oj anstelle von T_o bei den nachstehend beschriebenen, kalorimetrischen Berechnungen verwendet.
Ein Energiegleichgewicht um den Inhalt 366 eines der Behälter 362 herum (des j-ten Behälters) ergibt einen Ausdruck für den Umwandlungsanteil X_j eines betreffen den Reaktanden zu jedem Zeitpunkt t, unter der Annahme, dass die Reaktionswärme ΔH_rj und die spezifische Wärme des Behälterinhalts 366, C_Pj, bekannt sind, und über den interessierenden Temperaturbereich konstant sind:
Im Ausdruck I ist M_j die Masse des Inhalts 366 des j-ten Behälters; ist m_oj die Anfangsmasse des betreffenden Reaktanden; ist Q_in,j die Rate der Wärmeübertragung in dem j-ten Behälter durch andere Prozesse als die Reaktion, beispielsweise durch Widerstandserwärmung des Thermistors 368. Q_out,j ist die Rate der Wärmeübertragung aus dem j-ten Behälter heraus, die aus folgendem Ausdruck bestimmt werden kann: Qout,j = UjAj(Tj – To) = UjAjΔTj IIwobei A_j die Wärmeübertragungsfläche ist, also die Oberfläche des j-ten Behälters, und U_j der Wärmeübertragungskoeffizient ist, der von den Eigenschaften des Behälters 362 und dessen Inhalt 366 abhängt, sowie von der Rührrate. U_j kann dadurch bestimmt werden, dass der Temperaturanstieg ΔT_j in Reaktion auf eine bekannte Wärmezufuhr gemessen wird.
Die Gleichungen I und II können zur Bestimmung der Umwandlung aus kalorimetrischen Daten auf zumindest zwei Arten und Weisen verwendet werden. Bei einem ersten Verfahren wird die Temperatur des Reaktorblocks 360 konstant gehalten, und wird ausreichend viel Wärme jedem der Behälter 362 über den Thermistor 368 zugeführt, um einen konstanten Wert von ΔT_j aufrechtzuerhalten. Unter derartigen Bedingungen kann nach Kombination der Gleichungen I und II die Umwandlung aus folgendem Ausdruck berechnet werden
wobei das Integral dadurch bestimmt werden kann, dass numerisch der Energieverbrauch des Thermistors 368 über die Länge t_f des Experiments integriert wird. Dieses Verfahren kann dazu verwendet werden, die Wärmeabgabe einer Reaktion unter isothermen Bedingungen zu messen.
Bei einem zweiten Verfahren wird die Temperatur des Reaktorblocks 360 wiederum konstant gehalten, jedoch nimmt T_j in Reaktion auf Wärme, die bei der Reaktion erzeugt oder verbraucht wird, zu bzw. ab. Aus den Gleichungen I und II wird unter diesen Umständen
In Gleichung IV kann das Integral numerisch bestimmt werden, und sind T_fj und T_ij die Temperatur der Reaktionsmischung innerhalb des j-ten Behälters zu Beginn bzw. am Ende der Reaktion. Ist daher T_fj gleich T_ij, so ist die gesamte abgegebene Wärme proportional zu
Dieses Verfahren ist einfacher zu implementieren als das isotherme Verfahren, da es nicht die Temperatursteuerung einzelner Behälter erfordert. Es kann jedoch nur eingesetzt werden, wenn die Temperaturänderung in jedem der Reaktionsbehälter 362 infolge der Reaktion nicht signifikant die untersuchte Reaktion beeinflusst.
Man kann auch die instantane Rate des Verschwindens des betreffenden Reaktanden in dem j-ten Behälter berechnen, nämlich –r_j, unter Verwendung von Gleichung I, III oder IV, da –r_j mit der Umwandlung in folgender Beziehung steht
was für Reaktionen mit konstantem Volumen gültig ist. Die Konstante C_oj ist die Anfangskonzentration des betreffenden Reaktanden.
Rührsysteme
Mischvariablen, beispielsweise das Drehmoment, die Drehrate und die Geometrie einer Rührschaufel, können den Verlauf einer Reaktion beeinflussen, und daher die Eigenschaften der Reaktionsprodukte beeinflussen. So können beispielsweise der gesamte Wärmeübertragungskoeffizient und die Rate der viskosen Dissipation innerhalb der Reaktionsmischung von der Drehrate der Rührschaufel abhängen. Daher ist es in vielen Fällen wichtig, dass man die Rührrate jeder Reaktionsmischung überwacht und steuert, um eine gleichförmige Mischung sicherzustellen. Alternativ kann das eingesetzte Drehmoment überwacht werden, um die Viskosität der Reaktionsmischung zu messen. Wie in dem nächsten Abschnitt beschrieben, können Messungen der Viskosität der Lösung dazu verwendet werden, das mittlere Molekulargewicht von Polymerreaktionsprodukten zu berechnen.
10 zeigt eine Perspektivansicht eines Rührsystems für ein einzelnes Modul 390 eines modularen Reaktorblocks der in 2 gezeigten Art. Das Modul 390 weist einen Block 392 mit acht Vertiefungen 394 zur Aufnahme abnehmbarer Reaktionsbehälter 396 auf. Die Anzahl an Vertiefungen 394 und an Reaktionsbehältern 396 kann variieren. Die obere Oberfläche 398 einer abnehmbaren, unteren Platte 400 dient als die Basis für jede der Vertiefungen 394, und gestattet ein Abnehmen der Reaktionsbehälter 396 über den Boden 402 des Blocks 392. Schrauben 404 befestigen die untere Platte 400 am Boden 402 des Blocks 392. Eine obere Platte 406, die auf der Oberseite 408 des Blocks 392 aufsitzt, haltert und richtet längliche Rührer 410 in das Innere der Behälter 396. Jeder der Rührer 410 weist eine Spindel 412 und eine drehbares Rührteil oder eine drehbare Rührschaufel 414 auf, die an dem unteren Ende jeder Spindel 412 angebracht ist. Ein Zahnrad 416 ist an dem oberen Ende jeder Spindel 412 angebracht. Im zusammengebauten Zustand kämmt jedes Zahnrad 416 mit einem benachbarten Zahnrad 416, wodurch ein Getriebe (nicht gezeigt) ausgebildet wird, so dass sich jeder Rührer 410 mit derselben Geschwindigkeit dreht. Ein Gleichstromschrittmotor 418 stellt das Drehmoment zum Drehen der Rührer 410 zur Verfügung, obwohl ein Luftantriebsmotor, ein Wechselstrommotor mit konstanter Geschwindigkeit, oder ein Wechselstrommotor mit variabler Geschwindigkeit statt dessen eingesetzt werden kann. Ein Paar von Antriebszahnrädern 420 kuppelt den Motor 418 mit dem Getriebe. Ein abnehmbarer Deckel 402 sorgt für Zugang zu dem Getriebe, der an dem Block 392 unter Verwendung von Gewindebefestigungsmitteln 424 befestigt ist. Zusätzlich zu dem Getriebe kann man Riemen, Ketten und Kettenräder, oder andere Antriebsmechanismen einsetzen. Bei alternativen Ausführungsformen ist jeder der Rührer 410 mit einem getrennten Motor gekuppelt, so dass die Geschwindigkeit oder das Drehmoment jedes der Rührer 410 unabhängig variiert und überwacht werden kann. Weiterhin kann der Antriebsmechanismus, ob nun ein einzelner Motor und ein Getriebe oder aber individuelle Motoren verwendet werden, unterhalb der Behälter 362 angebracht sein. In derartigen Fällen werden magnetische Rührschaufeln, die in dem Behälter 362 angeordnet sind, mit dem Antriebsmechanismus unter Verwendung von Permanentmagneten gekuppelt, die an Getriebespindeln oder Motorwellen angebracht sind.
Zusätzlich zum Rührsystem sind andere in 10 gezeigte Elemente erwähnenswert. So kann Bedingung die obere Platte 406 Behälterdichtungen 426 enthalten, die eine Verarbeitung bei anderen Drucken als Atmosphärendruck ermöglichen. Darüber hinaus ermöglichen es die Dichtungen 426, dass man den zeitlichen Druckverlauf in den Behältern 396 überwachen kann. Wie nachstehend erläutert, kann derartige Information dazu verwendet werden, die Umwandlung eines gasförmigen Reaktanden in eine kondensierte Spezies zu berechnen. Es wird darauf hingewiesen, dass jede Spindel 412 durch die Dichtungen 426 hindurchgehen kann, oder magnetisch an ein oberes Spindelteil (nicht gezeigt) gekuppelt sein kann, das an dem Zahnrad 416 angebracht ist. 10 zeigt weiterhin Temperatursensoren 428, die in dem Block 392 neben jeder der Vertiefungen 394 eingebettet sind. Die Sensoren 428 sind ein Teil des Temperaturüberwachungs- und Steuersystems, das voranstehend beschrieben wurde.
Bei einer anderen Ausführungsform dreht ein Array aus Elektromagneten freistehende Rührteile oder magnetische Rührstäbe, wodurch das in 10 gezeigte, mechanische Antriebssystem wegfallen kann. Elektromagneten sind elektrische Leiter, die ein Magnetfeld erzeugen, wenn durch sie ein elektrischer Strom hindurchgeht. Typischerweise ist der elektrische Leiter eine Drahtspule, die um einen festen Kern gewickelt ist, der aus einem Material mit relativ hoher Permeabilität besteht, beispielsweise Weicheisen oder weicher unlegierter Stahl.
11 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Elektromagnet-Rührarrays 440. Die Elektromagneten 442 oder die Spulen, die zu dem Array 440 gehören, sind in der unteren Platte 400 des Reaktormoduls 390 von 10 so angebracht, dass ihre Achsen etwa parallel zu den Zentrumslinien der Behälter 396 verlaufen. Obwohl eine höhere Magnetfeldstärke dadurch erzielt werden kann, wenn die Elektromagneten mit ihren Achsen senkrecht zu den Zentrumslinien der Behälter 396 angebracht werden, ist eine derartige Konstruktion schwieriger zu verwirklichen, da bei ihr Elektromagneten zwischen den Behältern 396 angeordnet werden müssen. Die acht Kreuze oder Behälterorte 444 in 11 geben die annähernden Orte der jeweiligen Zentren jedes der Behälter 396 von 10 an, und geben die angenäherte Position der Drehachsen der magnetischen Rührstäbe (nicht gezeigt) an. Bei dem in 11 gezeigten Array 440 umgeben vier Elektromagneten 442 jeden Behälterort 444, obwohl man eine kleinere oder größere Anzahl an Elektromagneten 442 verwenden kann. Die Minimalanzahl an Elektromagneten pro Behälterort beträgt zwei, jedoch ist es bei einem derartigen System schwierig, das Rühren einzuleiten, und blockiert der Rührstab leicht. Die Größe und verfügbare Packungsdichte der Elektromagneten begrenzen hauptsächlich die maximale Anzahl an Elektromagneten.
Wie in 11 gezeigt, teilt sich jeder Behälterort 444, abgesehen von jenen an den Enden 446 des Arrays 440, seine vier Elektromagneten 442 mit zwei benachbarten Behälterorten. Infolge dieser gemeinsamen Nutzung drehen sich magnetische Rührstäbe an benachbarten Behälterorten in entgegengesetzter Richtung, wie durch die gekrümmten Pfeile 448 in 11 angedeutet, was zum Stillstand führen kann. Andere Arraykonstruktionen sind möglich. So zeigt beispielsweise 12 einen Abschnitt eines Arrays 460, bei welchem das Verhältnis von Elektromagneten 462 zu Behälterorten 464 sich an 1 : 1 annähert, wenn die Anzahl an Behälterorten 464 groß wird. Da sich jeder der Behälterorte 464 seine Elektromagneten 462 mit seinen Nach barn teilt, drehen sich magnetische Rührstäbe an benachbarten Behälterorten in entgegengesetzter Richtung, wie durch gekrümmte Pfeile 466 angedeutet. Im Gegensatz zeigt 13 einen Abschnitt eines Arrays 470, bei dem sich das Verhältnis von Elektromagneten 471 zu Behälterorten 474 an 2 : 1 annähert, wenn die Anzahl an Behälterorten groß wird. Infolge der vergleichsweise großen Anzahl an Elektromagneten 472 im Vergleich zu Behälterorten 474 können sämtliche magnetischen Rührstäbe dazu veranlasst werden, sich in derselben Richtung 476 zu drehen, was einen Stillstand minimiert. Auf ähnliche Weise zeigt 14 einen Array 480, bei dem die Anzahl an Elektromagneten 482 zu Behälterorten 484 gleich 4 : 1 ist. Jeder magnetische Rührstab dreht sich in derselben Richtung 486.
15 zeigt zusätzliche Elemente eines elektromagnetischen Rührsystems 500. Zur Verdeutlichung zeigt 15 einen quadratischen Elektromagnet-Array 502, der aus vier Elektromagneten 504 besteht, obwohl größere Arrays verwendet werden können, beispielsweise jene, die in den 12–14 gezeigt sind. Jeder der Elektromagneten 504 weist eine Leitung 506 auf, die um einen festen Kern 508 mit hoher Permeabilität herumgewickelt ist. Die Paare von Elektromagneten 504, die auf den beiden Diagonalen des quadratischen Arrays 502 angeordnet sind, sind in Reihe geschaltet, um eine erste Schaltung 510 und eine zweite Schaltung 512 auszubilden. Die erste und zweite Schaltung 510 bzw. 512 sind an eine Treiberschaltung 514 angeschlossen, die von einem Prozessor 516 gesteuert wird. Elektrischer Strom, gleichgültig ob gepulst oder sinusförmig, kann unabhängig in den beiden Schaltungen 510, 512 durch die Treiberschaltung 514 und den Prozessor 516 variiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass in jeder Schaltung 510, 512 der Strom in entgegengesetzten Richtungen in der Leitung 506 um den Kern 508 herum fließt. Auf diese Weise weist jeder der Elektromagneten 504 innerhalb einer betreffenden Schaltung 510, 512 entgegengesetzte magnetische Polarität auf. Die Achsen 518 der Elektromagneten 504 verlaufen etwa parallel zur Zentrumslinie 520 des Reaktorbehälters 522. Ein magnetischer Rührstab 524 sitzt auf dem Boden des Behälters 522 vor dem Betrieb auf. Obwohl die Elektromagneten 504 auch so ausgerichtet werden können, dass ihre Achsen 518 senkrecht zur Behälterzentrumslinie 520 verlaufen, sorgt die parallele Ausrichtung zu einer höheren Packungsdichte.
16 zeigt die Magnetfeldrichtung eines 2 × 2-Elektromagnet-Arrays zu vier unterschiedlichen Zeiten während einer vollständigen Drehung des magnetischen Rührstabes 524 von 15, der sich mit konstanter Frequenz von ω (rad·s^–1) dreht. In 16 gibt ein Kreis mit einem Pluszeichen 532 an, dass der Elektromagnet ein Magnetfeld in einer ersten Richtung erzeugt; gibt ein Kreis mit einem Minuszeichen 534 an, dass der Elektromagnet ein Magnetfeld in einer Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung erzeugt; und gibt ein Kreis ohne Zeichen 536 an, dass der Elektromagnet kein Magnetfeld erzeugt. Zum Zeitpunkt t = 0 erzeugen die Elektromagneten 530 ein Gesamtmagnetfeld mit einer durch einen ersten Pfeil 538 dargestellten Richtung am Behälterort. Zum Zeitpunkt t = π/2ω erzeugen die Elektromagneten 540 ein Gesamtmagnetfeld mit einer durch einen zweiten Pfeil 542 dargestellten Richtung. Da der magnetische Rührstab 524 (15) versucht, sich zur Richtung des Gesamtmagnetfelds auszurichten, dreht er sich im Uhrzeigersinn um 90 Grad von der ersten Richtung 538 zur zweiten Richtung 542. Zum Zeitpunkt t = π/ω erzeugen die Elektromagneten 544 ein Gesamtmagnetfeld mit einer durch einen dritten Pfeil 546 angegebenen Richtung. Erneut richtet sich der magnetische Rührstab 524 zur Richtung des Gesamtmagnetfeldes aus, und dreht sich im Uhrzeigersinn um zusätzliche 90 Grad weiter. Zum Zeitpunkt t = 3π/2ω erzeugen die Elektromagneten 548 ein Gesamtmagnetfeld mit einer durch einen vierten Pfeil 550 dargestellten Richtung, welches den magnetischen Rührstab 524 im Uhrzeigersinn um weitere 90 Grad dreht. Schließlich erzeugen zum Zeitpunkt t = 2π/ω die Elektromagneten 530 ein Gesamtmagnetfeld mit einer durch den ersten Pfeil 538 angegebenen Richtung, wodurch der magnetische Rührstab 524 zurück zu seiner Position zum Zeitpunkt t = 0 gedreht wird.
17 erläutert die Magnetfeldrichtung eines 4 × 4-Elektromagnet-Arrays zu fünf unterschiedlichen Zeiten während einer vollständigen Drehung eines 3 × 3-Arrays aus magnetischen Rührstäben. Wie in 15 bezeichnet ein Kreis mit einem Pluszeichen 570, einem Minuszeichen 572, oder ohne Vorzeichen 574 die Magnetfeldrichtung eines einzelnen Elektromagneten, während ein Pfeil 576 die Richtung des Gesamtmagnetfeldes an einem Behälterort angibt. Wie dargestellt werden sechzehn Elektromagneten dazu benötigt, neun magnetische Rührstäbe zu drehen. Wie in 18 gezeigt, ist infolge der gemeinsamen Nutzung von Elektromagneten durch mehrere magnetische Rührstäbe die Drehrichtung der Magnetfelder nicht gleichförmig. Daher drehen sich fünf der Felder in Uhrzeigerrichtung 590, wogegen sich die übrigen vier Felder in Gegenuhrzeigerrichtung 592 drehen.
