DE102005023188B4

DE102005023188B4 - Dosiervorrichtung und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102005023188B4
Application number: DE102005023188.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brinz; Jane Lewis; Markus Tiefenbacher; Thomas Geiger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Fuell Process Sa Ch
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2025-05-20
Also published as: US20060264817A1; DE102005023188A1; GB2426293B; US8235953B2; US8728986B2; US20120270753A1; GB2426293A; GB0609872D0

Abstract

Dosierelement, insbesondere zur Dosierung von Substanzen bei der Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, das ein einseitig geöffnetes Vorratsgefäß (12) zur Aufnahme der zu dosierenden Substanzen und einen Stempel (14) aufweist, der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) reversibel verschließt, und der vorzugsweise zentral mindestens eine Dosieröffnung (18) zur Dosierung der im Vorratsgefäß (12) vorgelegten Substanzen aufweist, wobei der Stempel (14) eine Abtrennvorrichtung (30, 32) für Partikel umfasst.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein Dosierelement, eine Dosiervorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Die Auffindung und Entwicklung neuer Stoffe und Materialien stellt ein vorrangiges Ziel der Materialwissenschaften, der Chemie und Pharmazie dar. Die Suche nach geeigneten Verbindungen ist jedoch sehr oft mit einem großen finanziellen und zeitlichen Aufwand verbunden. Um diese Suche effektiver und kostengünstiger durchführen zu können, wurde schon vor Jahren in der Pharmazie, dann auch in anderen Anwendungsgebieten eine systematische Methodik eingeführt, die unter der Bezeichnung „Kombinatorische Chemie“ bekannt geworden ist. Dabei werden parallel mehrere potentiell interessante Verbindungen erzeugt und analysiert. Der Vorteil dieser Methode ist in der Möglichkeit zur Automatisierung zu sehen, die einen großen Durchsatz in kürzester Zeit gestattet.
Zur Erzeugung der dabei benötigten Materialbibliotheken muss eine große Zahl an potenziell interessanten Substanzen oder deren Vorläuferverbindungen an definierten Punkten entsprechender Substrate positioniert bzw. dosiert werden. Dies geschieht aufgrund der üblicherweise großen Zahl an zu dosierenden Substanzen vorzugsweise vollautomatisch.
Insbesondere bei der Herstellung von Formulierungen wie z.B. Lacken, Klebstoffen, Pflanzenschutzmitteln, Siebdruckpasten usw. werden zur besseren Durchmischung sowie zur Zerkleinerung von Partikeln Mahlkugeln oder Glasperlen der Formulierung zugesetzt und durch schnelles und starkes Schütteln und Drehen bewegt. Durch die schnelle Beschleunigung der Kugeln werden beim Aufprall der Kugeln auf Partikel diese zerkleinert. Dieser Vorgang wird als Dispergierung bezeichnet.
Nach der Dispergierung oder Durchmischung wird die Mahlkugeln bzw. Glasperlen enthaltende Dispersion meist auf ein Sieb gegeben und die Kugeln so abgetrennt. Mit zusätzlichem Lösungsmittel wird die restliche Formulierung zwischen den Mahlkugeln bzw. Glasperlen herausgespült. Entsprechende Mahlkugeln sind üblicherweise aus Glas, einer Keramik oder Metall.
Dieses Verfahren ist für eine Verwendung in der kombinatorischen Chemie sehr schwer zu automatisieren, da z.B. für jede Formulierung eine neues oder ein gereinigtes Sieb eingesetzt werden muss. Weiterhin erfordert ein Nachspülvorgang eine zusätzliche Dosiereinheit. Auch die Handhabung einer Formulierung mit schweren Kugeln zur Aufgabe auf ein Sieb ist nicht einfach zu realisieren.
Das Dokument AT 57 840 E beschreibt eine vorgefüllte Spritze, wobei zum Schutz der funktionellen Bestandteile der Spritze um die Spritze herum ein Nadelschutz , eine Kappe und eine Kapsel vorgesehen sind. Zum Verschließen des Behältnisses der Spritze ist ein Verschlussteil vorgesehen, welches eine Kolbenstange mit einem Kolbenkopf aufweist. Bei der Verwendung der Spritze wird das Behältnis um den Abstand „d“ axial nach oben ausgelenkt, sodass der feststehende Kolbenkopf in das Innere des Behältnisses eingedrückt wird und die Substanz innerhalb des Behältnisses durch eine zentrale Leitung innerhalb des Verschlussteils geführt wird.
