DD253487A1 - Vorrichtung zur automatischen durchfuehrung thermischer nassaufschluesse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Durchfuehrung thermischer Nassaufschluesse von z. B. organischen Substanzen aus Biologie, Medizin, Land- und Nahrungsgueterwirtschaft in Verbindung mit der Analytik fuer Gesamt- und Proteinstickstoff aehnlich dem Kjeldahl-Verfahren. Die Vorrichtung enthaelt erfindungsgemaess zusaetzlich zu den bekannten Funktionseinheiten eines Aufschlussgeraetes einen Mehrfunktionsbereich und einen thermoisolierenden Zwischenraum zur Steuerung von Temperaturgradienten in den Aufschlussgefaessen. Die Vorrichtung dient der automatischen Durchfuehrung und programmierbaren Prozesssteuerung thermischer Nassaufschluesse in einfachen, offenen, kurzen und geradwandigen Aufschlussgefaessen, erlaubt Makro-, Mikro- und Ultramikrobestimmungen, steuert mittels probenspezifischer Programme die thermischen Prozesse und Temperaturgradienten in den Gefaessen, um Spritz- und Destillationsverluste zu unterbinden, den Zeitablauf zu optimieren und bietet Moeglichkeiten zum katalysatorfreien Aufschliessen, Mechanisieren und Automatisieren der Prae- und Postaufschlussschritte. Fig. 1

Description

Stoffbestandteile verbunden. Eine schneC_Unto^S^^^^irⁿ ™*?*^1η*>? Aggregatzuständen der einzelnen unmittelbar zu Beginn des thermischen Aufechlussewie eίSm eS, T* ^b!^s _p ^auf _k ^deh sewünschten Endwert Gefäße in ein ungesteuertes Heizmedium der Fall ,st erceuat r«Th! ⁹ I T ^Probe-^Re^tion_Sgemi_Sch bestückten Verlusterscheinungen durch Verspritzen und übe de^Snh η ^^{SChe U}"^d P^^sikaiis^ Prozeßabläufe mit Umstand tragen bekannte technische Losungen ^

geringen Stoffkonzentrationen in wäßriger LösunqTz B oZnhZn ^tram'^krof ^a'ysen von wenigen Mikrolitern Probe mit

kommen auch nur wenige Mikroliter Rea^onTsu g pr^" Prole fur oTauVcNuIitT "Τ?? ^^ ^™™⁹*

zum vollständigen Abspülen der Destillatiönsrückstända von in inn ^Auff ^hl^^{ß m Fra}9^e' ^{Nach dem} Aufschluß würden dann

relativ großen Gefäße und Deckel Πα^Ζ^^^Ζ^ΤΤ⁸"^" !™''*"" ^Probe-^Reakti°^9emischvolumen

Stoffmengen im nachfolgenden Ana^J^iZ^^i^ZZZ^^ ^* "° ^ ^™*"' ^ ³^*

geradwandige, kurze Reagenzgläser ohne zusät^lirhp Γω 7 «ί nachgewiesen werden können. Nur

.den Benannten Sp«.algeflßeS

während des thermischen Naßaufschlusses bedingt eine voS ?emL «Γ^? "^ ^⁰'¹" ^Reagen29^{läser im offe}"en Zustand

unterbinden. Besonders Probe-Reaktionsgemische'mi hXT^

Wasser, neigen bei überhöhter Temperatur zum Spritzen rlrhnZr^!n*T , ^ ^mederen Siedepunkten wie z. B.

stufenweise stellbare Temperatursteuerung βίηΐe ett^ ^- ^⁹™ ^bekannt'^{die eine zeitlich} ablaufende,

Instrument AB, Schweden; Firmenprodukt^

Aufschlußvarianten benötigen hohe Ge*aJ?^S££nb££'^'' TT'T*'™ ^Grantlnstr^ents, GB). Diese

vollständig aus dem gesamten Reagenzg,asraum ausget eben sfnrf "⁹ ^™^ ^{Stoffbestandte}^ °hne Spritzveriuste