19 und 20 erläutern Verdrahtungsanordnungen für Elektromagnet-Arrays, bei welchen jeder Behälterort zwischen vier Elektromagneten angeordnet ist, die vier Ecken eines vierseitigen Unter-Arrays festlegen. Für jeden Behälterort führen beide Verdrahtungsanordnungen zu einer elektrischen Verbindung zwischen Elektromagneten, die auf den Diagonalen eines vorgegebenen Unter-Arrays angeordnet sind. Bei der in 19 gezeigten Verdrahtungsanordnung 610 sind Elektromagneten 612 in abwechselnden Diagonalreihen miteinander verdrahtet, um zwei Gruppen von Elektromagneten 612 zu bilden. Gestrichelte und durchgezogene Linien zeigen elektrische Verbindungen zwischen Elektromagneten 612 in einer ersten Gruppe 614 bzw. in einer zweiten Gruppe 616. Pluszeichen 618 und Minuszeichen 620 geben die Polarität (Magnetfeldrichtung) einzelner Elektromagneten 612 zu jedem Zeitpunkt t an, wenn der Strom in der ersten Gruppe 612 und der Strom in der zweiten Gruppe 616 der Elektromagneten 612 in Phase sind. 20 zeigt eine alternative Verdrahtungsanordnung 630 von Elektromagneten 632, bei welcher erneut gestrichelte und durchgezogene Linien elektrische Verbindungen zwischen der ersten Gruppe 634 bzw. der zweiten Gruppe 636 von Elektromagneten 632 darstellen, und Pluszeichen 638 und Minuszeichen 640 die magnetische Polarität anzeigen.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei beiden Verdrahtungsanordnungen 610, 630 die Polaritäten der Elektromagneten 612, 632 der ersten Gruppen 614, 634 nicht gleich sind, obwohl die Amplituden des Stroms, der durch die Verbindungen zwischen den Elektromagneten 612, 632 der ersten Gruppen 614, 634 hindurchgeht, äquivalent sind. Das gleiche gilt für die zweiten Gruppen 616, 636 der Elektromagneten 612, 632. Man kann entgegengesetzte Polaritäten innerhalb der ersten Gruppen 614, 634 oder innerhalb der zweiten Gruppen 616, 636 der Elektromagneten 612, 632 dadurch erzielen, dass die Richtung des elektrischen Stroms um den Kern des Elektromagneten 612, 632 umgekehrt wird. Vergleiche beispielsweise 15. Bei den beiden Verdrahtungsanordnungen 610, 630 der 19 und 20 legt jeder vierseitige Array aus vier benachbarten Elektromagneten 612, 632 einen Ort zum Drehen eines magnetischen Rührstabes fest, und gehören die diagonalen Mitglieder jedes der vier benachbarten Elektromagneten 612, 632 zu den ersten Gruppen 614, 634 und den zweiten Gruppen 616, 636 der Elektromagneten 612, 632. Weiterhin weist bei jeder Gruppe aus vier benachbarten Elektromagneten 612, 632 jedes Paar von Elektromagneten 612, 632, das zur selben Gruppe gehört, entgegengesetzte Polaritäten auf. Die beiden Verdrahtungsanordnungen 610, 630 der 19 und 20 können bei jedem der Arrays 460, 470, 480 eingesetzt werden, die in den 12–14 gezeigt sind.
Die komplizierten Verdrahtungsanordnungen 610, 630 der 19 und 20 können auf einer Leiterplatte angeordnet sein, die sowohl als mechanische Halterung als auch als Ausrichtungsbefestigung für die Elektromagneten 612, 632 dient. Die Verwendung einer Leiterplatte ermöglicht eine schnelle gegenseitige Verbindung der Elektromagneten 612, 632, wodurch der Zeitaufwand und die Kosten für den Zusammenbau wesentlich verringert werden, und Verdrahtungsfehler ausgeschaltet werden, die beim Löten von Hand von Hunderten einzelner Verbindungen auftreten. Schalter können dazu eingesetzt werden, für einzelne Reihen von Behältern das Rühren ein- und auszuschalten. Eine getrennte Treiberschaltung kann für jede Reihe der Behälter verwendet werden, so dass die Rührgeschwindigkeit als Variable während eines Versuchs eingesetzt werden kann.
21 ist eine Auftragung 650 des Stroms in Abhängigkeit von der Zeit, und zeigt die Phasenbeziehung zwischen sinusförmigen Quellenströmen I_A(t) 652 und I_B(t) 654, welche die erste Gruppe 614, 634 bzw. die zweite Gruppe 616, 636 der in den 19 und 20 gezeigten Elektromagneten 612, 632 antreiben. Die beiden Quellenströme 652, 654 weisen einen äquivalenten Amplitudenspitzenwert und eine äquivalente Frequenz ω_D auf, obwohl I_A(t) 652 gegenüber I_B(t) 654 um π/2 rad nachläuft. Infolge dieser Phasenbeziehung drehen sich magnetische Rührstäbe, die an Drehorten angeordnet sind, die durch jeweils vier benachbarte Elektromagneten 612, 632 in 19 und 20 festgelegt sind, jeweils mit einer Winkelfrequenz von wo, obwohl sich benachbarte Rührstäbe in entgegengesetzten Richtungen drehen, wenn der in 12 gezeigte Elektromagnet-Array 460 verwendet wird. Werden jedoch die in den 13 und 14 gezeigten Arrays 470, 480 verwendet, drehen sich benachbarte Rührstäbe in derselben Richtung. Bei einer alternativen Ausführungsform kann eine digitale Approximation an eine Sinuswelle verwendet werden.
22 ist ein Blockschaltbild einer Stromversorgung 670 für einen Elektromagnet-Array 672. Einzelne Elektromagneten 674 sind zu einer ersten und einer zweiten Gruppe zusammengeschaltet, wie beispielsweise in 19 oder 20 gezeigt. Die erste und zweite Gruppe der Elektromagneten 674 sind an eine Stromversorgungsquelle 676 angeschlossen, welche die beiden Gruppen mit sinusförmigen Treiberströmen versorgt, die um π/2 rad phasenverschoben sind. Normalerweise sind die Amplituden der beiden Treiberströme gleich, und nicht frequenzabhängig. Ein Prozessor 678 steuert sowohl die Amplitude als auch die Frequenz der Treiberströme.
Viskosität und verwandte Messungen
Die vorliegende Erfindung kann eine in-situ-Messung der Viskosität und verwandter Eigenschaften zur Verfügung stellen. Wie nachstehend erläutert, können derartige Daten beispielsweise zur Überwachung der Umwandlung von Reaktanden verwendet werden, und zum Erstellen einer Rangordnung oder zum Charakterisieren von Materialien auf Grundlage des Molekulargewichts oder der Teilchengröße.
Die Viskosität einer Polymerlösung hängt von dem Molekulargewicht des Polymers und seiner Konzentration in Lösung ab. Für Polymerkonzentrationen deutlich unterhalb der "halbverdünnten Grenze", also jener Konzentration, bei welcher sich die solvatisierten Polymere zu überlappen beginnen, steht die Viskosität η der Lösung in Beziehung zur Polymerkonzentration C, im Grenzfall der Annäherung von C an Null, in folgender Beziehung η = (1 + C[η])ηS VIwobei η_S die Viskosität des Lösungsmittels ist. Im wesentlichen erhöht die Hinzufügung von Polymer zu einem Lösungsmittel die Viskosität des Lösungsmittels in einem Ausmass proportional zur Polymerkonzentration. Die Proportionalitätskonstante [η] ist als Grenzviskosität bekannt, und steht in folgender Beziehung zum Molekulargewicht M des Polymers [η] = [ηO]Mα VIIwobei [η_O] und α empirische Konstanten sind. Die Gleichung VII ist als die Beziehung von Mark-Houwink-Sakurda (MHS) bekannt, und kann zusammen mit Gleichung VI zur Bestimmung des Molekulargewichts aus Viskositätsmessungen verwendet werden.
Die Gleichung VI benötigt Konzentrationsdaten von einer anderen Quelle; Bei Polymerisationsreaktionen steht die Polymerkonzentration in direkter Beziehung zur Monomerumwandlung. Bei der vorliegenden Erfindung können derartige Daten da durch erhalten werden, dass die während der Reaktion freigesetzte Wärme gemessen wird (siehe Gleichung III und IV) oder, wie voranstehend erläutert, dass die Menge eines gasförmigen Reaktanden gemessen wird, die während der Reaktion verbraucht wird. Die Konstanten in der MHS Beziehung hängen von der Temperatur, der Polymerzusammensetzung, der Polymerkonformation, und der Qualität der Wechselwirkung zwischen Polymer und Lösungsmittel ab. Die empirischen Konstanten [η_O], und α, wurden für verschiedene Polymer-Lösungsmittelpaare gemessen und sind in der Literatur tabellisiert.
Obwohl die Gleichungen VI und VII dazu verwendet werden können, das Molekulargewicht zu approximieren, können in-situ-Messungen der Viskosität bei der vorliegenden Erfindung hauptsächlich dazu verwendet werden, die Reaktionsprodukte in Abhängigkeit vom Molekulargewicht in eine Rangfolge zu bringen. In den meisten Fällen vernachlässigt die Menge an Lösungsmitteln, die zur Erfüllung der Konzentrationsanforderung von Gleichung VI benötigt wird, die Reaktionsrate auf ein nicht mehr akzeptierbares Niveau. Daher werden die meisten Polymerisationsreaktionen bei Polymerkonzentrationen oberhalb der halbverdünnten grenze durchgeführt, wo die Verwendung der Gleichungen VI und VII zur Berechnung des Molekulargewichts zu einem großen Fehler führen würde. Dennoch kann die Viskosität dazu verwendet werden, Reaktionsprodukte in eine Reihenfolge zu bringen, selbst bei Konzentrationen oberhalb der Halbverdünnungsgrenze, da sich ein Anstieg der Viskosität während der Reaktion im allgemeinen infolge einer Erhöhung der Polymerkonzentration, des Molekulargewichts, oder beider ergibt. Falls erforderlich, kann man exakt das Molekulargewicht aus Viskositätsmessungen bei relativ hoher Polymerkonzentration bestimmen, wenn man zuerst temperaturabhängige Kalibrierkurven vorbereitet, welche die Viskosität in eine Beziehung zum Molekulargewicht bringen. Jedoch müssten die Kurven für jedes erzeugte Polymer-Lösungsmittelpaar erhalten werden, was gegen ihren Einsatz zur Überprüfung neuer Polymermaterialien spricht.
Zusätzlich dazu, Reaktionen in eine Reihenfolge zu bringen, können Viskositätsmessungen auch dazu verwendet werden, verdünnte Lösungen unlösbarer Teilchen zu überprüfen oder zu kennzeichnen, beispielsweise Polymeremulsionen oder poröse Träger für heterogene Katalysatoren, bei denen die Viskosität mit der Teilchengröße bei fester Konzentration zunimmt. Im Falle von Polymeremulsionen kann die Viskosität als Maß für die Qualität der Emulsion dienen. So kann beispielsweise eine Viskosität der Lösung, die über lange Zeiträume konstant ist, eine bessere Emulsionsstabilität anzeigen, oder es kann die Viskosität innerhalb eines bestimmten Bereiches mit einer gewünschten Emulsionsteilchengröße korreliert sein. Bei porösen Trägern können Viskositätsmessungen dazu eingesetzt werden, aktive Katalysatoren zu identifizieren, da in vielen Fällen der Katalysatorträger während der Reaktion anschwillt, infolge der Ausbildung unlöslicher Produkte innerhalb des porösen Trägers.
Viskosität oder verwandte Eigenschaften der Mischungen der Reaktanden werden durch Messung der Auswirkungen von Viskositätskräften auf die Drehung von Rührschaufeln überwacht. Viskosität ist ein Maß für das Widerstand eines Fluids gegenüber Scherkräften. Diese Scherkraft ist gleich dem eingesetzten Drehmoment, Γ, das zur Aufrechterhaltung einer konstanten Winkelgeschwindigkeit der Rührschaufel benötigt wird. Die Beziehung zwischen der Viskosität der Reaktionsmischung und dem aufgewandten Drehmoment lässt sich folgendermaßen ausdrücken Γ = Kω(ω, T)η VIIIwobei K_ω eine Proportionalitätskonstante ist, die von der Winkelfrequenz ω des Rührstabs abhängt, der Temperatur der Reaktionsmischung, und der Geometrie des Reaktionsbehälters und der Rührschaufel. K_ω kann durch Kalibrierung mit Lösungen bekannter Viskosität erhalten werden.
Während einer Polymerisierung nimmt die Viskosität der Reaktionsmischung im Verlauf der Zeit zu, infolge der Erhöhung des Molekulargewichts des Reaktionsprodukts oder der Polymerkonzentration, oder beider. Diese Viskositätsänderung kann dadurch überwacht werden, dass das aufgewandte Drehmoment gemessen wird, und Gleichung VIII zur Umwandlung der Messdaten in Viskosität verwendet wird. In vielen Fällen sind tatsächliche Werte für die Viskosität unnötig, und kann man den Umwandlungsschritt weglassen. So können beispielsweise in-situ-Messungen des aufgewandten Drehmoments dazu verwendet werden, Reaktionsprodukte auf Grundlage des Molekulargewicht oder der Umwandlung in eine Rangfolge zu bringen, so weit die Rührrate, die Temperatur, die Behältergeometrie und die Geometrie der Rührschaufel bei jeder Reaktionsmischung annähernd gleich sind.
23 zeigt eine Einrichtung 700 zur direkten Messung des aufgewandten Drehmoments. Die Einrichtung 700 weist eine Rührschaufel 702 auf, die mit einem Antriebsmotor 704 über eine starre Antriebsspindel 706 gekuppelt ist. Die Rührschaufel 702 ist in eine Reaktionsmischung 708 eingetaucht, die sich in einem Reaktionsbehälter 710 befindet. Eine obere Halterung 712 und eine untere Halterung 714 verhindern, dass sich der Antriebsmotor 704 und der Behälter 710 im Betrieb der Rührschaufel 702 drehen. Zur Vereinfachung kann die untere Halterung 714 ein Permanentmagnet sein. Ein Drehmoment- oder Dehnungsmessstreifen 716, der zwischen der oberen Halterung 712 und dem Antriebsmotor 704 angebracht ist, misst das mittlere Drehmoment, das vom Motor 704 auf die Rührschaufel 702 aufgebracht wird. In einer alternativen Ausführungsform ist der Dehnungsmessstreifen 716 in die Antriebsspindel 706 eingeführt, oder zwischen dem Behälter 710 und der unteren Halterung 714 angeordnet. Befindet er sich innerhalb der Antriebsspindel 706, ist ein System von Bürsten oder Kommutatoren (nicht gezeigt) vorgesehen, um die Kommunikation mit dem sich drehenden Dehnungsmessstreifen zu ermöglichen. Häufig stellt die Anordnung des Dehnungsmessstreifens 716 zwischen dem Behälter 710 und der unteren Halterung 714 die beste Option dar, da viele Rührsysteme, beispielsweise jenes, das in 10 gezeigt ist, einen einzigen Motor zum Antrieb mehrerer Rührschaufeln verwendet.
24 zeigt die Anordnung eines Dehnungsmessstreifens 730 in einem Abschnitt einer Basisplatte 732, die ähnlich der unteren Platte 400 des in 10 gezeigten Reaktormoduls 390 ausgebildet ist. Das untere Ende 734 des Dehnungsmessstreifens 730 ist starr an der Basisplatte 732 angebracht. Ein erster Permanentmagnet 736 ist am oberen Ende 738 des Dehnungsmessstreifens 730 angebracht, und ein zweiter Permanentmagnet 740 ist am Boden 742 eines Reaktorbehälters 744 angebracht. Wenn der Behälter 744 in die Basisplatte 732 eingeführt ist, verhindert die magnetische Kupplung zwischen dem ersten Magneten 736 und dem zweiten Magneten 740 eine Drehung des Behälters 744, und überträgt Drehmoment an den Dehnungsmessstreifen 730.
Neben der Verwendung eines Dehnungsmessstreifens kann man auch den Energieverbrauch des Antriebsmotors überwachen, der in Beziehung zum aufgebrachten Drehmoment steht. Wie wiederum in 23 gezeigt, erfordert das Verfahren die Überwachung und Steuerung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Rührschaufel 702, was dadurch erzielt werden kann, dass ein Sensor 718 neben der Antriebsspindel 706 angebracht wird. Geeignete Sensoren 718 umfassen optische Detektoren, die den Durchgang eines Punktes auf der Antriebsspindel 706 durch eine Reflexionsmessung feststellen, oder die Unterbrechung eines Lichtstrahls durch ein Hindernis feststellen, das auf der Antriebsspindel 706 angebracht ist, oder die den Durchgang eines Lichtstrahls durch einen Schlitz in der Antriebsspindel 706 feststellen, oder durch ein sich zusammen mit der Spindel drehendes Hindernis. Andere geeignete Sensoren 718 umfassen Magnetfelddetektoren, welche die Drehung eines Permanentmagneten feststellen, der an der Spindel 706 befestigt ist. Einzelheiten des Betriebs von Magnetfeldsensoren werden nachstehend bei der Erläuterung der Feststellung einer Phasenverzögerung beschrieben. Sensoren wie beispielsweise Kodierer, Drehmelder, Halleffektsensoren und dergleichen sind üblicherweise mit dem Motor 704 integriert ausgebildet. Ein externer Prozessor 720 stellt die dem Antriebsmotor 704 zugeführte Energie ein, um eine konstante Umdrehungsgeschwindigkeit der Spindel 706 aufrechtzuerhalten. Durch Kalibrieren der benötigten Energie in Abhängigkeit von einer Gruppe von Flüssigkeiten mit bekannter Viskosität kann die Viskosität einer unbekannten Reaktionsmischung bestimmt werden.
Zusätzlich zur direkten Messung kann das Drehmoment indirekt bestimmt werden, durch Messung des Phasenwinkels oder der Phasenverzögerung zwischen der Rührschaufel und der Antriebskraft oder dem Antriebsdrehmoment. Die indirekte Messung erfordert, dass die Kupplung zwischen dem Antriebsdrehmoment und der Rührschaufel "weich" ist, so dass eine signifikante und messbare Phasenverzögerung auftritt.
