CH674317A5 - - Google Patents

Description

  
 



   BESCHREIBUNG



   Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermischen von Flüssigkeiten, mit einer Mischkammer mit mindestens zwei Flüssigkeitszuleitungen und einer Flüssigkeitsaustrittsöffnung.



   Eine Vielzahl chemischer und biochemischer Analyseverfahren basiert darauf, genau definierte Mengen zweier oder mehrerer Flüssigkeiten miteinander zu mischen und aus der Beobachtung der Reaktion Rückschlüsse auf die Eigenschaften gewisser Flüssigkeitskomponenten zu ziehen.



   Da die Eigenschaften der zu analysierenden Flüssigkeiten meist von mehreren Parametern abhängen und eine einwandfreie Analyse zudem schon aus statistischen Gründen leicht Hunderte von Einzelmessungen erfordert, ist das manuelle Mischen von Flüssigkeiten äusserst zeitaufwendig und mühsam. Ausserdem bildet der manuelle Mischvorgang eine bedeutende Fehlerquelle, einerseits aufgrund mengenmässig ungenauer Mischung und anderseits wegen zu langer Dauer des Misch- und Messvorgangs bei unstabilen Stoffen. Sehr schnelle Reaktionen können auf diese Weise überhaupt nicht analysiert werden, denn die Totzeit, d. h. die Zeit zwischen dem Mischvorgang und dem Beginn der Analyse, beträgt erfahrungsgemäss mindestens 5 Sekunden. Eine Verringerung des Gesamtvolumens der zu untersuchenden, oft sehr kostspieligen Flüssigkeiten ist zudem bei manuellem Vermischen nicht im wünschbaren Masse realisierbar.



   Bekannte Vorrichtungen zum mechanischen Vermischen von Flüssigkeiten bestehen aus z. B. zwei je eine Flüssigkeit enthaltenden Spritzen, deren Inhalt durch mechanische Einwirkung gleichzeitig in eine Mischkammer injiziert, dort aufgrund der entstehenden Turbulenz gemischt und anschliessend in eine Messzelle transportiert wird.



  Damit kann die Totzeit auf weniger als 5 Millisekunden reduziert werden. Zur Gewährleistung einer genügenden Durchmischung müssen die Flüssigkeiten unter relativ hohem Druck in die Mischkammer injiziert werden. Durch den hohen Gegendruck in der Mischkammer wird jedoch die Titrationsgenauigkeit beeinträchtigt, was sich vor allem dann als äusserst nachteilig erweist, wenn verschiedene Flüssigkeiten in stark unterschiedlichen Volumenverhältnissen gemischt werden sollen. Es ist deshalb nicht möglich, Volumenverhältnisse von mehr als 1:50 mit genügender Genauigkeit zu mischen. Mischungen von Flüssigkeiten verschiedener Viskositäten erreichen oft nicht die erforderliche Homogenität.



   Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Vorrichtung zu schaffen zur schnellen Vermischung kleinster Mengen von Flüssigkeiten mit unterschiedlichsten Volumina und Viskositäten. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.



   Die wesentlichen Vorteile dieser Erfindung sind darin zu sehen, dass wegen des aktiven Mischprinzips keine hohen Einspritzdrücke der Flüssigkeiten erforderlich sind, weshalb eine im wesentlichen konstante Titrationsgenauigkeit gewährleistet ist, wodurch sehr grosse Mischverhältnisse (bis ca. 1:2000) erreicht werden können.



  Dank der vorgeschlagenen   spaltfönmigen    Scherströmung können auch Flüssigkeiten unterschiedlichster Viskosität problemlos gemischt werden. Die erfindungsgemässe Anordnung des Mischkörpers in der Mischkammer gewährleistet zudem ein kleines Totvolumen, was sich vor allem bei kostspieligen Substanzen positiv auf die Analysenkosten auswirkt.