Alle genannten technischen Lösungen für Naßaufschlüsse in Reaktionsgefäßen besitzen ihre Heizung nur im Bereich des Probe-Reaktionsgemisches. Dadurch entsteht im Inneren des Reaktionsgefäßes stets ein negativer Temperaturgradient mit Richtung zur Gefäßöffnung, welcher ein rasches Destillieren der aufsteigenden Abdampfprodukte an der inneren Gefäßwand bewirkt. Sogenannte Hitzeschilder in den bekannten technischen Lösungen vermindern das Temperaturgefälle, verhindern es aber nicht. Das flächenhaft verteilte Destillationsvolumen wächst abhängig vom Temperaturverlauf und -Steigerungsrate der Unterhitze, vom Temperaturgradienten und von der Abgasabsaugung an, bis es zur Tropfenbildung kommt und in dieser Form in das Probe-Reaktionsgemisch zurückfließt. Dieses Zurückfließen abgekühlter Produkte verursacht hauptsächlich die Verspritzungen.

Eine günstige Lösung gegen Verspritzungen wird in der Offenlegungsschrift DE 2534773 mit Verfahren und Vorrichtung zur Mikro- und Spurenbestimmung von Stickstoff mittels Naßaufschluß beschrieben. Hier werden in Druckgefäßen aus speziellem Kunststoff, versehen mit Deckel und Sicherheitsventil, die Proben unter Luftabschluß naß aufgeschlossen. Die Handhabung der Druckgefäße von der Probenbestückung bis zum Spülprozeß ist aufwendig und bietet wenig Möglichkeiten der Mechanisierung und Automatisierung. Das Verfahren ist für Einzelbestimmungen ausgelegt und zu arbeitsintensiv für größere Serien.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Durchführung und programmierbaren Prozeßsteuerung von thermischen Naßaufschlüssen in einfachen, offnen, kurzen und geradwandigen Aufschlußgefäßen, die Makro-, Mikro- und Ultramikrobestimmungen erlaubt, durch die Steuerung mittels probenspezifischer Programme die thermischen Prozesse in den Gefäßen beherrscht, um Spritz- und Destillationsverluste zu unterbinden, den Zeitablauf optimiert und Möglichkeiten zum katalysatorfreien Aufschließen, Mechanisieren und Automatisieren des Aufschlußverfahrens bietet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die es ermöglicht, den im einzelnen Reaktionsgefäß erzeugten Temperaturgradienten in seinem Wirkungsbereich, Betrag und Richtung während des thermischen Naßaufschlusses so zu beeinflussen, daß in einfachen, offenen, kurzen und geradwandigen Aufschlußgefäßen die chemischen und physikalischen Prozesse dadurch so gesteuert werden, daß sie mit einem verspritzungsfreien vollständigen Abdampfen von Substanzen mit niederen Siedepunkten zeitoptimal ablaufen, ein Überdestillieren der Finalaufschlußlösung verhindert and der gesamte Aufschlußvorgang automatisiert wird.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zur automatischen Durchführung thermischer Naßaufschlüsse neben einem bekannten Aufschlußgerät mit den die Reaktionsgefäße umgebenden Funktionseinheiten wie Heizbereich für den unteren Teil der Reaktionsgefäße und Dampfabsaugung an den Gefäßöffnungen, welches in seinem Temperaturverlauf von einer angeschlossenen Steuer- und Regeleinheit über eine zeitabhängige Programmierung bestimmt wird, darüber hinaus aus zwei zusätzlichen, zwischen Heizbereich und Dampfabsaugung eingeschobenen Funktionseinheiten, dem Mehrfunktionsbereich mit drei von der Steuer- und Regeleinheit geschalteten Phasen, zweiter Heizbereich, Kühlbereich und thermischer Isolierbereich, wobei alle zur Erzeugung von unterschiedlichen Temperaturgradienten dienen, und dem thermoisolierenden Zwischenraum zur Ausbildung der Temperaturgefälle in jedem Reaktionsgefäß, wobei alle Funktionseinheiten des thermischen Aufschlußgerätes, die Reaktionsgefäße und ihr geometrisches Gestell im Aufschlußgerät während des Aufschlußprozesses eine funktionell Einheit bilden.