Beim magnetischen Rühren ist die "weiche" Kupplung automatisch gegeben. Das auf den Rührstab einwirkende Drehmoment steht in Beziehung zum magnetischen Moment μ des Rührstabs und zur Amplitude H des Magnetfelds, das die Drehung des Rührstabs bewirkt gemäß folgendem Ausdruck Γ = μHsinθ IXwobei θ der Winkel zwischen der Achse des Rührstabs (magnetisches Moment) und der Richtung des Magnetfeldes ist. Bei einer bestimmten Winkelfrequenz, und für bekannte Werte von μ und H, stellt sich der Phasenwinkel θ automatisch auf den Wert ein, der dazu erforderlich ist, dass bei dieser Frequenz benötigte Drehmoment bereitzustellen. Wenn das Drehmoment, das zum Rühren bei der Frequenz ω benötigt wird, proportional zur Viskosität der Lösung und zur Rührfrequenz ist (dies ist eine für die Diskussion nützliche Approximation), dann kann die Viskosität aus Messungen des Phasenwinkels unter Verwendung folgender Gleichung berechnet werden Γ = μHsinθ = αηω Xwobei α eine Proportionalitätskonstante ist, die von der Temperatur sowie der Geometrie des Behälters und der Rührschaufel abhängt. In der Praxis kann man Gleichung VIII oder einen ähnlichen, empirischen Ausdruck für die rechte Seite von Gleichung X einsetzen, wenn das Drehmoment nicht linear vom Produkt aus Viskosität und Frequenz abhängt.
25 zeigt ein induktives Messspulensystem 760 zur Messung des Phasenwinkels oder der Phasenverzögerung θ. Das System 760 weist vier Elektromagneten 762 auf, welche den magnetischen Rührstab 764 antreiben, und einen phasenempfindlichen Detektor, beispielsweise einen üblichen Lock-in-Verstärker (nicht gezeigt). Eine Anordnung mit einer Gradientenspule 766 wird dazu verwendet, die Bewertung des Rührstabs 764 zu erfassen, obwohl viele andere, wohlbekannte induktive Messspulenanordnungen verwendet werden können. Die Gradientenspule 766 besteht aus einer ersten Messspule 768 und einer zweiten Messspule 770, die in Reihe geschaltet sind, und in entgegengesetzten Richtungen um einen ersten Elektromagneten 772 gewickelt sind. Infolge ihrer entgegengesetzten Polungen führt jede Differenz der in den beiden Messspulen 768, 770 induzierten Spannungen als Spannungsdifferenz über den Klemmen 774 auf, die von dem Lock-in-Verstärker festgestellt wird. Ist kein Rührstab 764 vorhanden, dann induziert das alternierende Magnetfeld des ersten Elektromagneten 772 annähernd gleiche Spannungen in jeder der beiden Spulen 768, 770, wenn man annimmt, dass sie symmetrisch in Bezug auf den ersten Elektromagneten 772 angebracht sind, und ist die Nettospannung über den Klemmen 774 annähernd gleich Null. Wenn ein magnetischer Rührstab 764 vorhanden ist, induziert die Bewertung des sich drehenden Magneten 764 eine Spannung in jeder der beiden Messspulen 768, 770. Jedoch ist die in der ersten Spule 768, die näher an dem Rührstab 764 liegt, induzierte Spannung erheblich größer als die in der zweiten Spule 770 induzierte Spannung, so dass die Spannung über den Klemmen 774 un gleich Null ist. Auf diese Weise wird ein periodisches Signal in den Messspulen 768, 770 induziert, das von dem Lock-in-Verstärker gemessen wird.
26 und 27 zeigen typische Ausgangssignale 790, 810 von dem induktiven Messspulensystem 760 von 25, welche die Phasenverzögerung erläutern, die beim magnetischen Rühren bei Lösungen mit niedriger bzw. hoher Viskosität auftritt. Periodische Signale 792, 812 von den Messspulen 768, 770 sind zusammen mit sinusförmigen Bezugssignalen 794, 814 aufgetragen, die zum Antrieb der Elektromagneten verwendet werden. Die Zeitverzögerung Δt 796, 816 zwischen den periodischen Signalen 792, 812 und den Bezugssignalen 794, 814 steht in folgender Beziehung mit dem Phasenwinkel: θ = ω·Δt. Aus dem Vergleich der beiden Ausgangssignale 790, 810 geht hervor, dass der bei der Lösung mit hoher Viskosität auftretende Phasenwinkel größer ist als der Phasenwinkel, der bei der Lösung mit niedriger Viskosität auftritt.
27 erläutert, wie sich die Amplitude und der Phasenwinkel während einer Reaktion ändern, wenn die Viskosität von einem niedrigen Wert bis zu einem Wert ansteigt, der dazu ausreicht, den Rührstab anzuhalten. Eine Wellenform oder ein Signal 820 von den Messspulen wird einem Lock-in-Verstärker 822 zugeführt, unter Verwendung des sinusförmigen Stroms der Treiberschaltung als Phasen- und Frequenzbezugssignal 824. Der Lock-in-Verstärker 822 gibt die Amplitude 826 des Messspulensignals 820 aus, und den Phasenwinkel 828 oder die Phasenverzögerung in Bezug auf das Bezugssignal 824. Der maximale Phasenwinkel beträgt π/2 rad, da wie aus Gleichung X hervorgeht, das Drehmoment bei weiterer Zunahme von θ abnimmt, was zu einem Schlupf des Rührstabes 764 von 25 führt. Wenn die Viskosität während der Reaktion zunimmt, wird daher auch der Phasenwinkel 828 oder die Phasenverzögerung größer, bis der Rührstab anhält, und die Amplitude 826 abrupt auf Null absinkt. Dies ist graphisch in 27 dargestellt, welche Plots von A 830 und θ 832 zeigt, nämlich der Amplitude des Bezugssignals bzw. des Phasenwinkels, gemittelt über viele Drehungen des Rührstabes. Man kann die Empfindlichkeit der Messung des Phasenwinkels 828 durch richtige Auswahl der Amplitude und Frequenz des Magnetfeldes optimieren.
Um Störungen von benachbarten Rührstäben zu minimieren, wobei im Idealfall jede Gruppe von Gradientenspulen nur die Bewertung eines einzelnen Rührstabes erfassen sollte, sollte jeder Behälter mit Elektromagneten versehen, die er sich nicht mit benachbarten Behältern teilt. So sollte beispielsweise ein 4 : 1-Magnetarray wie in 14 gezeigt verwendet werden, anstatt des 2 : 1- oder des 1 : 1-Magnetarrays, der in 13 bzw. 12 gezeigt ist. Um Ablesungen von sämtlichen Behältern in einem Array zu erhalten, kann ein Multiplexer dazu eingesetzt werden, aufeinanderfolgend Signale von jedem Behälter dem Lock-in-Verstärker zuzuführen. Normalerweise kann eine exakte Messung des Phasenwinkels nach einigen zehn Umdrehungen der Rührstäbe erhalten werden. Für Drehfrequenzen von 10–20 Hz beträgt diese Zeit etwa einige wenige Sekunden pro Behälter. Daher können Phasenwinkelmessungen für einen gesamten Array aus Behältern typischerweise einmal alle Paar Minuten durchgeführt werden, abhängig von der Anzahl an Behältern, der Rührstabfrequenz, und der gewünschten Genauigkeit. Um den Messvorgang zu beschleunigen kann man Mehrkanalsignalerfassung einsetzen, um den Phasenwinkel von Rührstäben bei mehr als einem Behälter zur Zeit zu messen. Alternative Messverfahren umfassen eine direkte Digitalisierung der Spulenausgangssignalformen unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeits-Multiplexers und/oder eines Analog-Digital-Wandlers, woran sich eine Untersuchung gespeicherter Signalformen anschließt, um die Amplitude und den Phasenwinkel festzustellen.
Phasenwinkelmessungen können auch mit nicht magnetischen, mechanischen Rührantrieben durchgeführt werden, unter Verwendung des induktiven Spulensystems 760 von 25. So kann man beispielsweise eine ausreichende Phasenverzögerung zwischen der Rührschaufel und dem Antriebsmotor dadurch erzielen, dass sie über einen in Bezug auf Torsion weichen, flexiblen Verbinder verbunden werden. Alternativ kann der Antriebsmechanismus einen Antrieb mit einem federelastischen Riemen anstelle eines starren Zahnradantriebs verwenden, um eine messbare Phasenverzögerung zu erzeugen. Die Rührschaufel muss einen Permanentmagneten aufweisen, der so orientiert ist, dass sein magnetisches Moment nicht parallel zur Drehachse liegt. Für maximale Empfindlichkeit sollte das magnetische Moment der Rührschaufel in der Drehebene liegen. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Vorteil der Verwendung eines unmagnetischen Rührantriebs darin besteht, dass es keine Obergrenze für den Phasenwinkel gibt.
Zusätzlich zur direkten oder indirekten Messung des Drehmoments kann man die Viskosität dadurch erfassen, dass die Antriebsfrequenz ω_D erhöht wird, oder die Magnetfeldstärke verringert wird, bis in jedem dieser Fälle der Rührstab infolge eines zu geringen Drehmoments anhält. Der Punkt, an welchem der Rührstab aufhört, sich zu drehen, kann unter Verwendung derselben Anordnung festgestellt werden, wie sie in 25 zur Messung des Phasenwinkels dargestellt ist. Während einer rampenartigen Erhöhung (Verringerung) der Antriebsfrequenz (Feldstärke) sinkt die Größe des Ausgangssignals des Lock-in-Verstärkers abrupt in starkem Ausmaß ab, wenn der Rührstab anhält. Die Frequenz oder Feldstärke, bei welcher der Rührstab anhält, kann mit der Viskosität korreliert werden: je niedriger die Frequenz ist, oder je hoher die Feldstärke ist, bei welcher das Anhalten auftritt, desto größer ist die Viskosität der Reaktionsmischung.
Mit geeigneter Kalibrierung kann das Verfahren absolute Viskositätsdaten ergeben, jedoch wird im allgemeinen das Verfahren dazu verwendet, Reaktionen in eine Rangfolge zu bringen. Wenn beispielsweise mehrere Reaktionsmischungen überprüft werden, kann man bei sämtlichen Behältern eine Gruppe stufenweiser Änderungen entweder der Frequenz oder der Feldstärke durchführen, wobei erfasst wird, welche Rührstäbe nach jeder der stufenweisen Änderungen anhalten. Die Reihenfolge, in welcher die Rührstäbe anhalten, gibt die relative Viskosität der Reaktionsmischungen an, da Rührstäbe, die in Mischungen mit höherer Viskosität eingetaucht sind, früh anhalten werden. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzlich zur Bereitstellung von Daten bezüglich des Drehmoments und der Frequenz beim Anhalten das induktive Messspulensystem 760 von 25 und ähnliche Einrichtungen als Diagnosewerkzeuge verwendet werden können, um anzuzeigen, ob ein magnetischer Rührstab während einer Reaktion mit der Drehung aufgehört hat.
Mechanische Oszillatoren
Piezoelektrische Quarzresonatoren oder mechanische Oszillatoren können dazu verwendet werden, die Viskosität von Reaktionsmischungen zu bewerten, sowie andere Materialeigenschaften, einschließlich des Molekulargewichts, des spezifischen Gewichts, der Elastizität, der Dielektrizitätskonstante, und der Leitfähigkeit. Bei einer typischen Anwendung wird der mechanische Oszillator, der eine so geringe Länge wie einige wenige Millimeter aufweisen kann, in die Reaktionsmischung eingetaucht. Die Reaktion des Oszillators auf ein Anregungssignal wird für einen Bereich von Eingangssignalfrequenzen erhalten, und hängt von der Zusammensetzung und den Eigenschaften der Reaktionsmischung ab. Durch Kalibrieren des Resonators mit einer Gruppe gut charakterisierter Flüssigkeitsstandards können die Eigenschaften der Reaktionsmischung aus der Reaktion des mechanischen Oszillators bestimmt werden. Weitere Einzelheiten in Bezug auf die Verwendung piezoelektrischer Quarzoszillatoren zur Messung von Materialeigenschaften sind im US-Patent Nr. 6,393,895 „Method and Apparatus for Characterizing Materials by using a Mechanical Resonator" beschrieben.
Obwohl es momentan viele verschiedene Arten mechanischer Oszillatoren gibt, sind einige weniger nützlich zur Messung der Eigenschaften von Flüssigkeitslösungen. So können beispielsweise Ultraschallwandler oder Oszillatoren nicht in allen Flüssigkeiten verwendet werden, infolge von Beugungseffekten und stabiler Schallwellen (Druckwellen), die in dem Reaktorbehälter erzeugt werden. Diese Effekte treten normalerweise auf, wenn die Abmessungen des Oszillators und des Behälters nicht viel größer sind als die charakteristische Wellenlänge der Schallwellen. Für Reaktorbehälterdurchmesser in der Größenordnung von wenigen Zentimetern sollte die Frequenz des mechanischen Oszillators daher oberhalb von 1 MHz liegen. Unglücklicherweise verhalten sich komplexe Flüssigkeiten und Mischungen, einschließlich Polymerlösungen, häufig wie elastische Gele bei diesen hohen Frequenzen, was zu einer nicht exakten Resonatorreaktion führt.
Häufig können Schermodenwandler sowie verschiedene Oberflächenwellenwandler dazu eingesetzt werden, einige der Probleme zu vermeiden, die bei typischen Ultraschallwandlern auftreten. Infolge der Art und Weise, wie sie schwingen, erzeugen Schermodenwandler viskose Scherwellen anstatt von Schallwellen. Da viskose Scherwellen exponentiell mit der Entfernung von der Sensoroberfläche abnehmen, sind derartige Sensoren unempfindlich auf die Geometrie des Messvolumens, wodurch die meisten Beugungs- und Reflexionsprobleme ausgeschaltet werden. Unglücklicherweise ist die Betriebsfrequenz dieser Sensoren ebenfalls hoch, was wie voranstehend geschildert ihren Einsatz auf einfache Fluide beschränkt. Weiterhin ist bei hohen Vibrationsfrequenzen der Hauptanteil der Wechselwirkung zwischen dem Sensor und dem Fluid auf eine dünne Flüssigkeitsschicht nahe der Sensoroberfläche beschränkt. Jede Abänderung der Sensoroberfläche durch Adsorbieren von Bestandteilen der Lösung führt häufig zu dramatischen Änderungen der Resonatorreaktion.
Stimmgabeln 840 und bimorphe/unimorphe Resonatoren 850, die in 28 bzw. 29 gezeigt sind, überwinden zahlreiche der Nachteile, die bei Ultraschall wandlern auftreten. Infolge ihrer kleinen Abmessungen haben Stimmgabeln 840 und bimorphe/unimorphe Resonatoren 850 Schwierigkeiten beim Anregen von Schallwellen, die typischerweise Wellenlängen aufweisen, die ein Vielfaches ihrer Größe sind. Weiterhin, obwohl man auf Grundlage der in 28 gezeigten Schwingungsmode zu einem anderen Schluss kommen könnte, erzeugen Stimmgabeln 840 praktisch keine Schallwellen, wenn sie angeregt werden, arbeitet jede der Zinken 832 der Stimmgabeln 840 als getrennter Schallwellengenerator, aber da die Zinken 832 mit entgegengesetzter Richtung und entgegengesetzter Phase schwingen, löschen sich die von jeder der Zinken 833 erzeugten Wellen gegenseitig aus. Wie die voranstehend geschilderten Schermodenwandler erzeugen die bimorphen/unimorphen Resonatoren 850 hauptsächlich Viskositätswellen, und sind daher eher unempfindlich auf die Geometrie des Messvolumens. Anders als die Schermodenwandler arbeiten jedoch bimorphe/unimorphe Resonatoren 850 bei erheblich niedrigeren Frequenzen, und können daher dazu verwendet werden, Eigenschaften von Polymerlösungen zu messen.
30 zeigt schematisch ein System 870 zur Messung der Eigenschaften von Reaktionsmischungen unter Verwendung mechanischer Oszillatoren 872. Ein wichtiger Vorteil des Systems 870 besteht darin, dass es zur Überwachung des Fortschritts einer Reaktion eingesetzt werden kann. Die Oszillatoren 872 sind auf den Innenwänden 874 der Reaktionsbehälter 876 angebracht. Alternativ können die Oszillatoren 872 entlang dem Boden 878 der Behälter 876 angebracht sein, oder können frei aufrecht innerhalb der Reaktionsmischungen 880 stehen. Jeder Oszillator 872 kommuniziert mit einem Netzwerkanalysator 882 (beispielsweise einem Analysator HP8751A), der ein Anregungssignal mit variabler Frequenz erzeugt. Jeder der Oszillatoren 872 dient auch als Empfänger, der sein Reaktionssignal zurück an den Netzwerkanalysator 882 zur Verarbeitung schickt. Der Netzwerkanalysator 882 zeichnet die Reaktionen der Oszillatoren 872 als Funktion der Frequenz auf, und schickt die Daten an einen Speicher 884. Die Ausgangssignale der Oszillatoren 872 gehen durch einen Pufferverstärker 886 mit hoher Impedanz vor der Messung durch den Breitbandempfänger 888 des Netzwerkanalysators 882 hindurch.
Es können andere Resonatorkonstruktionen verwendet werden. Um beispielsweise die Unterdrückung von Schallwellen zu verbessern, kann ein Stimmgabelresonator mit vier Zinken verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, Resonatoroszillationen unter Verwendung von Spannungsspitzen zu erzeugen, statt Verwendung einer Wechselspannungsquelle mit Frequenzdurchlauf. Bei Spannungsspitzenanregung wird der Abfall freier Oszillationen des Resonators anstelle der Frequenzantwort aufgezeichnet. Verschiedene Signalverarbeitungstechniken, die Fachleuten auf diesem Gebiet wohl bekannt sind, können zur Unterscheidung von Resonatorreaktionen verwendet werden.