   Im folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführung - welche sich insbesondere zur Bestimmung kinetischer Konstanten von Enzymen eignet - näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der Mischkammer der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 2a und 2b den Verlauf der Scherströmung im ersten Mischbereich;  
Fig. 3 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung;
Fig. 4a und 4b einen Axial- und einen Radialschnitt durch eine zweite Messzelle;
Fig. 5 eine Anordnung zur automatischen Bestimmung kinetischer Konstanten von Enzymen unter Verwendung der vorgeschlagenen Erfindung, und
Fig. 6 die Verbindung der Mischvorrichtung mit einem   zugehöri-    gen Steuergerät.



   In Fig.   list    in schematischer Weise der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt. Im Innern einer geschlossenen Mischkammer 1 ist ein Mischkörper 2 so angeordnet, dass er um eine Rotationsachse R antreibbar ist und mit der Wandung der Mischkammer 1 einen ersten rotationssymmetrischen, spaltförmigen Mischbereich 3 bildet. Das Innere der Mischkammer 1 sowie der Mischkörper 2 werden, wie in Fig. 1 dargestellt, als koaxiale gerade Kreiszylinder ausgeführt. Denkbar wäre allerdings auch eine andere Formgebung, z. B. ein Kegel, ein Kegelstumpf oder irgendeine sonstige rotationssymmetrische Anordnung. Die Mischkammer 1 weist am einen Ende z. B. vier Flüssigkeitszuleitungen 11, 12, 13, 14 auf, durch welche verschiedene Flüssigkeiten (bei der Bestimmung kinetischer Konstanten von Enzymen sind dies z. B.

  Enzym, Substrat, Pufferlösung und Aktivator/Inhibitor) in Richtung der Pfeile A, B, C, D kontinuierlich in den ersten Mischbereich 3 eingespritzt werden. Die Zuführungen 11, 12, 13, 14 münden vorzugsweise alle auf gleicher Höhe am einen Ende der Mischkammer 1 und sind regelmässig um deren Umfang verteilt. Durch den Einspritzdruck entsteht ein axialer Fluss (Pfeil E), dem aufgrund der Rotation des Mischkörpers 2 ein tangentialer Fluss (Pfeil F)   über    gert wird. Gesamthaft resultiert im spaltförmigen Mischbereich 3 eine Scherströmung, in welcher z. B. ein durch die Leitung 11 eingespritztes Volumenelement im wesentlichen auf einer spiralförmigen Bahn 24 um den Mischkörper 2 herumgeführt und dadurch mit den andern Flüssigkeiten vermischt wird.

  Zur Gewährleistung einer   ein- -    wandfreien Mischung muss die Umfangsgeschwindigkeit des Mischkörpers 2 wesentlich grösser sein als die axiale Durchflussgeschwindigkeit der Flüssigkeit (z. B.   zwanzigmal    so gross).



   Fig. 2a zeigt einen vergrösserten Axialschnitt durch den eintrittsseitigen Teil des Mischbereichs 3. Ein bestimmtes Volumenelement 21 der durch die Zuleitung 11 eingespritzten Flüssigkeit zeigt in etwa einen Axialströmungsquerschnitt 22. Fig. 2b zeigt einen entsprechenden Radialschnitt durch den eintrittsseitigen Teil des Mischbereichs 3 zur Darstellung eines momentanen Tangentialströmungsquerschnitts 23 des Volumenelementes 21.



   Die beschriebene hohlzylindrische Scherströmung im ersten Mischbereich 3 behindert den Fluss nur wenig, weshalb die Flüssigkeiten - im Unterschied zu herkömmlichen passiven Mischvor   richtungen - mit    geringem Druck eingespritzt werden können.



  Dadurch können die eingespritzten Flüssigkeitsmengen sehr präzise dosiert werden, wodurch Flüssigkeiten mit Volumenverhältnissen bis z. B. 1:2000 noch mit genügender Genauigkeit gemischt werden können. Da der Mischvorgang im gesamten Mischbereich 3 gleich   mässig    verläuft, können auch Mischungen aus Flüssigkeiten unterschiedlichster Viskosität und Dichte problemlos hergestellt werden.



  Durch die Anordnung des Mischkörpers 2, der in der Mischkammer 1 auch als Verdrängungskörper wirkt, kann das Totvolumen der gesamten Vorrichtung klein gehalten werden.