Die Funktionseinheiten umschließen das geradwandige, oben offene Reaktionsgefäß C und unterwerfen es in seiner Längsausdehnung verschiedenen Temperaturen (Fig. 1).

Der Heizbereich I 3 wirkt auf den unteren Teil des Reaktionsgefäßes C unmittelbar auf das Probe-Reaktionsgemisch 7; nach dem thermoisolierenden Zwischenraum 4 schließt sich der Mehrfunktionsbereich 5 mit seinem Heizbereich Il 5 a, Kühlbereich 5 b und thermischen Isolierbereich 5c in der Längsausdehnung an bis zur Gefäßöffnung, an welcher die Dampfabsaugung 6 erfolgt. Der thermische Aufschlußprozeß beginnt nach dem Einsetzen des mit Probe-Reaktionsgemisch 7 bestückten Reaktionsgefäßes C in das Aufschlußgerät Bund dem Starten der Programmsteuerung 1 der Steuer- und Regeleinheit A (Fig. 2). Die Programmsteuerung 1 bestimmt nun die zeitlichen Temperaturverläufe beider Heizbereiche I 3, Il 5a, den Einsatz der Gefäßkühlung 5b und des thermischen Isolierbereiches 5c und die Wirkung der Dampfabsaugung 6.

Das Prinzip der Steuerung zur Beherrschung der chemischen und physikalischen Prozesse bei thermischen Naßaufschlüssen im offenen, kurzen Reaktionsgefäß beruht auf drei Phasen (Fig. 2):

1. Phase: (positiver Temperaturgradient TG im Reaktionsgefäß C)

Der Heizbereich I 3 besitzt eine Anfangstemperatur T_n, bei der das Probe-Reaktionsgemisch 7 ohne Spritzverluste chemisch reagiert und siedet. Der Mehrfunktionsbereich 5 wird programmgemäß in den Heizbereich Il 5 a mit einer Temperatur Tu, stets oberhalb der des Heizbereiches I 3 liegend, versetzt.

Zwischen beiden Heizbereichen I 3 und Il 5a bildet sich längs des Reaktionsgefäßes C im Gebiet des thermoisolierenden Zwischenraumes 4 ein positiver Temperaturgradient TG aus, der die aus dem Probe-Reaktionsgemisch 7 austretenden Dämpfe weiter erhitzt, ihre Destillation an der Gefäßinnenwand verhindert und das Entweichen aus dem Gefäß C beschleunigt.

Die Temperatur T₁ des Heizbereiches I 3 wird im zeitlichen Verlauf programmgesteuert in dem Maße erhöht (Ti₂, Ti₃,...), wie es die thermischen Aufschlußreaktionen ohne Spritzverluste unmittelbar aus dem Probe-Reaktionsgemisch 7 heraus erlauben.

Diese 1. Phase dauert so lange, bis die intensiv gasentwickelnden Reaktionen abgeklungen sind und damit die Spritzgefahr beseitigt ist.

Die aus dem Gefäß C austretenden Abgase werden von der Dampfabsaugung 6 abgeführt.

2. Phase: (negativer Temperaturgradient TG im Reaktionsgefäß C)

Die Programmsteuerung 1 bringt nun mittels der Temperaturregelung 2 den Heizbereich I 3 auf die Aufschlußendtemperatur, die oberhalb der Siedetemperatur Ts des Reaktionsgemisches 7 liegt und setzt gleichzeitig den Heizbereich Il 5 a außer Kraft.