Das Dokument DE 36 06 163 C2 beschreibt eine Vorrichtung zur Applikation von Arzneimittelsuspensionen, wie beispielsweise Insulin. Hierbei wird dem Behälter ein Mischkörper hinzugegeben, sodass die Suspension innerhalb des Behältnisses homogenisiert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Dosierelement, eine Dosiervorrichtung bzw. ein Verfahren zum Betrieb derselben bereitzustellen, die ein automatisiertes Dispergier-, Misch- bzw. Mahlverfahren gestatten, das für den Einsatz im Rahmen der kombinatorischen Chemie geeignet ist.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung bzw. das Dosierelement sowie das Verfahren zum Betrieb derselben haben den Vorteil, dass die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst wird. Dies beruht insbesondere darauf, dass das Dosierelement ein Vorratsgefäß aufweist, in dem ein entsprechender Dispergier-, Misch- oder Mahlvorgang durchgeführt werden kann und das eine einfache Abtrennung der so behandelten vorgelegten Dispersion von entsprechenden Mahlhilfsmitteln oder Mitteln zur Durchmischung erlaubt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Dosierelements bzw. der Dosiervorrichtung sowie des dort angegebenen Verfahrens möglich.
So weist das Dosierelement vorteilhafterweise einen Stempel auf, der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes reversibel verschließt, und der eine Abtrennvorrichtung für Grobpartikel, Mahlhilfsmittel und Durchmischungsmittel in Form eines der Dosieröffnung vorgelagert positionierten Siebes, Magnets oder Ringspaltes umfasst. Auf diese Weise können Mahl- oder Durchmischungshilfsmittel von der entstandenen Dispersion abgetrennt werden, ohne dass ein Reinigungsschritt bspw. eines Siebes oder der Transfer in ein Sammelgefäß vor der eigentlichen Dosierung nötig wäre.
Weiterhin ist der Stempel vorteilhafterweise mit einem Kolbenschaft verbunden, der eine Dosierleitung zur Dosierung der vorgelegten Substanzen aufweist und an seinem dem Stempel abgewandten Ende mit einer austauschbaren Dosiernadel versehen werden kann. Die Dosiernadel ist dabei beispielsweise über einen Luer-Lock-Verschluß mit dem Kolbenschaft verbunden. Die Austauschbarkeit der Dosiernadel ist von Vorteil, da so das Dosierelement in einfacher Weise hinsichtlich der erforderlichen Dosiermengen bzw. des bei der Dosierung nötigen Volumenstromes angepasst werden kann bzw. da auf diese Weise die Viskosität der zu dosierenden Substanzen berücksichtigt werden kann. Da vorzugsweise jeder zu dosierenden Substanz ein eigenes Vorratsgefäß mit eigenem Stempel zugewiesen wird, kann somit jegliche Möglichkeit einer Kontamination mit Fremdstoffen ausgeschlossen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Dosiervorrichtung mehrere Dosierelemente, deren Vorratsgefäße eine im wesentlichen identische Längsausdehnung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Auf diese Weise können unterschiedliche Volumina in den Vorratsgefäßen realisiert werden, ohne dass es einer Anpassung der automatischen Greifvorrichtung bedarf. Vorteilhaft ist in diesem Fall, wenn die jeweilige Aufnahme des Vorratsgefäßes bzw. des Stempels eine Kodierung zur Erkennung des Volumens oder des Durchmessers des zugehörigen Vorratsgefäßes aufweist.
Vorteilhaft ist weiterhin, wenn eine Vielzahl von Dosierelementen zu einer Dosiervorrichtung zusammengefasst werden und ein Mittel zum synchronen Rütteln und/oder Schwenken der Dosierelemente vorgesehen ist, da auf diese Weise eine Vielzahl verschiedener Dispersionen synchron hergestellt werden können.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Dosierelementes, 2 eine Variante des in 1 abgebildeten Dosierelementes und die 3a bis 3d zeigen schematisch Schritte eines Verfahrens zur Dosierung von Substanzen.
Ausführungsbeispiel
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es, ein Dosierelement bzw. eine Dosiervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere im Rahmen der kombinatorischen Materialentwicklung eine effiziente und automatisierte Dosierung zahlreicher, zur Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken benötigter Substanzen ermöglicht.