   Die axiale Ausdehnung des Mischkörpers 2 ist vorzugsweise etwas kleiner als diejenige der Mischkammer 1, so dass in der Mischkammer ein zweiter Mischbereich 4 entsteht, in welchem schon aufgrund der Rotation des Mischkörpers 2 eine turbulente Strömung herrscht, welche zu einer zusätzlichen Vermischung der verschiedenen Flüssigkeiten führt. Zur Verstärkung dieser turbulenten Strömung wird die Grundfläche des Mischkörpers 2 mit Erhebungen 5, die Grundfläche 6 der Mischkammer 1 mit Leitrillen 7 versehen. In der Mitte der Grundfläche 6 befindet sich eine Austrittsöffnung 15, durch welche das Flüssigkeitsgemisch die Mischkammer 1   verlässt.    Selbstverständlich kann die Mischkammer gegebenenfalls auch mit mehreren Austrittsöffnungen versehen werden.



   Aus Fig. 3 ist die Anordnung der vorangehend beschriebenen Mischkammer in der erfindungsgemässen Mischvorrichtung 10 ersichtlich. Ein Aussengehäuse 41 enthält ein Innengehäuse 42, welch letzteres an seinem unteren Ende eine zylindrische Bohrung aufweist, welche die Mischkammer 1 bildet. Getrennt von der Mischkammer 1 enthält das Innengehäuse 42 einen Motor 32 und einen damit gekoppelten Antriebsmagneten 31. Der Mischkörper 2 ist z. B. ein mit einem inerten Material beschichteter Magnet, der von dem auf derselben Rotationsachse R angeordneten Antriebsmagneten 31 angetrieben wird. Durch die Anziehungskraft des Antriebsmagneten 31 wird der magnetische Mischkörper 2 an die Deckfläche der Mischkammer 1 gezogen, wobei sich im Betrieb ein dünner Flüs   sigkeitsfilm    zwischen dem Mischkörper und der Deckfläche bildet, welcher als Gleitmittel dient.

  Zwischen dem Aussengehäuse 41 und dem gegen dieses abgedichteten Innengehäuse 42 liegt eine Thermostatisierungskammer 43. Über einen Anschlussstutzen 44 werden die zu mischenden Flüssigkeiten durch die mit Thermostatisierwasser gefüllte Thermostatisierungskammer 43 zur Mischkammer 1 geführt  (angedeutet ist nur die eine Flüssigkeitszufuhr 11). Das Thermostati sierwasser dient gleichzeitig der Abfuhr der vom Motor 32 erzeugten Wärme. Über den Auslass 15   verlässt    die Mischung die Mischkammer 1 und gelangt über einen Anschluss 52 zu einer Durchflussmesszelle 51. In der Messzelle 51 können mit herkömmlichen Analysegeräten verschiedene physikalische und chemische   Grössen    der Mischung verfolgt werden (z. B. mittels optischer oder elektrischer Messverfahren).

  Die Mischung   durchfliesst    die Messzelle 51 und gelangt über einen weiteren Anschluss 53 und eine Leitung 54 durch die Thermostatisierungskammer 43 zu einer zweiten Messzelle 62, in welcher mit einer Messsonde 61 eine weitere   Grösse    verfolgt werden kann. Von der zweiten Messzelle 62 wird die Mischung über eine Leitung 16 durch den Stutzen 44 weggeführt. Mit Hilfe der Anschlüsse 52 und 53 können verschiedenste Messzellen 51 in das Aussengehäuse 41 eingesteckt werden.



   Der Aufbau der zweiten Messzelle 62 wird durch Fig. 4a und 4b illustriert. Fig. 4a zeigt einen Axialschnitt, Fig. 4b einen Radialschnitt durch das Aussengehäuse 41 und die mit diesem verbundene Messzelle 62. Eine Bohrung 64 dient der Aufnahme der auswechselbaren Messsonde 61 (vgl. Fig. 3). Durch die eingesetzte Messsonde 61 wird die Bohrung 64 verstopft, so dass die Mischung, welche über die Zuleitung 54 und einen Anschluss 63 zur Messsonde 61 gelangt, die Bohrung 64 über eine seitliche Öffnung 65 verlässt.