An seinen Wirkungsbereich tritt eine intensive Kühlung 5 b des Reaktionsgefäßes C. Die chemischen Reaktionen im Probe-Reaktionsgemisch 7 erfahren eine Beschleunigung durch die maximal mögliche Temperatur, bei der das Reaktionsgemisch selbst siedet und verdampft. Zwischen dem Heizbereich I 3 mit sehr hoher Temperatur Ti und dem Kühl bereich 5 b mit sehr niedriger Temperatur Tu bildet sich im Reaktionsgefäß C im Gebiet des thermoisolierenden Zwischenraums 4 ein stark negativer Temperaturgradient TG aus, der das vollständige Destillieren des verdampften Probe-Reaktionsgemisches 7 an der Gefäßinnenwand bewirkt und ihr Abgasen verhindert. Diese intensive Kühlung im Bereich 5 ist die sichere Basis für ein verlustfreies Destillieren aller Dämpfe bereits im unteren Teil des Reaktionsgefäßes C und gestattet eine Temperatur Ti im Heizbereich I 3 weit über der Siedetemperatur Ts des Reaktionsgemisches 7, damit die chemischen Reaktionen noch mehr beschleunigt werden, als es die bekanten technischen Lösungen erlauben. Entsprechend der Intensität der Kühlung 5 b kann ihre Wirkungsbreite auf das Reaktionsgefäß C und damit auch die des Mehrfunktionsbereiches 5 reduziert werden und ermöglicht dadurch den Einsatz von einfachen, offenen und vor allem kurzen Aufschlußgefäßen C. Neben dem Bereich zur Ausbildung des Temperaturgradienten TG dient der thermoisolierende Zwischenraum 4 der Reduzierung von Thermospannungen im Material des Reaktionsgefäßes C. 3. Phase:

Zur weiteren Beschleunigung des Aufschlußprozesses und zum Abspülen aller chemischen Rückstände an der gesamten Gefäßinnenwand sieht das Steuerprogramm kurze Zeitintervalle vor, in denen die Kühlung 5 b und die Dampfabsaugung 6 aussetzen. Im Mehrfunktionsbereich 5 bildet sich somit ein thermischer Isolierbereich 5c aus. In diesem Zeitabschnitt erhitzt der Heizbereich I 3 über Wärmekonvektion im Reaktionsgefäß C allmählich den gesamten Innenraum des Gefäßes C und die Dämpfe der Aufschlußiösung 7 destillieren bis in Nähe der Gefäßöffnung, ohne Absaugverluste zu erfahren. Mit dem erneuten programmäßigen Einsetzen der Gefäßkühlung 5 b wandert das Destillat der Aufschlußlösung 7 an der Gefäßwand zurück zum Gefäßboden. Danach nimmt die Dampfabsaugung 6 wieder Einfluß.

Für diese Art Spülprozeß mit geringem Volumen an Reaktionsgemisch 7 eignen sich natürlich kurze und geradwandige Aufschlußgefäße C.

Diese 3. Phase des Aufschlußprozesses ist deshalb noch ein weiteres Kriterium für die Steigerung der Intensität und damit für die Zeitverkürzung des Aufschlußendprozesses, weil dadurch die thermisch wirksame Fläche auf das Probe-Reaktionsgemisch 7 entscheidend vergrößert wird.

Die genannten Kriterien zur Beschleunigung der chemischen Reaktionen in der 2. und 3. Phase können die Verwendung von Katalysatoren beim Naßaufschluß erübrigen, wenn sie bei weiteren Analysenschritten stören.

Der räumliche Wirkungsbereich der Funktionseinheiten läßt sich unterschiedlich· gestalten und kann an Makrobestimmungen mit großen Gefäßen bis Ultramikroanalysen mit kleinsten Gefäßen angepaßt werden. Er ist sowohl für ein Gefäß als auch für eine Vielzahl von Gefäßen auslegbar.

Als Reaktionsgefäße C eignen sich alle Größen einfacher Reagenzgläser aus Glas, die entsprechend des Probe-Reagenzgemischvolumens ausgewählt werden.