Kernstück der Dosiervorrichtung sind eines oder mehrere Dosierelemente, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist. Das Dosierelement 10 umfasst ein Vorratsgefäß 12, in dem eine oder mehrere zu dosierende Substanzen vorgelegt werden können. Das Vorratsgefäß 12 ist aus einem im wesentlichen chemisch inerten Material, wie beispielsweise Glas, PTFE oder PVC ausgeführt. Das Vorratsgefäß 12 ist vorzugsweise zylindrisch gestaltet, wobei ein Ende des Vorratsgefäßes 12 offen ist und durch einen axial beweglichen Stempel 14 verschlossen werden kann. Um die Verschließbarkeit des Vorratsgefäßes 12 unabhängig vom Stempel 14 zu gewährleisten, weist das Vorratsgefäß 12 vorzugsweise im Bereich seiner Öffnung ein auf die Außenwandung des Vorratsgefäßes 12 aufgeprägtes Gewinde 13 auf oder ist mit einem mechanisch eindrückbaren Einmalverschluss versehen.
Der Stempel 14 umfasst vorzugsweise an seiner der zu dosierenden Substanz zugewandten Seite eine Dichtung 15, die beispielsweise mechanisch fixiert und somit austauschbar ausgeführt ist. Auf seiner der zu dosierenden Substanz abgewandten Seite geht der Stempel 14 in einem Kolbenschaft 16 über, der zur besseren Führung vorzugsweise vier geeignete Rippen aufweist. Der Stempel 14 sowie der Kolbenschaft 16 bestehen vorzugsweise aus Edelstahl oder einem chemisch inerten Polymer wie PTFE oder PVC.
Eine Besonderheit des Dosierelementes 10 besteht darin, dass im Gegensatz zu üblichen, vor allem aus der Medizin bekannten Dosierspritzen die Dosierung der vorgelegten Substanzen durch eine Durchbrechung 18 des Stempels 14 hindurch erfolgt. Dazu weist der mit dem Stempel 14 verbundene Kolbenschaft 16 eine Dosierleitung 20 auf, durch die eine zu dosierende Substanz aus dem Vorratsgefäß 12 durch die Durchbrechung 18 hindurch transportabel ist. Auf seiner dem Stempel 14 abgewandten Seite weist der Kolbenschaft 16 beispielsweise eine mechanische Fixiervorrichtung 22 für eine Dosiernadel 24 auf. Die mechanische Fixiervorrichtung 22 ist dabei vorzugsweise als Luer-Lock-Verschluss ausgeführt.
Anstelle einer Dosiernadel 24 können alternativ auch Gießer, eine Hohlleitung oder ein Kolben mit erweitertem Durchmesser aufgesetzt werden oder das Dosierelement fest an eine geschlossene Dosier- oder Reaktionsapparatur angeschlossen werden.
Um eine automatisierte Dosierung im kurzen Zeittakt zu gewährleisten, weist das Vorratsgefäß 12 auf seiner der Öffnung gegenüberliegenden Seite und/oder der Stempel 14 bzw. Kolbenschaft 16 auf seiner der zu dosierenden Substanz abgewandten Seite eine Aufnahme oder Passung 26, 28 auf, die als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung dient.
Es können verschiedene Dosierelemente um Einsatz kommen, die sich insbesondere hinsichtlich des möglichen Dosiervolumens unterscheiden. Trotz unterschiedlichem Volumen der Vorratsgefäße 12 wird die Längsausdehnung des Dosierelements 10 dabei weitgehend konstant gehalten. Verschiedene Volumina werden durch die Wahl entsprechender Durchmesser des Vorratsgefäßes 12 erzielt. Dies ermöglicht, dass Dosierelemente 10 unterschiedlicher Dosiervolumina nacheinander zur Dosierung herangezogen werden können, ohne dass es einer Adaptierung der mechanischen Greifvorrichtung bedarf. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Aufnahmen 26, 28 oder die Außenfläche des Vorratsgefäßes 12 bspw. in Form eines aufgedruckten Barcodes so zu gestalten, dass sie eine Kennung zur Identifikation des Dosiervolumens aufweisen, sodass die mechanische Greifvorrichtung automatisch an das entsprechende Dosiervolumen des gerade gehalterten Dosierelements adaptiert wird.