   Das Volumen des zweiten Mischbereichs 4 entspricht vorzugsweise etwa demjenigen der Durchflussmesszelle 51. Dadurch entsteht eine Pufferzone, in welcher auch bei nichtkontinuierlicher Zugabe kleinster Flüssigkeitsmengen eine homogene Mischung erzeugt wird.



  Zur Anpassung des Volumens des zweiten Mischbereichs 4 und zur Variation der Spaltbreite des ersten Mischbereichs 3 ist ein Satz verschiedener Mischkörper 2 vorgesehen, welche durch Öffnen der Mischkammer 1 (z. B. Entfernen der Grundfläche 6, welche, wie in Fig. 3 dargestellt, durch einen Teil des verschraubten Aussengehäuses 41 gebildet wird) auf einfache Art ausgewechselt werden können.



  Um im Betrieb eine gleichmässige Spaltbreite des ersten Mischbereichs 3 zu gewährleisten, wird die vorgeschlagene Vorrichtung vor   teilhafterweise    so angeordnet, dass die Achse R vertikal verläuft.

 

  Dabei spielt es jedoch keine Rolle, welcher Teil der Vorrichtung oben ist. Die in den Figuren gewählte Darstellung ist in dieser Hinsicht willkürlich, denri die Strömung der Flüssigkeiten durch die Vorrichtung basiert nicht auf der Schwerkraft, sondern auf den Einspritzdrücken.



   Die vorgeschlagene Mischvorrichtung eignet sich insbesondere zur automatischen Bestimmung kinetischer Konstanten von Enzymen, wo meist Hunderte von Einzelmessungen erforderlich sind. Fig. 5 zeigt eine denkbare Anordnung, bei der die vorgeschlagene Mischvorrichtung 10 samt Messzelle 51 in ein herkömmliches   Messgerät    101 eingesetzt ist. Bei der vorgeschlagenen Vorrichtung  können die Abmessungen so gewählt werden, dass die Verwendung in bestehenden Messgeräten gewährleistet ist. Von einem Steuergerät 102 gelangen die zu mischenden Flüssigkeiten über einen die einzelnen Zuführungen umschliessenden Schlauch 71 zum Stutzen 44 der Vorrichtung 10. Das Steuergerät 102 weist einen   Probenraum    105 auf, aus dem die zu mischenden Flüssigkeiten in Spritzen abgesogen werden. Die Kolben der Spritzen sind z.

  B. mit Schrittmotoren   betä-    tigbar, so dass für jede Einzelmessung die erforderlichen Flüssigkeitsmengen genau dosiert über den Schlauch   71    in die Mischkammer 1 der Vorrichtung 10 injiziert werden können. Der Probenraum 105 kann zusätzlich mit einem Autosampler ausgerüstet sein, so dass die eine der zu mischenden Komponenten bei jeder   Messserie    automatisch gewechselt wird. Mit einem Computer 104, ausgerüstet mit entsprechenden Peripheriegeräten, wird die Analyse gesteuert,   über-    wacht und ausgewertet. Ein Gerät 103 liefert das vorangehend erwähnte Thermostatwasser.

 

   Fig. 6 zeigt die Rückseite des Steuergerätes 102 mit dem flexiblen Verbindungsschlauch 71 zur Mischvorrichtung 10. In diesem Schlauch verlaufen die Flüssigkeitszuführungen 11, 12, 13 und 14, die Rückführleitung 16 für die analysierte Mischung, eine elektrische Verbindung 108 für einen Temperatursensor (nicht dargestellt), eine Speisung 109 für den Antriebsmotor 32 sowie eine Leitung 17 für die Zufuhr von Thermostatwasser in die Thermostatisierungskammer 43. Der Rückfluss des Thermostatwassers erfolgt vorzugsweise offen im Schlauch 71, so dass die Flüssigkeitszuführungen bereits innerhalb des Schlauchs von Thermostatwasser umspült werden. Dadurch wird eine äusserst genaue Thermostatisierung der Komponenten gewährleistet. 