Verschiedene Alternativen können unter Bezugnahme auf das in 2 gezeigte Parallelreaktorsystem 130 beschrieben werden. Ein einzelner Resonator (nicht gezeigt) ist an dem 3-Achsen-Verschiebesystem 150 angebracht. Das Verschiebesystem 150, nach Anweisung durch den Prozessor 160, ordnet den Resonator innerhalb eines interessierenden Reaktorbehälters an. Es erfolgt eine Ablesung der Resonatorreaktion, und diese wird mit Kalibrierkurven verglichen, welche die Reaktion in Beziehung zur Viskosität, zum Molekulargewicht, zum spezifischen Gewicht, oder anderen Eigenschaften setzen. Bei einer anderen Alternative wird ein Teil der Reaktionsmischung von einem Reaktorbehälter abgezogen, beispielsweise unter Einsatz des Flüssigkeitshandhabungssystems 146, und wird in einen getrennten Behälter verbracht, der einen Resonator enthält. Die Reaktion des Resonators wird gemessen und mit Kalibrierdaten verglichen. Obwohl das in 30 gezeigte System 870 besser dazu geeignet ist, Lösungseigenschaften in-situ zu überwachen, können die beiden Alternativen als Werkzeuge für die nachträgliche Charakterisierung verwendet werden, und sind erheblich einfacher zu verwirklichen.
Zusätzlich zu mechanischen Oszillatoren können andere Arten von Sensoren zur Bestimmung von Materialeigenschaften verwendet werden. So können beispielsweise parallel geschaltete Elektroden zur Messung dielektrischer Eigenschaften der Reaktionsmischungen verwendet werden.
Drucksteuersystem
Eine andere Vorgehensweise zur Beurteilung der Reaktionskinetik besteht darin, Druckänderungen infolge der Erzeugung oder des Verbrauchs verschiedener Gase während der Reaktion zu überwachen. Ein Beispiel dieser Vorgehensweise ist in 31 gezeigt. Ein Parallelreaktor 910 weist eine Gruppe von Reaktorbehältern 912 auf. Eine gasdichte Kappe 914 dichtet jeden der Behälter 912 ab, und verhindert einen versehentlichen Gasfluss zu oder von den Behältern 912. Vor dem Anbringen der Kappe 914 wird jeder der Behälter 912 mit flüssigen Reaktanden, Lösungsmitteln, Katalysatoren, und anderen Reaktionsbestandteilen in kondensierter Phase beschickt, unter Verwendung des Flüssigkeitshandhabungssystems 146, das in 2 gezeigt ist. Gasförmige Reaktanden von der Quelle 916 werden in jeden der Behälter 912 über einen Gaseinlass 918 eingegeben. Ventile 920, die mit einer Steuerung 922 kommunizieren, werden dazu verwendet, die Reaktionsbehälter 912 mit der erforderlichen Menge an gasförmigen Reaktanden vor der Reaktion zu füllen. Ein Drucksensor 923 kommuniziert mit dem Behälterkopfraum, also dem Volumen innerhalb jedes der Behälter 912, der die Kappe 914 von den flüssigen Komponenten trennt, über einen Anschluss 926, der sich in der Kappe 914 befindet. Die Drucksensoren 924 sind an einen Prozessor 928 angeschlossen, der Daten verarbeitet und speichert. Während der Reaktion spiegeln irgendwelche Änderungen des Kopfraumdrucks, bei konstanter Temperatur, Änderungen der Menge an Gas wieder, die in dem Kopfraum vorhanden ist. Diese Druckdaten können dazu verwendet werden, die molare Produktion oder Verbrauchsrate r_i einer gasförmigen Komponenten zu bestimmen, dafür ein ideales Gas auf konstanter Temperatur gilt
wobei R die universelle Gaskonstante ist, und p_i der Partialdruck der i-ten gasförmigen Komponente ist. Temperatursensoren 930, die mit dem Prozessor 928 über den Monitor 932 kommunizieren, liefern Daten, die dazu verwendet werden können, Druckänderungen zu berücksichtigen, die sich infolge von Änderungen der Kopfraumtemperatur ergeben. Das ideale Gasgesetz oder eine ähnliche Zustandsgleichung kann dazu verwendet werden, die Druckkorrektur zu berechnen.
Bei einem alternativen Beispiel werden die Ventile 920 dazu verwendet, den Verbrauch eines gasförmigen Reaktanden zu kompensieren, bei einer Reaktion, bei welcher ein Nettoverlust an Molen von Gasphasenkomponenten auftritt. Die Ventile 920 werden durch die Ventilsteuerung 922 geregelt, die mit dem Prozessor 928 kommuniziert. Zu Beginn der Reaktion öffnen sich die Ventile 920, damit Gas von der Hochdruckquelle 916 in jeden der Behälter 912 hineingelangen kann. Sobald der Druck innerhalb jedes der Behälter 912, ermittelt vom Sensor 924, einen vorbestimm ten Wert P_H erreicht, schließt der Prozessor 928 die Ventile 920. Wenn die Reaktion das Gas von der Quelle 916 verbraucht, sinkt der Gesamtdruck innerhalb jedes der Behälter 912 ab. Sobald der Druck in einem bestimmten Behälter 912 unter einen vorbestimmten Wert P_L absinkt, öffnet der Prozess 928 das Ventil 920, das diesem Behälter 912 zugeordnet ist, um dort den Druck wieder auf P_H zu bringen. Dieser Vorgang, nämlich Füllen jedes der Behälter 912 mit Gas von der Quelle 916 auf P_H, absinken lassen des Kopfraumdruckes, bis er auf unterhalb P_L abgesunken ist, und dann Nachfüllen der Behälter 912 mit Gas von der Quelle 916 auf P_H, wird normalerweise häufig im Verlauf der Reaktion wiederholt. Weiterhin wird der Gesamtdruck in dem Kopfraum jedes der Behälter 912 ständig überwacht und aufgezeichnet, während des Gasfüll-Druckabfallzklus.
Ein analoges Verfahren kann dazu verwendet werden, Reaktionen zu untersuchen, bei denen eine Nettozunahme von Gasphasenkomponenten auftritt. Zu Beginn einer Reaktion werden alle Reaktionsmaterialien in die Behälter 912 eingegeben, und werden die Ventile 920 geschlossen. Im Verlauf der Reaktion führt die Gasproduktion zu einem Anstieg des Kopfraumdrucks, welchen die Sensoren 924 und der Prozessor 928 überwachen und aufzeichnen. Sobald der Druck innerhalb eines bestimmten Behälters 912 den Wert P_H erreicht, weist der Prozessor 928 die Steuerung 922 an, das entsprechende Ventil 920 zu öffnen, um den Druck im Behälter 912 abzubauen. Das Ventil 920, das ein Ventil mit mehreren Anschlüssen ist, lässt das Gas aus dem Kopfraum über eine Abgasleitung 934 ab. Sobald der Kopfdruck auf unter P_L abgesunken ist, weist der Prozessor 928 die Steuerung 922 an, das Ventil 920 zu schließen. Der Gesamtdruck wird ständig überwacht und aufgezeichnet, während des Gasanstiegs-Ablasszyklus.
Die Raten für den Gasverbrauch (die Gaserzeugung) können aus den Gesamtdruckdaten mit verschiedenen Verfahren bestimmt werden. Zur Vereinfachung werden diese Verfahren anhand eines einzelnen Reaktorbehälters 12 und eines einzelnen Ventils 920 beschrieben, jedoch gelten sie ebenso für einen Parallelreaktor 910, der mehrere Behälter 912 und Ventile 920 aufweist. Eine Bestimmung des Gasverbrauchs (der Gaserzeugung) kann anhand der Steigung der Druckabfallkurven (Druckanstiegskurven) erfolgen, die erhalten werden, wenn das Ventil geschlossen ist. Diese Daten, nach Umwandlung des Gesamtdrucks in einen Partialdruck auf Grundlage der Stöchiometrie der Reaktion, können in Gleichung XI eingesetzt werden, um r_i zu berechnen, die molare Verbrauchsrate (Produktionsrate). Eine zweite Bestimmung kann dadurch erfolgen, dass man annimmt, dass eine feste Menge an Gas in den Behälter während jedes Ventilzyklus hineingelangt (bzw. den Behälter verlässt). Die Frequenz, mit welcher beim Reaktor ein erneuter Druckaufbau (Druckabbau) stattfindet, ist daher proportional der Gasverbrauchsrate (Gaserzeugungsrate). Eine dritte, exaktere Bestimmung kann dadurch erhalten werden, dass eine bekannte Gasflussrate durch das Ventil angenommen wird. Multipliziert man diesen Wert mit der Zeit, während derer das Ventil offen bleibt, erhält man einen Wert für die Gasmenge, die in einem bestimmten Zyklus in den Behälter hineingelangt, bzw. diesen verlässt. Division dieses Produkts durch die Zeit bis zum nächsten Ventilzyklus, also jene Zeit, die der Druck in dem Behälterkopfraum benötigt, von P_H auf P_L abzusinken, ergibt einen Mittelwert für die Rate des volumetrischen Gasverbrauchs (der volumetrischen Gaserzeugung) für diesen speziellen Ventilzyklus. Eine Aufsummierung der Gasmenge, die während sämtlicher Zyklen zugeführt wird, ergibt das Gesamtvolumen an verbrauchtem (erzeugtem) Gas während der Reaktion.
Die exaktesten Ergebnisse werden dadurch erhalten, dass direkt die Gasmenge gemessen wird, die durch das Ventil fließt. Dies kann dadurch erfolgen, dass die Druckänderung festgestellt wird, die während der Zeit auftritt, in der das Ventil offen ist, wobei das ideale Gasgesetz dazu verwendet werden kann, diese Änderung in das Gasvolumen umzuwandeln, welches in den Behälter hinein oder aus dem Behälter heraus gelangt. Dividiert man diese Menge durch die Zeit zwischen einem bestimmten Ventilzyklus, so erhält man eine mittlere volumetrische Gasverbrauchsrate (Gaserzeugungsrate) für diesen Zyklus. Das Aufsummieren der Volumenänderungen für alle Zyklen ergibt das Gesamtvolumen an bei der Reaktion von verbrauchtem (erzeugtem) Gas.
Bei einem in 31 gezeigten, alternativen Beispiel wird die Gasverbrauchsrate direkt gemessen, durch Einführen von Flusssensoren 936 stromabwärts der Ventile 920, oder durch Ersetzen der Ventile 920 durch Flusssensoren 936. Die Flusssensoren 936 ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung der Massenflussrate des Gases, das in jeden der Behälter 912 durch den Gaseinlass 918 hinein gelangt. Um sinnvolle Vergleiche zwischen Versuchen sicherzustellen, sollte der Druck des Gases aus der Quelle 916 während eines Versuchs annähernd konstant bleiben. Obwohl die Flusssensoren 936 das Erfordernis ausschalten, einen Zyklus bei den Ventilen 920 durchzuführen, sind die minimal feststellbaren Flussraten bei diesem Beispiel kleiner als bei jenen, bei denen ein Druckzyklus eingesetzt wird. Allerdings wird die Verwendung von Flusssensoren 936 allgemein für schnelle Reaktionen vorgezogen, bei welchen die Flussraten des Reaktanden in die Behälter 912 größer sind als die Empfindlichkeitsschwelle der Flusssensoren 936.
Erläuterndes Beispiel für die Kalibrierung mechanischer Oszillatoren zur Messung des Molekulargewichts
Mechanische Oszillatoren wurden dazu verwendet, Reaktionsmischungen zu charakterisieren, die Polystyrol und Toluol enthalten. Um die Resonatorreaktion in eine Beziehung zum Molekulargewicht von Polystyrol zu setzen, wurde das in 30 gezeigte System 870 unter Verwendung von Polystyrol-Standards mit bekanntem Molekulargewicht, gelöst in Toluol, kalibriert. Jede der Standard-Polystyrol-Toluol-Lösungen wies dieselbe Konzentration auf, und befanden sich in getrennten (identischen) Behältern, unter Verwendung von piezoelektrischen Stimmgabel-Quarzresonatoren ähnlich jenem, der in 28 gezeigt ist. Frequenzreaktionskurven für jeden Resonator wurden in Intervallen zwischen 10 und 30 Sekunden aufgezeichnet.
Die Kalibrierläufe erzeugten einen Satz von Resonatorreaktionen, der dazu verwendet werden konnte, das Ausgangssignal von den Oszillatoren 872, die in Reaktionsmischungen eingetaucht waren, in Beziehung zum Molekulargewicht des Polystyrols zu setzen. 32 zeigt Ergebnisse von Kalibrierläufen 970 für die Polystyrol-Toluol-Lösungen. Die Kurven sind Plots der Oszillatorreaktion für Polystyrol-Toluol-Lösungen, die kein Polystyrol 952 enthalten, und für Polystyrol-Standards mit mittleren Molekulargewichten (M_W) von 2,36 × 10³ (954), 13,7 × 10³ (956), 114,2 × 10³ (958), und 1,88 × 10⁶ (960).
33 zeigt eine Kalibrierkurve 920, die durch Korrelieren von M_W der Polystyrol-Standards mit der Entfernung zwischen der Frequenzreaktionskurve für Toluol 952 und jeder der Polystyrol-Lösungen 954, 956, 958, 960 von 32 erhalten wurde. Diese Entfernung wurde unter Verwendung des folgenden Ausdrucks berechnet:
wobei f₀ und f₁ die untere bzw. obere Frequenz der Reaktionskurve bezeichnet; R₀ die Frequenzreaktion des Resonators in Toluol, und R₁ die Resonatorreaktion in einer bestimmten Polystyrol-Toluol-Lösung. Hat man die Reaktionskurven für eine unbekannte Polystyrol-Toluol-Mischung sowie für reines Toluol 952 (32), kann die Entfernung zwischen den zwei Kurven aus Gleichung XII bestimmt werden. Der sich ergebende Wert für d_i kann entlang der Kalibrierkurve 970 von 33 aufgefunden werden, um M_W für die unbekannte Polystyrol-Toluol-Lösung zu bestimmen.
Erläuterndes Beispiel für die Messung des Gasphasen-Reaktandenverbrauchs durch Drucküberwachung und -steuerung
34 zeigt den Druck, der während der Lösungspolymerisation von Ethylen zu Polyethylen aufgezeichnet wurde. Die Reaktion wurde in einer ähnlichen Einrichtung wie jener, die in 31 gezeigt ist, durchgeführt. Eine Ethylengasquelle wurde dazu verwendet, bei der Reaktion verbrauchtes Ethylen auszugleichen. Ein Ventil, gesteuert durch einen Prozessor, ließ Ethylengas in den Reaktionsbehälter ein, wenn der Behälterkopfdruck auf unterhalb von P_L ≈ 11,1 × 10⁴ Pa Überdruck (16,1 psig) infolge von verbrauchten Ethylens abfiel. Während des Gasfüllabschnitts des Zyklus blieb das Ventil geöffnet, bis der Kopfraumdruck P_L ≈ 14,0 × 10⁴ Pa Überdruck (20,3 psig) überschritten wird.
35 und 36 zeigen die Ethylenverbrauchsrate in Abhängigkeit von der Zeit, bzw. die Masse an Polyethylen in Abhängigkeit vom verbrauchten Ethylen. Das Druckäquivalent der mittleren Ethylenverbrauchsrate, –r_C2,k (101,3 kPa·min^–1 (atm·min^–1)) wurde aus folgendem Ausdruck bestimmt
wobei der Index k einen bestimmten Ventilzyklus betrifft, und Δt_k das Zeitintervall zwischen dem Schließen des Ventils während des momentanen Zyklus und dem Öffnen des Ventils zu Beginn des nächsten Zyklus ist. Wie in 35 gezeigt, tritt die konstante Ethylenverbrauchsrate zu späteren Zeiten in Folge der katalysierten Polymerisation von Ethylen auf. Die hohe Ethylenverbrauchsrate früh in dem Prozess tritt hauptsächlich infolge des Transports von Ethylen in die Katalysatorlösung auf, bevor eine Gleichgewichts-Ethylenkonzentration in der flüssigen Phase erreicht ist. 36 zeigt die Menge an hergestelltem Polyethylen in Abhängigkeit von der Menge an Ethylen, die durch die Reaktion verbraucht wurde. Die Menge an hergestelltem Polyethylen wurde durch Wägen der Reaktionsprodukte bestimmt, und die Menge an Ethylen, die durch die Reaktion verbraucht wurde, wurde durch Multiplizieren der konstanten mittleren Verbrauchsrate mit der Gesamtreaktionszeit bestimmt. Eine lineare Anpassung mittels kleinster Fehlerquadrate an diese Daten ergibt eine Steigung, die zu dem Wert paßt, der auf Grundlage des idealen Gasgesetzes vorhergesagt wird, und aus der Kenntnis der Reaktionstemperatur und des gesamten, von dem Gas eingenommenen Volumens (Produkt aus Behälterkopfraum und Anzahl an Ventilzyklen während der Reaktion).
Automatisiertes, Hochdruckeinspritzsystem
37 ist eine Perspektivansicht eines Reaktormoduls 1000 des in 10 gezeigten Typs mit acht Behältern, das mit einem zusätzlichen Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 versehen ist. Das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 ermöglicht das Hinzufügen von Flüssigkeiten zu unter Druck stehenden Behältern, was wie voranstehend geschildert Probleme abmildert, die mit der Vorbeschickung von Behältern mit Katalysatoren zusammenhängen. Darüber hinaus verbessert das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 die gleichzeitige Untersuchung von Katalysatoren, da es das selektive Quenchen von Überprüfungsreaktionen durch das Hinzufügen eines Katalysatorgifts in flüssiger Phase ermöglicht.