Zur Dosierung wird vorzugsweise jeder zu dosierenden Substanz bzw. Substanzmischung ein separates Dosierelement zugeordnet. Dies vermeidet effektiv eine Vermischung bzw. Kontamination der Substanzen untereinander. Zur Befüllung des Dosierelements 10 wird zunächst dessen Stempel 14 entfernt und die Substanz im offenen Vorratsgefäß 12 vorgelegt. Dann wird der Stempel 14 in das Vorratsgefäß 12 eingeführt, wobei die dort vorhandene Luft über die Dosierleitung 20 entweichen kann. Sollte es sich bei der vorgelegten Substanz um eine luftempfindliche Verbindung handeln, kann die Vorlage der Substanz in einer Schutzgasapparatur erfolgen bzw. eine bereits vorgelegte Substanz durch die Dosierleitung 20 hindurch auf übliche Weise entgast werden.
Werden im Vorratsgefäß 12 des Dosierelementes 10 partikelhaltige, insbesondere grobpartikelhaltige Dispersionen vorgelegt, so enthält das Dosierelement 10 zur Abtrennung derselben ein Abtrennmittel beispielsweise in Form eines Siebes 30. Dieses ist vorzugsweise mit dem Stempel 14 physisch verbunden und ist der Durchbrechung 18 bzw. der Dosierleitung 20 in Strömungsrichtung der Dispersionen vorgelagert angeordnet.
Eine alternative Ausführungsform ist in 2 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteilkomponenten bezeichnen wie in 1.
Das in 2 dargestellte Dosierelement 10 umfasst anstelle eines Siebes 30 einen Ringspalt 32, dessen durchströmbarer Spaltdurchmesser auf den Durchmesser der zurückzuhaltenden Partikel abgestimmt ist und ggf. auch variabel ausgeführt sein kann. Anstelle eines Siebes 30 bzw. eines Ringspaltes 32 oder zusätzlich zu diesen kann das Dosierelement einen Magneten zur Abtrennung magnetischer Partikel aufweisen.
Zur Dosierung von Dispersionen wird zunächst das Vorratsgefäß 12 der Dosiervorrichtung 10 vorzugsweise mit einer zu dispergierenden Substanz, einem Dispergiermittel sowie mit einem Mahlhilfsmittel bzw. einem Mittel zur Durchmischung beschickt. Als Mahlhilfsmittel bzw. als Mittel zur Durchmischung eignen sich beispielsweise Kugeln aus Metall, Glas oder Keramik. Danach wird je nach angewandtem Mahl-, Dispergier- oder Mischverfahren bzw. je nach Anforderung der vorgelegten Substanzen in Hinsicht auf deren Dampfdruck, Luftempfindlichkeit etc. das Vorratsgefäß 12 mittels eines vorläufigen Verschlusses oder dem Stempel 14 verschlossen.
Das Dosierelement 10 wird nun einzeln oder in einer Anordnung mit anderen Dosierelementen der Dosiervorrichtung vorzugsweise einer starken Dreh- oder Schüttelbewegung ausgesetzt. Nach erfolgter Dispergierung, Vermahlung oder Durchmischung erfolgt die Abtrennung der erzeugten Dispersion von dem zugefügten Mahlhilfsmittel bzw. Mittel zur Durchmischung und/oder von unerwünschten Grobpartikeln sonstiger Art. Dazu wird der evtl. vorhandene vorläufige Verschluss entfernt und der Stempel 14 in das Vorratsgefäß 12 eingeführt (siehe 3a).
Der Stempel 14 wird vorzugsweise nur soweit in das Vorratsgefäß 12 eingefahren, dass ein ausreichendes Luftpolster innerhalb des Vorratsgefäßes 12 verbleibt. Danach wird das Dosierelement vorzugsweise um 180° gedreht (siehe 3b). Dabei fließt die Formulierung bzw. Dispersion mit dem Mahlhilfsmittel bzw. dem Mittel zur Durchmischung nach unten und das Luftpolster wird nach oben verdrängt (siehe 3c). Wird nun der Stempel 14 in das Vorratsgefäß 12 hinein geschoben, so drückt die Luft die Formulierung durch das Abtrennmittel 30, 32 hindurch und durch die Durchbrechung 18 bzw. die Dosierleitung 20 aus dem Vorratsgefäß 12 hinaus (siehe 3d). Das Mahlhilfsmittel bzw. das Mittel zur Durchmischung wird durch das Abtrennmittel 30, 32 zurückgehalten.