Claims (10)

1. PATENTANSPRÜCHE 1 Vorrichtung zum Vermischen von Flüssigkeiten, mit einer Mischkammer (1) mit mindestens zwei Flüssigkeitszuleitungen (11, 12, 13, 14) und einer Flüssigkeitsaustrittsöffnung (15), dadurch gekennzeichnet, dass im Innern der Mischkammer (1) ein um eine Ro tationsachse (R) antreibbarer Mischkörper (2) angeordnet ist, wobei die Mischkammer und der Mischkörper so ausgestaltet sind, dass sie mindestens einen ersten, im wesentlichen rotationssymmetrischen, spaltförmigen Mischbereich (3) bilden, in welchem mittels Rotation des Mischkörpers (2) eine Scherströmung erzeugbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (1) einen zweiten Mischbereich (4) enthält, in welchem eine turbulente Strömung erzeugbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere der Mischkammer (1) und der Mischkörper (2) als gerade, koaxiale Kreiszylinder ausgestaltet sind, wobei der Mischkörper im Innern der Mischkammer so angeordnet ist, dass der erwähnte erste Mischbereich (3) im wesentlichen die Form eines geraden Hohlzylinders, gebildet durch die Mantelflächen der Mischkammer und des Mischkörpers, aufweist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderhöhe des Mischkörpers (2) kleiner ist als diejenige des Innern der Mischkammer (1), dass der Mischkörper am einen Ende der Mischkammer angeordnet ist, so dass am andern Ende der Mischkammer der erwähnte zweite Mischbereich (4), begrenzt durch die Grundfläche des Mischkörpers sowie die Grundund Mantelfläche der Mischkammer, gebildet wird.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Flüssigkeitszuleitungen (11, 12, 13, 14), vorzugsweise auf gleicher Höhe und regelmässig auf dem Umfang verteilt, in den ersten Mischbereich (3) münden und dass die mindestens eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung (15) im zweiten Mischbereich (4), vorzugsweise in der Mitte der Grundfläche (6) der Mischkammer (1), angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Mischbereich (4) mit dem Mischkör- per (2) zusammenwirkende Mittel (5, 7) vorgesehen sind, so dass im zweiten Mischbereich (4) durch Rotation des Mischkörpers (2) eine turbulente Strömung erzeugbar ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper (2) als Magnet ausgebildet ist und dass zu dessen Antrieb ausserhalb der Mischkammer (1) ein auf derselben Rotationsachse (R) angeordneter Antriebsmagnet (31) sowie ein Motor (32) vorgesehen sind.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ein im wesentlichen die Mischkammer (1) und den Antrieb (31, 32) umfassendes inneres Gehäuse (42) sowie ein äusseres Gehäuse (41) aufweist, wobei zwischen diesen Gehäusen eine an einen Thermostatisierwasser-Kreislauf (17, 71, 102, 103) anschliessbare Thermostatisierungskammer (43) zur Steuerung und Kontrolle der Temperatur in der Mischkammer vorgesehen ist.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszuleitungen (11, 12, 13, 14) an Vorrichtungen (102) zur gesteuerten Zugabe von Flüssigkeiten anschliessbar sind und dass Mittel (52) zur Verbindung der mindestens einen Flüssigkeitsaustrittsöffnung (15) mit mindestens einer Messzelle (51) zur Analyse der Flüssigkeitsmischung vorgesehen sind.
10. 10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Bestimmung kinetischer Konstanten von Enzymen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einem mit einer Messzelle (51) versehenen Analysegerät (101) angeordnet ist, dass mittels eines Steuergerätes (102) dosierte Mengen von Enzym, Substrat, Pufferlösung und Aktivator bzw. Inhibitor über die Flüssigkeitszuleitungen (11, 12, 13, 14) in die Mischkammer (1) injiziert und in dieser gemischt werden, und dass diese Mischung über die Austrittsöffnung (15) der Mischkammer (1) sowie Verbin- dungsleitungen (52, 53) die Messzelle (51) durchffiesst.