Das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 unterstützt die Lösung von Problemen, welche die katalytische Flüssigphasen-Polymerisation eines gasförmigen Monomers betreffen. Wird das in 10 gezeigte Reaktormodul 390 zum Überprüfen oder Charakterisieren von Polymerisationskatalysatoren verwendet, wird jeder Behälter norma lerweise mit einem Katalysator und einem Lösungsmittel vor der Reaktion beschickt. Nach der Abdichtung wird gasförmiges Monomer in jeden Behälter auf einem festgelegten Druck eingelassen, um die Polymerisation einzuleiten. Wie beim Beispiel I diskutiert, nimmt während der frühen Stufen der Reaktion die Monomerkonzentration in dem Lösungsmittel zu, wenn sich gasförmiges Monomer in dem Lösungsmittel auflöst. Obwohl das Monomer schließlich eine Gleichgewichtskonzentration in dem Lösungsmittel erreicht, kann die Katalysatoraktivität durch die sich ändernde Monomerkonzentration vor Erreichen des Gleichgewichts beeinflusst werden. Weiterhin wird, wenn sich das Monomer in dem Lösungsmittel früh in der Reaktion auflöst, zusätzliches, gasförmiges Monomer zugegeben, um den Druck in dem Behälterkopfraum aufrechtzuerhalten. Dies macht es schwierig, zwischen Druckänderungen in den Behältern infolge der Polymerisation in der flüssigen Phase und zwischen Druckänderungen infolge eines Monomertransports in das Lösungsmittel zum Erreichen einer Gleichgewichtskonzentration zu unterscheiden. Diese analytischen Schwierigkeiten können dadurch vermieden werden, dass das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 verwendet wird, da der Katalysator in die Behälter eingegeben werden kann, nachdem das Monomer eine Gleichgewichtskonzentration in der flüssigen Phase erreicht hat.
Das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 von 37 unterstützt auch die Lösung von Problemen, die auftreten, wenn das in 10 gezeigte Reaktormodul 390 zur Untersuchung der katalytischen Copolymerisation gasförmiger und flüssiger Comonomere verwendet wird. Vor der Reaktion wird jeder Behälter mit einem Katalysator und dem flüssigen Comonomer beschickt. Nach Abdichtung der Behälter wird gasförmiges Comonomer in jeden Behälter eingegeben, um die Copolymerisation einzuleiten. Da eine beträchtliche Zeit verstreichen kann zwischen der Beschickung flüssiger Bestandteile und dem Kontakt mit dem gasförmigen Comonomer, kann jedoch der Katalysator eine Homopolymerisation eines signifikanten Anteils des flüssigen Comonomers hervorrufen. Zusätzlich ändert sich die relative Konzentration der Comonomere in der flüssigen Phase während der frühen Stufen der Reaktion, wenn sich das gasförmige Comonomer in der flüssigen Phase auflöst. Beide Effekte führen zu analytischen Schwierigkeiten, die durch Verwendung des Flüssigkeitseinspritzsystems 1002 vermieden werden können, da Katalysatoren in die Behälter eingegeben werden können, nachdem eine Gleichgewichtskonzentration der gasförmigen und flüssigen Comonomere in den Behältern erreicht ist. Auf diese Weise kontaktiert der Katalysator die beiden Comonomere gleichzeitig.
Das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 gemäß 37 ermöglicht es auch Benutzern, Reaktionen zu unterschiedlichen Zeitpunkten zu quenchen, durch Hinzufügung eines Katalysatorgifts in flüssiger Phase, was die Überprüfung von Materialien verbessert, die einen breiten Bereich der katalytischen Aktivität aufweisen. Wird das Reaktormodul 390 von 10 zur gleichzeitigen Bewertung von Bibliotheksmitgliedern in Bezug auf die katalytische Leistung verwendet, kann es sein, dass den Benutzern geringe Informationen über die relative Aktivität von Bibliotheksmitgliedern vorliegen. Lässt man jede Reaktion über annähernd den gleichen Zeitraum ablaufen, können die aktivsten Katalysatoren eine übermäßige Menge an Produkt erzeugen, was die Analyse nach der Reaktion und das Reinigen des Reaktors behindern kann. Im Gegensatz können die am wenigsten aktiven Katalysatoren eine Produktmenge erzeugen, die zur Charakterisierung unzureichend ist. Durch Überwachung der Produktmenge in jedem der Behälter, beispielsweise mittels Verwendung mechanischer Oszillatoren oder Phasenverzögerungsmessungen, kann der Benutzer eine bestimmte Reaktion dadurch anhalten, dass er das Katalysatorgift in die Behälter sobald dann einspritzt, wenn eine vorbestimmte Umwandlung erzielt ist. Bei demselben Reaktor und bei demselben Versuch können daher Katalysatoren mit niedriger und hoher Aktivität eine Reaktion für einen relativ langen bzw. einen relativ kurzen Zeitraum durchführen, wobei beide Gruppen der Katalysatoren etwa dieselbe Produktmenge erzeugen.
Wie wiederum in 37 gezeigt, weist das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 Füllanschlüsse 1004 auf, die an einem Einspritzverteiler 1006 angebracht sind. Eine Injektoradapterplatte 1008, die sandwichartig zwischen einer oberen Platte 1010 und dem Block 1012 des Reaktormoduls 1000 eingeschlossen ist, stellt Leitungen für den Fluss von Flüssigkeit zwischen dem Einspritzverteiler 1006 und jeder der Vertiefungen oder jedem der Behälter (nicht gezeigt) innerhalb des Blocks 1012 zur Verfügung. Chemisch inerte Ventile 1014, die an dem Einspritzverteiler 1006 angebracht sind, und entlang Flusswegen angeordnet sind, welche die Füllanschlüsse 1004 und die Leitungen innerhalb der Adapterplatte 1008 verbinden, werden dazu eingesetzt, eine Fluidverbindung zwischen den Füllanschlüssen 1004 und den Behältern oder Vertiefungen einzurichten oder zu verhindern. Normalerweise erfolgt der Zugang auf das Flüssigkeitseinspritzsystem 1002 über die Füllanschlüsse 1004 unter Verwendung einer Sonde 1016, die Teil eines automatischen Flüssigkeitsabgabesystems ist, beispielsweise des Roboter-Materialhandhabungssystems 146, das in 2 gezeigt ist. Allerdings können Flüssigkeiten von Hand in die Behälter über die Füllanschlüsse 1004 unter Verwendung einer Pipette, einer Spritze, oder einer ähnlichen Flüssigkeitsabgabeeinrichtung eingespritzt werden. Herkömmliche Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie-Schleifeninjektoren können als Füllanschlüsse 1004 verwendet werden. Andere nützliche Füllanschlüsse 1004 sind in 38 und 39 gezeigt.
38 zeigt eine Querschnittsansicht eines ersten Beispiels eines Füllanschlusses 1004', der eine O-Ringdichtung zum Minimieren von Flüssigkeitslecks aufweist. Der Füllanschluss 1004' weist einen im wesentlichen zylindrischen Füllanschluss 1040 auf, der mit einem ersten Ende 1042 und einem zweiten Ende 1044 versehen ist. Eine Axialbohrung 1046 erstreckt sich über die Länge des Füllanschlusskörpers 1040. Ein elastomerer O-Ring 1048 sitzt innerhalb der axialen Bohrung 1046 an einem Punkt, an welchem eine abrupte Verengung 1050 vorhanden ist, und wird an seinem Ort durch eine Muffe 1052 gehaltert, die in das erste Ende 1042 des Füllanschlusskörpers 1040 angeschraubt ist. Die Muffe 1052 weist ein Zentrumsloch 1054 auf, das solche Abmessungen hat, dass es das breiteste Teil der Sonde 1016 aufnehmen kann. Die Muffe 1052 besteht typischerweise aus einem chemisch widerständige Kunststoff, beispielsweise Polyethylethylketon (PEEK), Polytetrafluorethylen (PTFE) und dergleichen, was eine Beschädigung der Sonde 1016 und des Füllanschlusses 1004' während des Einspritzens von Flüssigkeit minimiert. Zur Erleichterung der Installierung und des Abnehmens weist der Füllanschluss 1004' eine gerändelte, erste äußere Oberfläche 1056 auf, die neben dem ersten Ende 1042 des Füllanschlusses 1004' angeordnet ist, und eine mit Gewinde versehene, zweite Außenoberfläche 1058, die sich neben dem zweiten Ende 1044 des Füllanschlusses 1004' befindet.
38 zeigt ebenfalls die Position der Sonde 1016 während des Einspritzens von Flüssigkeit. Wie eine herkömmliche Pipette, ist die Sonde 1016 ein zylindrisches Rohr mit einem Außendurchmesser (OD) an dem Punkt der Abgabe von Flüssigkeit, der kleiner ist als der OD über den Hauptteil der Länge der Sonde 1016. Dies führt dazu, dass in der Nähe der Sondenspitze 1060 eine Übergangszone 1062 vorhanden ist, in welcher sich der OD der Sonde 1016 verengt. Da der Innendurchmesser (ID) des O-Rings 1048 etwa eben so groß ist wie der OD der Sondenspitze 1060, wird eine flüssigkeitsdichte Dichtung entlang der Sondenübergangszone 1060 während des Einspritzens von Flüssigkeit ausgebildet.
39 zeigt ein zweites Beispiel eines Füllanschlusses 1004''. Wie das in 38 gezeigte, erste Beispiel 1004', weist das zweite Beispiel 1004'' einen im wesentlichen zylindrischen Füllanschlusskörper 1040' auf, der ein erstes Ende 1042' und ein zweites Ende 1044' aufweist. Statt eines O-Rings verwendet der in 39 gezeigte Füllanschluss 1004'' einen Einsatz 1080 mit einem verjüngten Axialloch 1082, das zu einer Presspassung führt, und daher zu einer Dichtung, zwischen der Sondenspitze 1060 und dem ID des verjüngten Axiallochs 1082 während des Einspritzens von Flüssigkeit. Typischerweise besteht der Einsatz 1080 aus einem chemisch widerständigen Kunststoff, beispielsweise PEEK, PTFE und dergleichen, was eine Beschädigung der Sonde 1016 und des Füllanschlusses 1004'' während des Einspritzens von Flüssigkeit minimiert. Zur Erleichterung des Abnehmens und des Installierens weist der Füllanschluss eine gerändelte, erste Außenoberfläche 1056' auf, die neben dem ersten Ende 1042' des Füllanschlusses 1004'' liegt, und eine mit Gewinde versehene, zweite Außenoberfläche 1058', die neben dem zweiten Ende 1044' des Füllanschlusses 1004'' liegt.
40 zeigt eine Konstruktionsdurchsicht des Einspritzverteilers 1006. Der Einspritzverteiler 1006 weist eine Gruppe von Füllanschlusssitzen 1100 auf, die entlang einer oberen Oberfläche 1102 des Einspritzverteilers 1006 angeordnet sind. Die Füllanschlusssitze 1100 weisen solche Abmessungen auf, dass sie die zweiten Enden 1044, 1044' der Füllanschlüsse 1004', 1004'' aufnehmen, die in 38 und 39 gezeigt sind. Fixierlöcher 1104, die sich durch den Einspritzverteiler 1006 erstrecken, ordnen die Ventile 1014 von 37 entlang der Vorderseite des Einspritzverteilers 1006 an.
Eine alternative Konstruktion für das Ventil 1014, das bei den Einspritzanschlüssen verwendet wird, ist in 40A und 40B gezeigt. 40A zeigt den Einspritzverteiler 1006, der in Querschnittsansicht in 40B dargestellt ist. Die alternative Ventilkonstruktion stellt im wesentlichen ein Rückschlagventil dar, das eine Feder 2005 unter einem Ventilkegel 2006 aufweist. Erfolgt keine Einspritzung, drückt die Feder 2005, unterstützt durch den Druck des Reaktorbehälters, den Ventilkegel 2006 gegen eine Dichtung 2007, um den Reaktionsbehälter abzudichten. Die Dichtung kann von einer Art sein, die Fachleuten bekannt ist, beispielsweise ein O-Ring sein. Beim Einspritzen zwingt eine Pumpe, die der Sonde 1016 zugeordnet ist, das einzuspritzende Material gegen den Ventilkegel 2006, und überwindet den Druck in der Kammer und die Kraft der Feder 2005, um zu ermöglichen, dass das eingespritzte Material über den Ventilkegel hinaus in den Reaktionsbehälter über den Kanal in dem Modul fließt.
41 zeigt eine Querschnittsansicht des Einspritzverteilers 1006 entlang einer ersten Schnittlinie 1106 von 40. Der Querschnitt erläutert einen aus einer Gruppe erster Flusswege 1130. Die ersten Flusswege 1130 verlaufen von den Füllanschlusssitzen 1100 durch den Einspritzverteiler 1006 zu Ventileinlasssitzen 1132. Jeder der Ventileinlasssitze 1132 weist solche Abmessungen auf, dass er einen Einlassanschluss (nicht gezeigt) eines der in 37 gezeigten Ventile 1014 empfängt. Die ersten Flusswege 1130 sorgen daher für eine Fluidverbindung zwischen Füllanschlüssen 1004 und den Ventilen 1014 von 37.
42 zeigt eine Querschnittsansicht des Einspritzverteilers 1006 entlang einer zweiten Schnittlinie 1108 von 40. Der Querschnitt erläutert einen aus einer Gruppe zweiter Flusswege 1150. Die zweiten Flussweg 1150 verlaufen von Ventilauslasssitzen 1152 durch den Einspritzverteiler 1006 zu Verteilerauslässen 1154, die sich entlang einer rückwärtigen Oberfläche 1156 des Einspritzverteilers 1006 befinden. Jeder der Ventilauslasssitze 1152 weist solche Abmessungen auf, dass er einen Auslassanschluss (nicht gezeigt) eines der in 37 gezeigten Ventile 1014 aufnimmt. Die Verteilerauslässe 1154 passen zu Fluidleitungen auf der Injektoradapterplatte 1008. Kreisringförmige Nuten 1158, welche die Verteilerauslässe 1154 umgeben, sind so ausgebildet, dass sie O-Ringe (nicht gezeigt) aufnehmen, welche die Fluidverbindung zwischen den Verteilerauslässen 1154 und den Fluidleitungen auf der Injektoradapterplatte 1008 abdichten. Die zweiten Flußwege 1150 sorgen daher für eine Fluidverbindung zwischen den Ventilen 1014 und der Injektoradapterplatte 1008.
43 zeigt eine Konstruktionsdurchsicht von oben der Injektoradapterplatte 1008, die als eine Schnittstelle zwischen dem Einspritzverteiler 1006 und dem Block 1012 des in 37 gezeigten Reaktormoduls 1000 dient. Die Injektoradapterplatte 1008 weist Löcher 1180 auf, die einen Zugriff zu den Behältern und Vertiefungen innerhalb des Blocks 1012 ermöglichen. Die Injektoradapterplatte 1008 weist weiterhin Leitungen 1182 auf, die von einem Vorderrand 1184 zur unteren Oberfläche der Adapterplatte 1008 gehen. Wenn die Adapterplatte 1008 in das Reaktormodul 1000 eingebaut ist, stellen Einlässe 1186 der Leitungen 1182 eine Fluidverbindung den in 42 gezeigten Verteilerauslässen 1154 her.
Wie in 44 gezeigt ist, die eine Querschnitts-Seitenansicht der Injektoradapterplatte 1008 entlang einer Schnittlinie 1188 von 43 ist, enden die Leitungen 1182 auf einer unteren Oberfläche 1210 der Injektorplatte 1008 an Leitungsauslässen 1212. Die untere Oberfläche 1210 der Adapterplatte 1008 bildet eine obere Oberfläche jeder der Vertiefungen in dem Block 1012 von 37 des Reaktormoduls 1000. Um sicherzustellen, dass Flüssigkeit ordnungsgemäß in die Reaktionsbehälter abgegeben wird, sind längliche Vertiefungsinjektoren, wie in 45 und 48 gezeigt, an die Leitungsauslässe 1212 angeschlossen.
45 zeigt ein Beispiel eines Vertiefungsinjektors 1230. Der Vertiefungsinjektor 1230 ist ein im wesentlichen zylindrisches Rohr, das ein erstes Ende 1232 und ein zweites Ende 1234 aufweist. Der Vertiefungsinjektor 1230 weist eine mit Gewinde versehene Außenoberfläche 1236 nahe dem ersten Ende 1232 auf, so dass er an mit Gewinde versehenen Leitungsauslässen 1212 angebracht werden kann, die in 44 gezeigt sind. Ebenen 1238, die neben der mit Gewinde versehenen Außenoberfläche 1236 angeordnet sind, unterstützen das Eindringen des ersten Endes 1232 des Vertiefungsinjektors 1230 in die Leitungsauslässe 1212. Die Länge des Vertiefungsinjektors 1230 kann variiert werden. So kann sich beispielsweise das zweite Ende 1234 des Vertiefungsinjektors 1230 in die Flüssigkeitsmischung erstrecken; alternativ kann das zweite Ende 1234 des Injektors 1230 sich über einen Abschnitt des Weges in den Behälterkopfraum erstrecken. Typischerweise besteht der Vertiefungsinjektor 1230 aus einem chemisch widerstandsfähigen Kunststoff, beispielsweise PEEK, PTFE und dergleichen.
Das Einspritzen von Flüssigkeit lässt sich unter Bezugnahme auf die 46–48 verstehen. 46 zeigt eine Aufsicht auf das Reaktormodul 1000, und 47 und 48 zeigen Querschnitts-Seitenansichten des Reaktormoduls 1000 entlang einer ersten bzw. zweiten Schnittlinie 1060 bzw. 1062, die in 46 gezeigt sind. Vor dem Einspritzen eines Katalysators oder eines anderen flüssigen Reagenz zieht die Sonde 1016, die zunächst ein erstes Lösungsmittel enthält, eine vorbestimmte Menge des flüssigen Reagenz von einer Reagenzquelle ab. Daraufhin zieht die Sonde 1016 eine vorbestimmte Menge eines zweiten Lösungsmittels von einer zweiten Lösungsmittelquelle ab, was zu einem Abschnitt aus flüssigem Reagenz führt, der zwischen dem ersten und zweiten Lösungsmittel innerhalb der Sonde 1016 suspendiert ist. Im allgemeinen erfolgt die Handhabung der Sonde unter Verwendung eines Roboter-Materialbehandlungssystems der in 2 gezeigten Art, und ist das zweite Lösungsmittel das gleiche wie das erste Lösungsmittel.