Danach kann die Formulierung bzw. Dispersion direkt bspw. auf das Substrat einer kombinatorischen Materialbibliothek appliziert und getestet werden oder als Masterbatch zur weiteren Verwendung in ein weiteres Dosierelement abgefüllt werden.
In einer weiteren Ausführungsform dient das Dosierelement 10 zusätzlich als chemischer Reaktor. Dazu werden die im Vorratsgefäß 12 des Dosierelements 10 vorgelegten Substanzen vor deren Dosierung einer chemischen Reaktion unterworfen. Dazu kann das Dosierelement 10 eine entsprechende Heiz-, Rühr- bzw. Kühlvorrichtung aufweisen. Genauso können diese Vorrichtungen jedoch vorübergehend anbringbar oder lediglich zur Verfügung stehend ausgeführt sein.
Um eine zeitsparende Bereitstellung einer Vielzahl von Dispersionen realisieren zu können, wird vorzugsweise eine Mehrzahl von Dosierelementen, beispielsweise 16 bis 256 Stück, in eine Dosiervorrichtung eingebracht, dort gehaltert, vorzugsweise parallel befüllt und synchron geschüttelt bzw. geschwenkt. Zur Dosierung können die Dosierelemente einzeln oder gruppenweise automatisiert entnommen und deren Inhalt seiner Bestimmung zugeführt werden.

Claims

Dosierelement, insbesondere zur Dosierung von Substanzen bei der Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, das ein einseitig geöffnetes Vorratsgefäß (12) zur Aufnahme der zu dosierenden Substanzen und einen Stempel (14) aufweist, der axial beweglich ist und die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) reversibel verschließt, und der vorzugsweise zentral mindestens eine Dosieröffnung (18) zur Dosierung der im Vorratsgefäß (12) vorgelegten Substanzen aufweist, wobei der Stempel (14) eine Abtrennvorrichtung (30, 32) für Partikel umfasst.
Dosierelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (30, 32) als Sieb, Magnet oder als Ringspalt ausgeführt ist.
Dosierelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtrennvorrichtung (30, 32) der Dosieröffnung (18) vorgelagert positioniert ist.
Dosierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorratsgefäß (12) und/oder der Stempel (14) eine Aufnahme (26, 28) als Angriffspunkt für eine mechanische Greifvorrichtung umfasst.
Dosierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorratsgefäß (12) auf seiner der Öffnung gegenüberliegenden Begrenzungsfläche eine Aufnahme (26) aufweist.
Dosierelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (14) mit einem Kolbenschaft (16) verbunden ist, der eine Dosierleitung (20) zur Dosierung der vorgelegten Substanzen aufweist und an dessen dem Stempel (14) abgewandtem Ende die Aufnahme (28) angebracht ist.
Dosierelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenschaft (16) an seinem dem Stempel (14) abgewandten Ende mit einer austauschbaren Dosiernadel (24) verbunden ist.
Dosiervorrichtung enthaltend eine Vielzahl von Dosierelementen gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dosierelemente vorgesehen sind, deren Vorratsgefäße (12) eine im wesentlichen identische Längsausdehnung und unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Dosiervorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum synchronen Rütteln, Schütteln und/oder Schwenken mehrerer Dosierelemente vorgesehen ist.
Verfahren zur Dosierung von Substanzen, insbesondere zur Erstellung kombinatorischer Materialbibliotheken, wobei in einem ersten Schritt in einem einseitig geöffneten Vorratsgefäß (12) die zu dosierenden Substanzen mit einem Mahlhilfsmittel vorgelegt werden, dann in einem zweiten Schritt das Vorratsgefäß (12) gerüttelt, geschüttelt oder geschwenkt wird und in einem dritten Schritt durch Druck auf einen Stempel (14), der axial beweglich ist und der reversibel die Öffnung des Vorratsgefäßes (12) verschließt, die zu dosierenden Substanzen durch mindestens eine den Stempel (14) durchdringende Dosieröffnung (18) unter Rückbehalt des Mahlhilfsmittels im Vorratsgefäß (12) dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dosierelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder eine Dosiervorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 verwendet wird.