Für dieTemperatursteuerung des Aufschlußprozesses ist eine Regelgenauigkeit im Heizbereich I 3 von weniger als ±2°C in allen Temperaturbereichen notwendig, um die Grundvoraussetzung für reproduzierbare thermische Aufschlußprozesse ohne Spritz- und Destillationsverluste zu schaffen. Eine Anordnung mit einem elektrisch beheizten Metallblock, darin eingebrachten, thermoelektrischen Temperaturfühler und angeschlossener, steuerbarer, elektronischer Regelungsschaltung für den elektrischen Heizstrom erfüllt diese Aufgabe. An die Temperaturkonstanz des Heizbereiches Il 5a bzw. Kühlbereiches 5b wird keine hohe Anforderung gestellt.

Als Medium zur thermischen Isolation, Temperaturleitung und-Übertragung innerhalb der Funktionsbereiche 4 und 5 sind neben flüssigen und festen Stoffen Gase gut geeignet, im einfachsten Fall die Umgebungsluft. Im thermoisolierenden Zwischenraum 4 und im thermischen Isolierbereich 5c fungiert nicht bewegtes Gas als thermischer Isolator. Bewegtes Gas sowohl aufgeheizt im Heizbereich Il 5 a als auch unbeheizt im Kühl bereich 5 b dient der Temperaturleitung und der gleichmäßigen, homogenen Temperaturübertragung auf das Reaktionsgefäß C. Gas ist trocken und rückstandslos. Es läßt sich zu genannten thermischen Steuerzwecken über seine Strömungsgeschwindigkeit mit relativ einfachen Mitteln variieren und kann dadurch spontane Temperaturveränderungen in seinem Einflußbereich hervorrufen.

Bei Verwendung von Gas als thermisches Medium im thermoisolierenden Zwischenraum 4 und Mehrfunktionsbereich 5 ist der Einsatz einer Art von Gestell D zweckmäßig, welches die Reaktionsgefäße C fixiert, seine horizontalen Platten D-i, D₂, die Funktionsbereiche 5 im Aufschlußgerät B ausbilden und dadurch mit dem thermischen Aufschlußgerät eine funktioneile Einheit darstellt. Dieses Gestell D kann gleichzeitig Bestandteil sowohl eines Bestückungsplatzes für Probe- und Reaktionsgemisch in der Präaufschlußphase als auch einer Spülapparatur in der Postaufschlußphase mit Fortsetzung sich anschließender Analysenschritte sein, wobei ihre Funktionsweisen entsprechend der Probenserien manueller oder automatischer Natur sein können.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert.

Die Vorrichtung besteht₍wie in Fig. 1 dargestellt^erätetechnisch aus zwei getrennten^berfunktionell verbundenen Baugruppen.

Die starke Temperaturabstrahlung der Heizungen I, Il des thermischen Aufschlußgerätes B erfordern eine gehäusemäßige Trennung von seinem elektronischen Steuer- und Regelteil A.

Die Steuer- und Regeleinheit A umfaßt die diskrete Steuerung 1 aller Funktionseinheiten nach einem Zeitprogramm und die elektronische Regelung 2 der Temperatur des Heizbereiches I 3 in seinen programmgemäß vorgegebenen Intervallen. Diese Temperaturbereiche dürfen eine Toleranz von +2⁰C nicht übersteigen, um in der Phase des Abdampfens hauptsächlich der Stoffe mit niederen Siedepunkten keine Spritzverluste hervorzurufen. Eine elektrische Heizung 3b in einem Metallblock 3a mit thermoelektrischem Temperaturfühler und elektronischer Regelung 2 gewährleistet diese Forderung.

Die Steuerung 1 zum Betreiben der Funktionseinheiten 3,5,6 im Aufschlußgerät B ist mehrkanalig und elektrisch/elektronischer Art. Für die Temperaturintervalle des Heizbereiches I sind acht Kanäle und für die anderen vier Funktionseinheiten, Heizbereich Il 5a, Kühlbereich 5b, Isolierbereich 5c und Dampfabsaugung 6 je einer vorgesehen. Die Programmierung der Steuerung und

ihre Abspeicherung sind über Systeme^ie Programmscheibe, Loch- oder Magnetbandsysteme oder als gesamte Steuer- und Regeleinheit über einen Mikrorechner möglich. Die Synchronisation des Programmverlaufes erfolgt vorzugsweise im 1-Minuten-Takt.