47 und 48 zeigen die Einlass- und Auslasswege des Ventils 1014 vor dem Einspritzen von Flüssigkeit bzw. während des Einspritzens. Sobald die Sonde 1016 die erforderliche Menge an flüssigem Reagenz und Lösungsmitteln enthält, wird die Sondenspitze 1058 in den Füllanschluss 1004 eingeführt, wodurch eine Dichtung bewirkt wird, wie beispielsweise in 38 und 39 gezeigt ist. Dann wird das Ventil 1014 geöffnet, und das zweite Lösungsmittel, flüssiges Reagenz, und ein Teil des ersten Lösungsmittels werden unter Druck in das Reaktormodul 1000 eingespritzt. Von dem Füllanschluss 1004 fließt die Flüssigkeit in den Einspritzverteiler 1006 durch einen der ersten Flusswege 1130, die von den Füllanschlusssitzen 1100 zu den Ventileinlasssitzen 1132 verlaufen. Die Flüssigkeit gelangt in das Ventil 1014 durch einen Einlassanschluss 1280, fließt durch einen Ventilflussweg 1282, und verlässt das Ventil 1014 über einen Auslassanschluss 1284. Nach Verlassen des Ventils 1014 fließt die Flüssigkeit durch einen der zweiten Flusswege 1150 zu einem Verteilerauslass 1154. Von dem Verteilerauslass 1154 fließt die Flüssigkeit durch die Injektoradapterplatte 1008 innerhalb der Fluidleitungen 1182, und wird in einen Reaktorbehälter 1286 oder eine Vertiefung 1288 durch den Vertiefungsinjektor 1230 eingespritzt. Bei dem in 48 gezeigten Beispiel erstreckt sich das zweite Ende 1234 des Vertiefungsinjektors 1230 nur über einen Teil des Weges in den Behälterkopfraum 1290. In anderen Fällen kann sich das zweite Ende 1234 bis in die Reaktionsmischung 1292 erstrecken.
Das Einspritzen von Flüssigkeit geht weiter, bis der Abschnitt des flüssigen Reagenz in den Reaktorbehälter 1286 eingespritzt ist, und der Flussweg von dem Füllanschluss 1004 zum zweiten Ende 1234 des Vertiefungsinjektors 1230 mit dem ersten Lösungsmittel gefüllt ist. An diesem Punkt wird das Ventil 1014 geschlossen, und wird die Sonde 1016 von dem Füllanschluss 1004 abgezogen.
Reaktorbehälterdruckdichtung und Rührmechanismus mit Magnetdurchführung
48 zeigt einen Rührmechanismus und zugehörige Dichtungen zur Aufrechterhaltung eines Drucks oberhalb von Atmosphärendruck in den Reaktorbehälter 1286. Der Direktantriebs-Rührmechanismus 1310 ist ähnlich wie jener ausgebildet, der in 10 gezeigt ist, und weist ein Zahnrad 1312 auf, das an einer Spindel 1314 angebracht ist, die eine Schaufel oder ein Paddel 1316 dreht. Eine dynamische Lippendichtung 1318, die an der oberen Platte 1010 befestigt ist, verhindert Gaslecks zwischen der sich drehenden Spindel 1314 und der oberen Platte 1010. Wenn sie neu installiert ist, kann die Lippendichtung Drucke von etwa 6,89 × 10⁵ Pa Überdruck (100 psig) aufrechterhalten. Allerdings leckt im Verlauf des Einsatzes die Lippendichtung 1318, wie O-Ringe und andere dynamische Dichtungen, infolge eines Reibungsverschleißes. Hohe Betriebstemperaturen, Drucke und Rührgeschwindigkeiten beschleunigen den Verschleiß der dynamischen Dichtung.
49 zeigt eine Querschnittsansicht einer magnetischen Durchführung 1340 eines Rührmechanismus, die dazu beiträgt, bei dynamischen Dichtungen auftretende Gaslecks zu minimieren. Die magnetische Durchführung 1340 weist ein Zahnrad 1342 auf, das an einer Magnetantriebsanordnung 1344 unter Verwendung von Kappenschrauben 1346 oder ähnlicher Befestigungsmittel angebracht ist. Die Magnetantriebsanordnung 1344 weist eine zylindrische Innenwand 1348 auf, und ist drehbar auf einer starren, zylindrischen Drucksperre 1350 unter Verwendung eines oder mehrerer Lager 1352 angebracht. Die Lager 1352 befinden sich innerhalb eines kreisringförmigen Spaltes 1354 zwischen einem engen Kopfabschnitt 1356 der Drucksperre 1350 und der Innenwand 1348 der Magnetantriebsanordnung 1344. Ein Basisabschnitt 1358 der Drucksperre 1350 ist an der oberen Platte 1010 des in 48 gezeigten Reaktormoduls 1000 angebracht, so dass die Achse der Drucksperre 1350 ungefähr mit der Zentrumslinie des Reaktorbehälters 1286 oder der Vertiefung 1288 übereinstimmt. Die Drucksperre 1350 weist eine zylindrische Innenoberfläche 1360 auf, die nur entlang dem Basisabschnitt 1358 der Drucksperre 1350 geöffnet ist. Auf diese Weise bilden die Innenoberfläche 1360 der Drucksperre 1350 und der Reaktorbehälter 1386 oder die Vertiefung 1288 eine abgeschlossene Kammer aus.
Wie aus 49 hervorgeht, weist die magnetische Durchführung 1340 weiterhin einen zylindrischen, magnetischen Nachläufer 1362 auf, der drehbar innerhalb der Drucksperre 1350 unter Verwendung eines ersten und zweiten, mit einem Flansch versehenen Lagers 1364 bzw. 1366 angebracht ist. Das erste und zweite, mit einem Flansch versehene Lager 1364, 1366 sind in einem ersten kreisringförmigen Bereich 1368 und einem zweiten kreisringförmigen Bereich 1370 angeordnet, die durch die Innenoberfläche 1360 der Drucksperre 1350 und einen relativ engen Kopfabschnitt 1372 bzw. einen Schenkelabschnitt 1374 des magnetischen Nachläufers 1362 begrenzt werden. Ein Halter 1376 und ein Befestigungsclip 1378, die innerhalb des zweiten kreisringförmigen Bereichs 1370 neben dem zweiten, mit einem Flansch versehenen Lager 1366 angeordnet sind, unterstützen das Minimieren einer Axialbewegung des magnetischen Nachläufers 1362. Eine Spindel (nicht gezeigt), die an dem freien Ende 1380 des Schenkels 1374 des magnetischen Nachläufers 1362 angebracht ist, überträgt Drehmoment auf das Paddel 1316, das in die in 48 gezeigte Reaktionsmischung 1292 eingetaucht ist.
Im Betrieb übertragen das sich drehende Zahnrad 1342 und die magnetische Antriebsanordnung 1344 Drehmoment durch die starre Drucksperre 1350 auf den zylindrischen, magnetischen Nachläufer 1362. Permanentmagneten (nicht gezeigt), die in die magnetische Antriebsanordnung 1344 eingebettet sind, weisen Kraftvektoren auf, die in Ebenen liegen, die etwa senkrecht zur Drehachse 1382 der magnetischen Antriebsanordnung 1344 und des Nachläufers 1362 angeordnet sind. Diese Magneten sind mit Permanentmagneten (nicht gezeigt) gekuppelt, die entsprechend ausgerichtet und in den magnetischen Nachläufer 1362 eingebettet sind. Infolge der Magnetkupplung führt eine Drehung der Antriebsanordnung 1344 zu einer Drehung des Nachläufers 1362 und der Rührschaufel oder des Rührpaddels 1316 von 48. Der Nachläufer 1362 und das Paddel 1316 drehen sich mit derselben Frequenz wie die magnetische Antriebsanordnung, obwohl möglicherweise mit einer meßbaren Phasenverzögerung.
Abnehmbarer und entsorgbarer Rührer
Der in 48 gezeigte Rührmechanismus 1310 weist eine mehrstückige Spindel 1314 auf, die einen oberen Spindelabschnitt 1400 umfasst, ein Kupplungsteil 1402, und einen abnehmbaren Rührer 1404. Die mehrstückige Spindel 1314 hat bestimmte Vorteile im Vergleich einer einstückigen Spindel. Typischerweise bestehen nur die obere Antriebswelle 1400 und das Kupplungsteil 1402 aus einem Material mit hohem Modul wie beispielsweise Edelstahl; der abnehmbare Rührer 1404 besteht aus einem chemisch widerstandsfähigen und kostengünstigen Kunststoff, beispielsweise PEEK, PTFE und dergleichen. Im Gegensatz hierzu bestehen einstückige Spindeln, obwohl sie möglicherweise mit PTFE beschichtet sind, im allgemeinen vollständig aus einem relativ teuren Material mit hohem Modul, und werden daher normalerweise wieder verwendet. Allerdings sind einstückige Spindeln häufig schwierig nach Gebrauch zu reinigen, insbesondere nach einer Polymerisationsreaktion. Weiterhin kann Reaktionsprodukt beim Reinigen verloren gehen, was zu Fehlern bei der Berechnung der Reaktionsausbeute führt. Bei der mehrstückigen Spindel 1314 entsorgt man den abnehmbaren Rührer 1404 nach einem einzigen Gebrauch, wodurch der Reinigungsschritt ausgeschaltet wird. Da der abnehmbare Rührer 1404 weniger voluminös ist als die einstückige Spindel, kann er bei bestimmten Kennzeichnungen nach der Reaktion verwendet werden, einschließlich des Wägens des Produkts, um die Reaktionsausbeute zu bestimmen.
50 zeigt eine Perspektivansicht des Rührmechanismus 1310 von 48, und zeigt Einzelheiten der mehrstückigen Spindel 1314. Ein Zahnrad 1312 ist an dem oberen Spindelabschnitt 1400 der mehrstückigen Spindel 1314 angebracht. Die obere Spindel 1400 geht durch eine Druckdichtungsanordnung 1420 hindurch, die eine dynamische Lippendichtung enthält, und ist an dem abnehmbaren Rührer 1404 unter Verwendung des Kupplungsteils 1402 angebracht. Es wird darauf hingewiesen, dass der abnehmbare Rührer 1404 auch bei dem Rührmechanismus 1340 mit magnetischer Durchführung eingesetzt werden kann, der in 49 gezeigt ist. In derartigen Fällen wird die obere Spindel 1400 weggelassen, und werden der Schenkel 1374 des zylindrischen, magnetischen Nachläufers 1362, oder das Kupplungsteil 1402, oder beide abgeändert, um den magnetischen Nachläufer 1362 an dem abnehmbaren Rührer 1404 anzubringen.
51 zeigt Einzelheiten des Kupplungsteils 1402, das einen zylindrischen Körper aufweist, der erste Löcher 1440 und zweite Löcher 1442 aufweist, die entlang einer Drehachse 1444 des Kupplungsteils 1402 zentriert sind. Das erste Loch 1440 weist solche Abmessungen auf, dass es ein zylindrisches Ende 1446 der oberen Spindel 1400 aufnimmt. Eine Schulter 1448, die entlang dem Umfang der oberen Spindel 1400 vorgesehen ist, liegt gegen einen kreisringförmigen Sitz 1450 an, der sich innerhalb des ersten Loches 1440 befindet. Eine Einstellschraube (nicht gezeigt), die in ein Fixierloch 1452 eingeschraubt ist, verhindert eine axiale und eine Dreh-Relativbewegung der oberen Spindel 1400 und des Kupplungsteils 1402.
Wie aus den 50 und 51 hervorgeht, weist das zweite Loch 1442 des Kupplungsteils 1402 solche Abmessungen auf, dass es ein erstes Ende 1454 des abnehmbaren Rührers 1404 aufnimmt. Ein Stift 1456, der in das erste Ende 1454 des abnehmbaren Rührers eingebettet ist, arbeitet mit einem Verriegelungsmechanismus 1458 zusammen, der sich auf dem Kupplungsteil 1402 befindet, um eine Relativdrehung des Kupplungsteils 1402 und des abnehmbaren Rührers 1404 zu verhindern. Der Verriegelungsmechanismus 1458 weist eine Axialnut 1460 auf, die in einer Innenoberfläche 1462 des Kupplungsteils vorgesehen ist. Die Nut 1460 verläuft von einem Eingang 1464 des zweiten Loches 1442 zu einem Querabschnitt 1466 eines Schlitzes 1468, der durch eine Wand 1470 des Kupplungsteils 1402 geschnitten ist.
Wie in 52 gezeigt, die eine Querschnittsansicht des Kupplungsteils 1402 entlang einer Schnittlinie 1472 ist, verläuft der Querabschnitt 1466 des Schlitzes 1468 um etwa 60 Grad um den Umfang des Kupplungsteils 1402 herum bis zu einem Axialabschnitt 1474 des Schlitzes 1468. Um den abnehmbaren Rührer 1404 mit dem Kupplungsteil 1402 zu verbinden, wird das erste Ende 1454 des abnehmbaren Rührers 1404 in das zweite Loch 1442 eingeführt, und dann gedreht, so dass sich der Stift 1456 in der Axialnut 1460 und im Querabschnitt 1466 des Schlitzes 1468 bewegt. Eine Feder 1476, die zwischen dem Kupplungsteil 1402 und einer Schulter 1478 angebracht ist, die auf dem Umfang des abnehmbaren Rührers 1404 vorgesehen ist, zwingt den Stift 1456 in den Axialabschnitt 1474 des Schlitzes 1468.
Eine alternative Konstruktion für die mehrstückige Spindel 1314 ist in 50A gezeigt, und weist einen oberen Spindelabschnitt 1400 auf, ein Kupplungsteil 1402, und einen abnehmbaren Rührer 1404. Die Einzelheiten dieser alternativen Konstruktion sind in 50B dargestellt. Diese alternative Konstruktion stellt im wesentlichen einen Federverriegelungsmechanismus dar, der ein schnelles Abnehmen des abnehmbaren Rührers 1404 ermöglicht. Der abnehmbare Rührer 1404 wird mit dem Kupplungsmechanismus durch eine Gruppe von Kugeln 2001 verriegelt, die in einer Nut in dem abnehmbaren Rührer 1404 durch einen Kragen 2002 gehalten werden, der ein Teil des Kupplungsteils 1402 ist. Der abnehmbare Rühr 1404 wird dadurch freigegeben, dass der Kragen 2002 gegen eine Feder 2003 zurückgezogen wird, und die Kugeln 2001 in eine Tasche in dem Kragen 2002 fallen, so dass der abnehmbare Rührer freigegeben wird.
Parallele Druckreaktorsteuerung und Analyse
53 zeigt eine Implementierung eines Systems auf Computergrundlage zur Überwachung des Fortschritts und der Eigenschaften mehrerer Reaktionen in-situ. Das Reaktorsteuersystem 1500 schickt Steuerdaten 1502 an den Reaktor 1506, und empfängt Versuchsdaten 1504 von diesem. Wie dies nachstehend genauer erläutert wird, ist bei einer Ausführungsform der Reaktor 1506 ein paralleler Polymerisationsreaktor, und umfassen die Steuerdaten 1502 und die Versuchsdaten 1504 Einstellpunktwerte für Temperatur, Druck, Zeit und Rührgeschwindigkeit, sowie gemessene Versuchswerte von Temperatur und Druck. Alternativ kann bei anderen Ausführungsformen der Reaktor 1506 jede andere Art eines Parallelreaktors oder herkömmlichen Reaktors sein, und können die Daten 1502, 1504 andere Steuerdaten oder Versuchsdaten umfassen. Ein Systemsteuermodul 1508 versorgt den Reaktor 1506 mit Steuerdaten 1502 auf Grundlage von Systemparametern, die von dem Benutzer über Benutzer-I/O-Einrichtungen 1510 erhalten werden, beispielsweise einen Anzeigemonitor, eine Tastatur, oder eine Maus. Alternativ kann das Systemsteuermodul 1508 Steuerdaten 1502 aus einem Speicher 1512 zurückholen.
Das Reaktorsteuersystem 1500 akquiriert Versuchsdaten 1504 vom Reaktor 1506, und verarbeitet die Versuchsdaten im Systemsteuermodul 1508 und im Datenanalysemodul 1514, gesteuert durch den Benutzer über ein Benutzerschnittstellenmodul 1516. Das Reaktorsteuersystem 1500 zeigt die verarbeiteten Daten sowohl numerisch als auch graphisch an, über das Benutzerschnittstellenmodul 1516 und Benutzer-I/O-Einrichtungen 1510, und wahlweise durch einen Drucker 1518.
54 erläutert eine Ausführungsform des Reaktors 1506, bei welchem Druck, Temperatur und Mischintensität automatisch kontrolliert und überwacht werden. Der Reaktor 1506 umfasst einen Reaktorblock 1540, der abgedichtete Reaktorbehälter 1542 zur Aufnahme von Reagenzien aufweist. Bei einer Ausführungsform ist der Reaktorblock 1540 eine einzelne Einheit, die jeden der Reaktorbehälter 1542 enthält. Alternativ kann der Reaktorblock 1540 eine Anzahl an Reaktorblockmodulen enthalten, von denen jedes eine Anzahl an Reaktorbehältern 1542 enthält. Der Reaktor 1506 weist ein Mischsteuer- und Überwachungssystem 1554 auf, ein Temperatursteuer- und Überwachungssystem 1546, sowie ein Drucksteuer- und Überwachungssystem 1548. Diese Systeme kommunizieren mit dem Reaktorsteuersystem 1500.
Die Einzelheiten des Mischsteuer- und Überwachungssystems 1544 sind in 55 dargestellt. Jeder der Reaktorbehälter 1542 enthält einen Rührer 1570 zum Mischen des Behälterinhalts. Bei einer Ausführungsform sind Rührer 1570 Rührschaufeln, die auf Spindeln 1572 angebracht und durch Motoren 1574 angetrieben werden. Getrennte Motoren 1574 können die einzelnen Rührer 1570 steuern; alternativ können Motoren 1574 Gruppen von Rührern 1570 steuern, die Reaktorbehältern 1542 in getrennten Reaktorblöcken zugeordnet sind. Bei einer anderen Ausführungsform können magnetische Rührstäbe oder bekannte Rührmechanismen verwendet werden. Das Systemsteuermodul 1508 liefert Mischsteuersignale an Rührer 1570 über eine Schnittstelle 1576, 1578, und eine oder mehrere Motorkarten 1580. Die Schnittstelle 1576, 1578 kann einen kommerziellen Motortreiber 1576 und Motorschnittstellen-Software 1578 aufweisen, die zusätzliche Motorsteuerung auf hohem Niveau zur Verfügung stellt, beispielsweise die Fähigkeit, Motorkarten 1580 zu initialisieren, bestimmte Motoren oder Motorachsen zu steuern (wenn jeder Motor 1580 einen getrennten Reaktorblock steuert), die Geschwindigkeit und Beschleunigung der Motoren einzustellen, und einen bestimmten Motor und eine bestimmte Motorachse zu ändern oder anzuhalten.
Das Mischsteuer- und Überwachungssystem 1544 kann auch Drehmomentmonitore 1582 aufweisen, die das eingesetzte Drehmoment in jedem der Reaktorbehälter 1542 überwachen. Geeignete Drehmomentmonitore 1582 können optische Sensoren und Magnetfeldsensoren umfassen, die auf Spindeln 1572 angebracht sind, oder Dehnungsmessstreifen (nicht gezeigt), die direkt das eingesetzte Drehmoment messen, und Drehmomentdaten an das Systemsteuermodul 1508 und das Datenanalysemodul 1514 liefern. Die Monitore 1582 können auch Kodierer, Drehmelder, Halleffektsensoren und dergleichen umfassen, die in die Motoren 1574 eingebaut sein können. Diese Monitore messen die Leistung, die dazu benötigt wird, eine konstante Umdrehungsgeschwindigkeit einer Spindel 1572 aufrecht zu erhalten, und die in Beziehung zum eingesetzten Drehmoment steht.
In 56 weist das Temperatursteuer- und Überwachungssystem 1546 einen Temperatursensor 1600 und ein Heizelement 1602 auf, die jedem Reaktorbehälter 1542 zugeordnet sind, und durch eine Temperatursteuerung 1604 gesteuert werden. Geeignete Heizelemente 1602 können Dünnfadenwiderstandsheizungen, thermoelektrische Einrichtungen, Thermistoren, oder andere Einrichtungen zum Regeln der Be hältertemperatur umfassen. Heizelemente können Einrichtungen zum Kühlen, und ebenso zum Erwärmen der Reaktorbehälter 1542 aufweisen. Die Systemsteuereinheit 1508 überträgt Temperatursteuersignale an Heizelemente 1602 über eine Schnittstelle 1606, 1608 und die Temperatursteuerung 1604. Die Schnittstelle 1606, 1608 kann einen kommerziellen Temperatureinrichtungstreiber 1606 aufweisen, der so implementiert ist, dass er Hardware wie eine RS232-Schnittstelle verwendet, sowie Temperaturschnittstellen-Software 1608, die zusätzliche Kommunikation auf hohem Niveau mit der Temperatursteuerung 1604 zur Verfügung stellt, beispielsweise die Fähigkeit, den jeweiligen Kommunikationsanschluss zu steuern, Temperatureinstellpunkte an die Temperatursteuerung 1604 zu schicken, und Temperaturdaten von der Temperatursteuerung 1604 zu empfangen.
Geeignete Temperatursensoren 1600 können Thermoelemente umfassen, thermoelektrische Widerstandseinrichtungen, Thermistoren, oder andere Temperaturmesseinrichtungen. Die Temperatursteuerung 1604 empfängt Signale von den Temperatursensoren 1600, und schickt Temperaturdaten an das Reaktorsteuersystem 1500. Nach Ermittlung, dass eine Erhöhung oder Verringerung der Reaktorbehältertemperatur sinnvoll ist, schickt das Systemsteuermodul 1508 Temperatursteuersignale an Heizelemente 1602 über die Heizsteuerung 1604. Diese Ermittlung kann auf Temperaturparametern beruhen, die von den Benutzern über das Benutzerschnittstellenmodul 1516 eingegeben werden, oder auf Parametern, die von dem Systemsteuermodul 1508 aus dem Speicher geholt werden. Das Systemsteuermodul 1508 kann auch Information verwenden, die von Temperatursensoren 1600 empfangen wird, um zu bestimmen, ob eine Erhöhung oder Verringerung der Reaktorbehältertemperatur erforderlich ist.
Wie in 57 gezeigt, weist das Drucksteuer- und Überwachungssystem 1548 einen Drucksensor 1630 auf, der jedem Reaktorbehälter 1542 zugeordnet ist. Jeder Reaktorbehälter 1542 ist mit einem Gaseinlass/Auslass 1632 versehen, der durch Ventile 1634 gesteuert wird. Das Systemsteuermodul 1508 steuert den Reaktorbehälterdruck über eine Druckschnittstelle 1636, 1638 und eine Drucksteuerung 1640. Die Druckschnittstelle 1636, 1638 kann als Hardware, Software oder eine Kombination hieraus implementiert sein. Die Drucksteuerung 1640 überträgt Drucksteuersignale an Ventile 1634, wodurch ermöglicht wird, dass Gase in Reaktorbehälter 1542 hinein gelangen oder diese verlassen, über den Einlass/Auslass 1632 je nach Erfor dernis, um den Reaktorbehälterdruck auf einem Niveau zu halten, das vom Benutzer über die Benutzerschnittstelle 1516 eingestellt wird.
Drucksensoren 1630 erhalten Druckablesungen von Reaktorbehältern 1542, und übertragen Druckdaten an das Systemsteuermodul 1508 und das Datenanalysemodul 1514 über die Drucksteuerung 1640 und die Schnittstelle 1636, 1638. Das Datenanalysemodul 1514 verwendet die Druckdaten bei Berechnungen, beispielsweise der Bestimmung der Produktionsrate gasförmiger Reaktionsprodukte, oder der Rate des Verbrauchs gasförmiger Reaktanden, wie dies nachstehend genauer erläutert wird. Das Systemsteuermodul 1508 verwendet die Druckdaten zur Bestimmung, wann Einstellungen des Reaktorbehälterdrucks erforderlich sind, wie nachstehend erläutert.
58 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Betriebs eines Reaktorsteuersystems 1500. Der Benutzer initialisiert das Reaktorsteuersystem 1500 durch Einstellung der ursprünglichen Reaktionsparameter, beispielsweise Einstellpunkte für Temperatur, Druck und Rührgeschwindigkeit und die Dauer des Experiments, und durch Auswahl der geeigneten Hardwarekonfiguration für das Experiment (Schritt 1660). Der Benutzer kann auch andere Reaktionsparameter einstellen, die beispielsweise eine Zeit umfassen können, zu welcher zusätzliche Reagenzien, etwa ein flüssiges Comonomer in einem Copolymerisationsexperiment, den Reaktionsbehältern 1552 zugefügt werden sollten, oder einen Umwandlungssollprozentsatz, bei welchem ein Quenchmittel hinzugefügt werden sollte, um ein katalytisches Polymerisationsexperiment zu beenden. Alternativ kann das Reaktorsteuersystem 1500 Anfangsparameter aus dem Speicher 1512 laden. Der Benutzer startet das Experiment (Schritt 1662). Das Reaktorsteuersystem 1500 schickt Steuersignale an den Reaktor 110, und veranlasst Motor-, Temperatur- und Drucksteuersysteme 1544, 1546 und 1548 dazu, die Reaktorbehälter 1542 auf Einstellpunktniveaus zu bringen (Schritt 1664).
Das Reaktorsteuersystem 1500 nimmt Datenproben über das Mischüberwachungssystem 1544, das Temperaturüberwachungssystem 1546, und das Drucküberwachungssystem 1548, bei Abtastraten, die von dem Benutzer eingegeben werden können (Schritt 1666). Das Reaktorsteuersystem 1500 kann Prozesssteuerung durch Untersuchung der Versuchsdaten, einschließlich der abgetasteten Temperatur, des abgetasteten Drucks oder der abgetasteten Drehmomentwerte, sowie die verstrichene Zeit, im Vergleich zu Anfangsparametern untersuchen (Schritt 1668). Auf der Grundlage dieser Eingaben schickt das Reaktorsteuersystem 1500 neue Steuersigna le an die Misch-, Temperatur- und/oder Drucksteuer- und Überwachungssysteme des Reaktors 1506 (Schritte 1670, 1664). Diese Steuersignale können auch Anweisungen an einen Materialhandhabungsroboter umfassen, Material hinzuzufügen, beispielsweise ein Reagenz oder ein Katalysator-Quenchmittel, zu einem oder mehreren Reaktorbehältern, auf Grundlage von Versuchsdaten wie der verstrichenen Zeit oder des Umwandlungsprozentsatzes, der so wie nachstehend erläutert berechnet wird. Der Benutzer kann auch neue Parameter im Verlauf des Experiments eingeben, beispielsweise Änderungen der Motorgeschwindigkeit, Einstellpunkte für Temperatur oder Druck, oder Steuerparameter für die Beendigung, beispielsweise die Versuchszeit oder den Sollwert für die prozentuale Umwandlung (Schritt 1672), wodurch auch das Reaktorsteuersystem 1500 veranlasst werden kann, neue Steuersignale an den Reaktor 1506 zu schicken (Schritte 1672, 1670, 1664).
Das Datenanalysemodul 1514 führt geeignete Berechnungen bei den abgetasteten Daten durch (Schritt 1674), wie dies nachstehend erläutert wird, und die Ergebnisse werden auf dem Monitor 1510 angezeigt (Schritt 1676). Berechnete Ergebnisse und/oder abgetastete Daten können im Datenspeicher 1512 für eine spätere Anzeige und Untersuchung gespeichert werden. Das Reaktorsteuersystem 1500 stellt fest, ob das Experiment fertig ist, beispielsweise durch Ermittlung, ob die Zeit für das Experiment abgelaufen ist (Schritt 1678). Das Reaktorsteuersystem 1500 kann auch feststellen, ob die Reaktion, die in einem oder mehreren der Reaktorbehälter 1542 stattfindet, einen vorgegebenen Sollwert für die Umwandlung erreicht hat, auf Grundlage der im Schritt 1674 berechneten Ergebnisse; in diesem Fall veranlasst das Reaktorsteuersystem 1500 die Hinzufügung eines Quenchmittels zu dem betreffenden Reaktorbehälter oder den betreffenden Reaktorbehältern, wie voranstehend erläutert, wodurch die Reaktion in diesem Behälter aufhört. Für irgendwelche verbleibenden Reaktorbehälter tastet das Reaktorsteuersystem 1500 zusätzliche Daten ab (Schritt 1666), und der Zyklus beginnt neu. Wenn alle Reaktorbehälter 1542 im Reaktorblock 1540 eine festgelegte Beendigungsbedingung erreicht haben, ist das Experiment fertig (Schritt 1680). Der Benutzer kann auch die Reaktion dadurch zur Beendigung veranlassen, dass er mit dem Experiment zu irgendeinem Zeitpunkt aufhört. Es wird darauf hingewiesen, dass die in 58 dargestellten Schritte nicht notwendigerweise in der gezeigten Reihenfolge durchgeführt werden; statt dessen kann der Betrieb des Reaktorsteuersystems 1500 durch Ereignisse veranlasst werden, beispielsweise in Reaktion auf Benutzerereignisse, beispielsweise Änderungen von Reaktionsparametern, oder in Reaktion auf vom System erzeugte, periodische Ereignisse.
Analyse von Versuchsdaten
Die Art von Berechnung, die vom Datenanalysemodul 1514 (Schritt 1674) durchgeführt wird, hängt von der Art des Experiments ab. Wie voranstehend erläutert empfängt, während ein Experiment durchgeführt wird, das Reaktorsteuersystem 1500 periodisch Temperatur-, Druck- und/oder Drehmomentdaten vom Reaktor 1506 bei Abtastraten, die vom Benutzer eingestellt sind (Schritt 1666). Das Systemsteuermodul 1508 und das Datenanalysemodul 1514 verarbeiten die Daten zur Verwendung bei der Überprüfung von Materialien, oder zur Durchführung quantitativer Berechnungen, und zur Anzeige durch das Benutzerschnittstellenmodul 1516 in derartigen Formaten wie jenen, die in den 63, 64 und 65 gezeigt sind.
Das Reaktorsteuersystem 1500 verwendet Temperaturmessungen von Temperatursensoren 1600 als Überprüfungskriterien, oder zur Berechnung nützlicher Prozess- und Produktvariablen. So werden beispielsweise bei einer Implementierung Katalysatoren exothermer Reaktionen in eine Rangfolge gebracht, in Abhängigkeit von der Reaktionsspitzentemperatur, die innerhalb jedes Reaktorbehälters erreicht wird, Temperaturänderungsraten im Verlauf der Zeit, oder der Gesamtwärme, die im Verlauf der Reaktion freigesetzt wird. Typischerweise sind die besten Katalysatoren einer exothermen Reaktion jene, die in Kombination mit einer Gruppe von Reaktanden zur stärksten Wärmeerzeugung in der kürzesten Zeit führen. Bei anderen Implementierungen verwendet das Reaktorsteuersystem 1500 Temperaturmessungen zur Berechnung von Raten der Reaktion und der Umwandlung.
Zusätzlich zur Verarbeitung von Temperaturdaten als Werkzeug für die Überprüfung verwendet bei einer anderen Im plementierung das Reaktorsteuersystem 1500 die Temperaturmessung, kombiniert mit geeignetem Wärmebetrieb und der Auslegung des Reaktorsystems, um quantitative kalorimetrische Daten zu erhalten. Aus derartigen Daten kann das Reaktorsteuersystem 1500 beispielsweise die instantane Umwandlungs- und Reaktionsrate berechnen, Phasenübergänge auffinden (beispielsweise Schmelzpunkt, Gasübergangstemperatur), von Reaktionsprodukten, oder latente Wärmen messen, um Strukturinformation von Polymermaterialien hieraus abzuleiten, einschließlich des Ausmaßes der Kristallinität und der Verzweigung. In Bezug auf Einzelheiten der Messung und Verwendung kalorimetrischer Daten vergleiche die Beschreibung im Zusammenhang mit 9 und den Gleichungen I–V.
Das Reaktorsteuersystem 1500 kann auch Mischvariablen wie beispielsweise das eingesetzte Rührschaufeldrehmoment überwachen, um die Viskosität der Reaktionsmischung und verwandte Eigenschaften zu bestimmen. Das Reaktorsteuersystem 1500 kann derartige Daten dazu verwenden, die Umwandlung des Reaktanden zu überwachen, und Materialien auf Grundlage des Molekulargewichts oder der Teilchengröße in eine Rangordnung zu bringen, oder zu charakterisieren. Vergleiche beispielsweise die voranstehende Beschreibung der Gleichungen VI–VIII.
Das Reaktorsteuersystem 1500 kann auch Reaktionskinetik durch Überwachung von Druckänderungen infolge von Erzeugung oder Verbrauch verschiedener Gase während der Reaktion beurteilen. Das Reaktorsteuersystem 1500 verwendet Drucksensoren 1630 zur Messung von Änderungen des Drucks in jedem Reaktorbehälter-Kopfraum, nämlich jenem Volumen innerhalb jedes Behälters, das die flüssigen Reagenzien von der abgedichteten Kappe des Behälters trennt. Während der Reaktion spiegeln irgendwelche Änderungen des Kopfraumdrucks, bei konstanter Temperatur, Änderungen der Gasmenge wieder, die in dem Kopfraum vorhanden ist. Wie voranstehend geschildert (Gleichung XI) verwendet das Reaktorsteuersystem 1500 diese Druckdaten zur Bestimmung der molaren Produktion oder Verbrauchsrate r_i eines gasförmigen Bestandteils.
Betrieb eines Reaktorsteuersystems
In 59 empfängt das Reaktorsteuersystem 1500 Systemkonfigurationsinformation von dem Benutzer über ein Systemkonfigurationsfenster 1700, das auf dem Monitor 1510 angezeigt wird. Das Systemkonfigurationsfenster 1700 ermöglicht es dem Benutzer, die geeigneten Hardwarebestandteile für ein Experiment festzulegen. So kann beispielsweise der Benutzer die Anzahl an Motorkarten 1580 auswählen, und die Anzahl an Motorachsen pro Karte im Motor-Unterfenster 1702 festlegen. Das Temperatursteuerungs-Unterfenster 1704 ermöglicht es dem Benutzer, die Anzahl getrennter Temperatursteuerungen 1604 und die Anzahl an Reaktorbehältern (die Anzahl an Rückkopplungsregelschleifen) pro Steuerung auszuwählen. Im Drucksensor-Unterfenster 1706 kann der Benutzer die Anzahl an Druckkanälen entsprechend der Anzahl an Reaktorbehältern im Reaktor 1506 einstellen. Der Benutzer kann sich auch die voreingestellten Sicherheitsgrenzen für die Motorgeschwindigkeit, die Temperatur und den Druck über das System konfigurationsfenster 1700 ansehen.
Wie in 60 gezeigt, empfängt das Reaktorsteuersystem 1500 Datenanzeigeinformation von dem Benutzer durch das Systemoptionsfenster 1730. Der Anzeigeintervalldialog 1732 lässt den Benutzer das Auffrischungsintervall für die Datenanzeige einstellen. Der Benutzer kann die Anzahl an Temperatur- und Druckdatenpunkten, die im Speicher belassen werden, im Datenpunkt-Unterfenster 1734 einstellen.
Zu jedem Zeitpunkt vor oder während eines Experiments kann der Benutzer Reaktionsparameter für jeden Reaktorbehälter 1542 im Reaktorblock 1540 eingeben oder abändern, unter Verwendung des Reaktoreinstellfensters 1760, das in 61 gezeigt ist. Im Moduleinstellungs-Untertenster 1762 kann der Benutzer eine Motorgeschwindigkeit (abhängig von irgendwelchen, voreingestellten Sicherheitsgrenzen) einstellen, und kann auch einen Motorbetrieb in einer oder beiden Richtungen auswählen. Der Benutzer kann Temperaturparameter im Temperatureinstellungs-Unterfenster 1764 festlegen. Diese Parameter umfassen den Temperatureinstellpunkt 1766, Abschalttemperatur 1768, Abtastrate 1770, sowie die Einheiten für die Temperaturmessung, und Temperatursteuerungsbetriebsarten. Durch Auswahl das Gradientenknopfes 1772 kann der Benutzer auch einen Temperaturgradienten einstellen, wie dies nachstehend erläutert wird. Druckparameter, einschließlich eines Druckeinstellpunkts und der Abtastrate, können im Druckeinstellungs-Unterfenster 1774 eingestellt werden. Die Unterfenster 1762, 1764 und 1774 können auch Sicherheitsgrenzen für Motorgeschwindigkeit, Temperatur bzw. Druck anzeigen. Die in 61 dargestellten Werte sollen die vorliegende Erfindung nicht einschränken, und sind nur zur Erläuterung gedacht. Das Reaktoreinstellfenster 1760 lässt den Benutzer auch eine Zeit für die Dauer des Experiments einstellen. Das Reaktoreinstellfenster 1760 lässt den Benutzer irgendwelche Einstellungen als Standards für den zukünftigen Gebrauch speichern, und vorher gespeicherte Einstellungen laden.
62 erläutert die Einstellung eines Temperaturgradienten, eingeleitet durch die Auswahl des Gradientenknopfes 1772. Im Gradienteneinstellfenster 1800 kann der Benutzer einen Temperaturgradienten über den Reaktor 1506 dadurch einstellen, dass er unterschiedliche Temperatureinstellpunkte 1802 für jedes Reaktorblockmodul eines Reaktors 1506 mit mehreren Blöcken eingibt. Wie bei anderen Einstellungspa rametern, können derartige Temperaturgradienten im Reaktoreinstellfenster 1760 gespeichert werden.
Gemäß 63 kann der Benutzer ein Experiment im Reaktionsfenster 1830 überwachen. Das Systemzustands-Unterfenster 1832 zeigt den momentanen Systemzustand an, sowie den Zustand der Hardwarekomponenten, die im Systemkonfigurationsfenster 1700 ausgewählt werden. Das Einstell-Unterfenster 1834 und das Zeit-Unterfenster 1836 zeigen die momentanen Parametereinstellungen und die Zeit an, die im Reaktoreinstellfenster 1760 ausgewählt wurden, sowie die bei dem Experiment verlaufende Zeit. Versuchsergebnisse werden im Datenanzeige-Unterfenster 1838 angezeigt, das einen zweidimensionalen Array 1840 zur numerischen Anzeige von Datenpunkten entsprechend jedem Reaktorbehälter 1542 im Reaktor 1506 aufweist, und eine Graphikanzeige 1842 zur Farbanzeige der im Array 1840 angezeigten Datenpunkte. Die Farbanzeige 1842 kann die Form eines zweidimensionalen Arrays aus Reaktorbehältern annehmen, oder eines dreidimensionalen Farbhistogramms 1870, gezeigt in 64. Der Farbbereich für die Graphikanzeige 1842 und das Histogramm 1870 wird in einer Legende 1872 bzw. 1874 angezeigt. Das Datenanzeige-Unterfenster 1838 kann entweder Temperaturdaten oder Umwandlungsdaten anzeigen, die wie voranstehend geschildert aus Druckmessungen berechnet wurden. In jedem Fall werden die angezeigten Daten mit jener Rate aufgefrischt, die in dem Systemoptionsfenster 1730 eingestellt wurde.
Durch Auswahl eines bestimmten Reaktorbehälters 1542 im Datenanzeige-Unterfenster 1838 kann der Benutzer ein detailliertes Datenfenster 1900 für diesen Behälter betrachten, wie in 65 gezeigt. Das Datenfenster 1900 stellt eine Graphikanzeige von Versuchsergebnissen zur Verfügung, einschließlich beispielsweise Daten in Bezug auf Temperatur, Druck, Umwandlung und Molekulargewicht für diesen Behälter für die Dauer des Experiments.
Wie wiederum aus 64 hervorgeht, lässt die Werkzeugleiste 1876 den Benutzer Reaktionsparameter (durch Eingabe in das Reaktoreinstellfenster 1760) und eine Farbskalierung für die Farbanzeigen 1842 und 1870 einstellen. Der Benutzer kann auch ein Experiment anfangen oder beenden, Ergebnisse speichern, und das System 1500 verlassen, unter Verwendung der Werkzeugleiste 1876. Der Benutzer kann irgendwelche Beobachtungen oder Kommentare in den Kommentarkasten 1878 eingeben. Kommentare und Beobachtungen des Benutzers können zusammen mit Versuchsergebnissen gespeichert werden.
Wie aus 66 hervorgeht, kann der Benutzer die Farbskalierung für Farbanzeigen 1842 und 1870 über das Farbskalierfenster 1920 einstellen. Das Farbskalierfenster 1920 lässt den Benutzer einen Farbbereich entsprechend der Temperatur oder der Umwandlung im Farbbereichs-Unterfenster 1922 auswählen. Der Benutzer kann auch einen Farbgradienten, entweder linear oder exponentiell, über das Farbgradienten-Unterfenster 1924 einstellen. Das Farbskalierfenster 1920 zeigt den ausgewählten Maßstab in der Farblegende 1926 an.
Die Erfindung kann als digitale Elektronikschaltung, oder als Computerhardware, Firmware, Software, oder Kombinationen hieraus verwirklicht werden. Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann in einem Computerprogrammprodukt implementiert sein, das wahrnehmbar in einer maschinenlesbaren Speichereinrichtung zur Ausführung durch einen programmierbaren Prozessor verwirklicht ist, und Verfahrensschritte der Erfindung können durch einen programmierbaren Prozessor durchgeführt werden, der ein Programm aus Befehlen zur Durchführung von Funktionen der Erfindung mittels Operationen bei Eingangsdaten und durch Erzeugung von Ausgangswerten ausführt. Die Erfindung kann vorteilhaft in einem oder mehreren Computerprogrammen implementiert sein, die auf einem programmierbaren System ausführbar sind, einschließlich zumindest eines programmierbaren Prozessors, der so angeschlossen ist, dass er Daten und Befehle von einem Datenspeichersystem empfängt, und Daten und Befehle an dieses überträgt, zumindest eine Eingabeeinrichtung, und zumindest eine Ausgabeeinrichtung. Jedes Computerprogramm kann in einer prozeduralen oder Objekt-orientierten Programmsprache auf hohem Niveau implementiert sein, oder in Assemblersprache oder in Maschinensprache, falls gewünscht; und in jedem Fall kann die Sprache eine kompilierte oder interpretierte Sprache sein.
Geeignete Computerprogramme in den Modulen 1508 und 1514 können in solchen Klassen implementiert sein, wie sie in den folgenden Tabellen angegeben sind. (der Präfix "o" in einem Namen gibt an, dass die zugehörige Eigenschaft ein Benutzerdefiniertes Objekt ist; der Präfix "c" in einem Namen gibt an, dass die entsprechende Eigenschaft eine Sammlung ist).
1. Anwendungs-Klasse Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
2. Farbskala-Klasse Elternklasse: Anwendung Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
3. Farblegenden-Klasse Elternklasse: Farbskala Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
4. System-Klasse Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
5. ExpTiming-Klasse Elternklasse: System Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
6. Anzeigezeitgeber-Klasse Elternklasse: System Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
7. Alarm-Klasse Elternklasse: System Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
8. Motoren-Klasse Elternklasse: System Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
9. Motorachsen-klasse Elternklasse: Motoren Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
10. Motorparam-Klasse Elternklasse: Motoren Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
11. Heizvorrichtungen-Klasse Elternklasse: System Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
12. HeaterCtlr-Klasse Elternklasse: Heizvorrichtungen Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
13. HeaterParam-Klasse Elternklasse: HeaterCtlr Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
14. HeaterData-Klasse Elternklasse: Heizvorrichtungen Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
15. Pressures-Klasse Elternklasse: System Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
16. PressureParam-Klasse Elternklasse: Drucke Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
17. PressureData-Klasse Elternklasse: Drucke Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
18. ErrorHandler-Klasse Eigenschaftstabelle
Verfahrenstabelle
Geeignete Prozessen umfassen beispielsweise sowohl allgemeine als auch Spezial-Mikroprozessoren. Im allgemeinen empfängt in Prozessor Befehle und Daten von einem Nur-Lesespeicher und/oder einem Speicher mit wahlfreiem Zugriff. Speichereinrichtungen, die zur fühlbaren Ausführung von Computerprogrammbefehlen und Daten geeignet sind, umfassen alle Arten nicht-flüchtiger Speicher, einschließlich beispielsweise Halbleiterspeichereinrichtungen wie EPROM, EEPROM, und Flash-Speichereinrichtungen; Magnetplatten wie interne Festplatten und entfernbare Platten; magnetooptische Disketten; und CD-ROM-Disketten. Jede der voranstehenden Einrichtungen kann durch ASICs (Anwendungs-spezifische integrierte Schaltungen) ergänzt oder in solche eingebaut sein.
Zur Bereitstellung der Wechselwirkung mit einem Benutzer kann die Erfindung bei einem Computersystem implementiert sein, das eine Anzeigeeinrichtung wie einen Monitor oder einen LCD-Bildschirm aufweist, um dem Benutzer Information anzuzei gen, sowie eine Tastatur und eine Zeigereinrichtung wie eine Maus oder einen Trackball, mit welcher der Benutzer Eingaben in das Computersystem vornehmen kann. Das Computersystem kann so programmiert sein, dass es eine graphische Benutzerschnittstelle zur Verfügung stellt, über welche die Wechselwirkung zwischen Computerprogrammen und Benutzern erfolgt.
Ein Beispiel für eine derartige Art von Computer ist in 67 gezeigt, die ein Blockschaltbild eines programmierbaren Verarbeitungssystem 1950 zeigt, das zum Implementieren oder Durchführen der Einrichtung oder Verfahren der Erfindung geeignet ist. Das System 1950 weist einen Prozessor 1952 auf, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 1954, einen Programmspeicher 1956 (beispielsweise einen beschreibbaren Nur-Lesespeicher (ROM), etwa einen Flash-ROM), eine Festplattensteuerung 1958, und eine Steuerung 1960 für Eingabe/Ausgabe (I/O), verbunden durch einen Bus 1962 eines Prozessors (CPU). Das System 1950 kann beispielsweise im ROM vorprogrammiert sein, oder kann dadurch programmiert (und erneut programmiert) werden, dass ein Programm von einer anderen Quelle geladen wird (beispielsweise von einer Floppydisk, einer CD-ROM, oder von einem anderen Computer).
Die Festplattensteuerung 1958 ist an eine Festplatte 1964 angeschlossen, die zum Speichern ausführbarer Computerprogramme geeignet ist, einschließlich von Programmen, welche die vorliegende Erfindung verwirklichen, sowie von Daten, welche die Bilder, Masken, reduzierten Datenwerte und berechneten Ergebnisse enthalten, die bei der Erfindung verwendet und von dieser erzeugt werden. Die I/O-Steuerung 1960 ist mit Hilfe eines I/O-Busses 1966 an eine I/O-Schnittstelle 1968 angeschlossen. Die I/O-Schnittstelle 1968 empfängt und sendet Daten in analoger oder digitaler Form über Kommunikationsverbindungen, beispielsweise eine serielle Verbindung, ein Lokalbereichsnetzwerk, eine drahtlose Verbindung, und eine parallele Verbindung. Weiterhin sind an den I/O-Bus 1966 eine Anzeige 1970 und eine Tastatur 1972 angeschlossen. Alternativ können getrennte Verbindungen (getrennte Busse) für die I/O-Schnittstelle 1966, die Anzeige 1970 und die Tastatur 1972 verwendet werden.
Die Erfindung wurde anhand bestimmter Ausführungsformen beschrieben. Andere Ausführungsformen fallen in den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche. Obwohl Elemente der Erfindung anhand einer Softwareimplementierung beschrieben werden, kann die Erfindung als Software oder Hardware oder Firmware implementiert sein, oder durch jede Kombination aus diesen dreien. Darüber hinaus können die Schritte der Erfindung in einer unterschiedlichen Reihenfolge durchgeführt werden, und immer noch wünschenswerte Ergebnisse erzielen.
Darüber hinaus soll die voranstehende Beschreibung erläuternd und nicht einschränkend sein. Zahlreiche Ausführungsformen und zahlreiche Anwendungen über die bereitgestellten Beispiele hinaus werden Fachleuten auf diesem Gebiet beim Lesen der voranstehenden Beschreibung auffallen. Der Geltungsbereich der Erfindung sollte deshalb nicht in Hinblick auf die Beschreibung sondern stattdessen mit Bezug auf die beiliegenden Patentansprüche bestimmt werden.

Claims

Reaktorsystem für kombinatorische Chemie zur parallelen Verarbeitung von Reaktionsgemischen, wobei das System umfasst: abgedichtete Gefäße, um Reaktionsgemische aufzunehmen, und mehrteilige Spindeln, um die Reaktionsgemische in den abgedichteten Gefäßen umzurühren, wobei jede mehrteilige Spindel einen metallischen oberen Spindelbereich, einen Plastikrührer, und eine Koppelvorrichtung zum lösbaren Koppeln des Plastikrührers an den metallischen oberen Spindelbereich an einer Stelle, wo sich der Rührer in ein entsprechendes Gefäß nach unten erstreckt, umfasst, wobei der Plastikrührer nach einem Mischvorgang von der Koppelvorrichtung lösbar ist, um einen Wechsel des Rührers zu erlauben.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 1, worin der Rührer aus chemisch resistentem Plastikmaterial hergestellt ist und einen Schaft und eine Mischschaufel auf dem Schaft umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 2, worin das chemisch resistente Plastikmaterial ein Perfluorelastomer oder Polyethylethylketon oder Polytetrafluorethylen ist.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 2, worin die Koppelvorrichtung an dem oberen Spindelbereich angebracht ist, und worin der Schaft des Rührers ein Element zum schnellen Verbinden/Trennen hat, das für die lösbare Verbindung mit der Koppelvorrichtung ausgelegt ist.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 4, worin das Element zum schnellen Verbinden/Trennen eine umlaufende Ausnehmung um den Schaft zur Aufnahme einer oder mehrerer Arretierungen in der Koppelvorrichtung umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 1, das weiterhin ein Antriebssystem zum Drehen der mehrteiligen Spindel umfasst, um den Inhalt der Gefäße zu vermischen.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 6, worin das Antriebssystem einen Antriebsmechanismus, der außerhalb der Gefäße angeordnet ist, und Magnetdurchführungsvorrichtungen zum magnetischen Koppeln des Antriebsmechanismusses an den oberen Spindelbereich der mehrteiligen Spindeln umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 7, worin der Antriebsmechanismus einen Getriebezug zum Drehen der jeweiligen magnetischen Durchführungsvorrichtung, und einen Motor zum Rotieren von Zahnrädern des Getriebezuges umfasst, um eine gemeinsame Rotation der mehrteiligen Spindeln bei Geschwindigkeit mit bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute zu bewirken.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 8, worin jedes Gefäß ein Volumen von weniger als ungefähr 500 ml aufweist.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 1, das weiterhin umfasst: einen Reaktorblock mit mehreren Vertiefungen darin, die sich von einer oberen Fläche des Blockes nach unten erstrecken, wobei jede Vertiefung eines der Gefäße aufnimmt, eine obere Platte, die lösbar mit dem Reaktorblock über dessen obere Fläche verbunden ist, wobei die obere Platte Öffnungen darin in Registratur mit den Vertiefungen in dem Reaktorblock aufweist, Dichtungen zum Abdichten gegenüber Undichtigkeiten durch die Öffnungen der oberen Platte, wenn die obere Platte an dem Reaktorblock befestigt wird, und Rührmechanismen, die an der oberen Platte und zu der oberen Platte lösbar angebracht sind, um die Reaktionsgemische umzurühren, wobei jeder Rührmechanismus eine der mehrteiligen Spindeln und einen Antriebsmechanismus umfasst, der ausgelegt ist, die Spindel zu drehen.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 10, worin jeder der Rührmechanismen weiterhin eine magnetische Durchführungsvorrichtung zum magnetischen Koppeln des Antriebsmechanismusses an den metallischen oberen Spindelbereich der mehrteiligen Spindel umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 1, das weiterhin ein Antriebssystem zum Bewegen der mehrteiligen Spindeln umfasst, um die Inhalte der Gefäße zu vermischen, wobei das Antriebssystem einen Antriebsmechanismus umfasst, der außerhalb der Gefäße angeordnet ist.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 12, worin das Antriebssystem weiterhin magnetische Durchführungsvorrichtungen zum magnetischen Koppeln des Antriebsmechanismusses an die oberen Spindelbereiche der mehrteiligen Spindeln umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 13, worin der obere Spindelbereich einen Schenkel umfasst, der sich von einer entsprechenden magnetischen Durchführungsvorrichtung nach unten erstreckt.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 14, worin die magnetische Durchführungsvorrichtung einen Magnetantrieb, der durch den Antriebsmechanismus drehbar ist, und einen magnetischen Nachläufer umfasst, der ausgelegt ist, um beim Drehen des magnetischen Antriebs magnetisch gedreht zu werden, wobei der Schenkel einen integralen Ausleger des magnetischen Nachläufers umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 13, worin der Antriebsmechanismus einen Getriebezug zum Drehen jeder magnetischen Durchführungsvorrichtung und einen Motor zum Drehen von Zahnrädern des Getriebezuges umfasst, um einen Drehung der mehrteiligen Spindeln bei Geschwindigkeiten bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute zu bewirken.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 12, worin der Antriebsmechanismus einen Getriebezug, der mechanisch an den oberen Spindelbereich der mehrteiligen Spindeln gekoppelt ist, und einen Motor umfasst, um Zahnräder des Getriebezugs zu drehen, um eine Drehung der mehrteiligen Spindeln zu bewirken.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 17, worin der Motor eingesetzt werden kann, um eine Drehung der mehrteiligen Spindeln bei Geschwindigkeiten bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute zu bewirken.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 12, worin jedes Gefäß ein Volumen von weniger als ungefähr 500 ml aufweist.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 1, das weiterhin ein Temperatursteuersystem zum Regeln der Temperatur der Gefäße umfasst.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 1, worin die Gefäße die Reaktionsgemische bei einem Druck enthalten, der unterschiedlich vom Umgebungsdruck ist.
Reaktorsystem für kombinatorische Chemie gemäß Anspruch 21, worin der Druck größer als ungefähr 6,89 × 10⁴ Pa (10 psig) ist.