Zur Minimierung der Aufschlußzeit bei Vermeidung von Aufschlußverlusten werden für die Vielfalt an Probenmaterialien unterschiedliche Programmabläufe eingesetzt.

Das Aufschlußgerät B (Fig. 3) ist nach außen thermoisoliert9 und besitzt im Innern einen Schacht 8 zur Aufnahme der Reaktionsgefäße C. In diesem Schacht 8 werden die Funktionsbereiche durch ein Gestell D ausgebildet. Das Gestell D besteht aus zwei parallelen Platten D₁; D₂ mit systematisch angeordneten Löchern zum Tragen und zur Halterung der Reagenzgläser C (Fig.4). Es ist so konstruiert, daß es geometrisch exakt in den Schächte paßt und mit ihm eine funktioneile Einheit bildet. Das Gestell D wird in der Präaufschlußphase'mit Reagenzgläsern C bestückt, in den Schacht 8 eingesetzt und dieser mit dem Deckel 15 verschlossen. Am Boden des Schachtes 8 befindet sich der Metallblock 3 a des Heizbereiches I 3. Im gleichen Rastermaß wie das Gestell enthält er kreisrunde Vertiefungen, in welche die Böden der Reagenzgläser C zwecks besserer Wärmeübertragung auf das Probe-Reaktionsgemisch 7 eingesenkt werden. Die Reagenzgläser C stehen im Metallblock 3a und ragen durch die untere Gestellplatte D₁, welche den thermoisolierenden Luftzwischenraum4überdem Heizbereich I 3 abschließt. Derdarüberliegende. Raum 13 zwischen beiden horizontalen Gestellflächen D₁, D2 durch welchen die Reagenzglashälse verlaufen, bildet den Mehrfunktionsbereich 5. Der Raum oberhalb des Gestells D bis zum Schachtdeckel 15, in den die Reagenzglasöffnungen hineinragen, übernimmt die Funktion der Dampfabsaugung 6 mit Austritt in einen Gasabzug.

An einer Querseite des Schachtes 8 ist ein Ventilator 11 mit seiner Austrittsöffnung über die gesamte Breite des horizontalen unteren Raumes 13 angebracht, welcher hier eine homogene Luftströmung erzeugt. Sie umströmt die vertikal stehenden Reagenzgläser und prägt ihnen in diesem Bereich gleichmäßig ihre Eigentemperatur auf. Im Luftstrom befindet sich eine elektrische Heizung 12, die programmgesteuert im eingeschalteten Zustand den Heizbereich Il 5a und im abgeschalteten den Kühlbereich 5 b entstehen läßt.

An der dem Ventilator 11 gegenüberliegenden Schachtseite wird der Luftstrom vom unteren in den oberen Raum 14 umgelenkt und überstreicht die Reagenzglasöffnungen, um mit den austretenden Aufschlußabgasen in den Abzug zu entweichen. Die strömende Heißluft in der 1. Aufschlußphase verhindert jegliche Destillation der Abgasprodukte innerhalb des Aufschlußgerätes. Durch den Ventilatorstop in der 3. Aufschlußphase kommt der Luftstrom zum Erliegen und setzt dadurch auch die damit verbundene Dampfabsaugung 6 außer Kraft. Im Schachtinnenraum 8 bildet die stehende Luft ein thermisches Isolationsmedium 5c und begünstigt das Aufheizen der Reagenzgläser C über ihre gesamte Länge durch Konvektion. Die abdampfende Aufschlußlösung 7 kann nun bis in Nähe der Reagenzglasöffnungen verlustlos aufdestillieren, da ein absaugender Luftstrom nicht existiert.

Mit einem anfangs langsamen und dann zunehmenden Luftstrom des Ventilators 11 mit Bedacht auf Vermeidung von Destillationsverlusten geht der Isolierbereich 5c allmählich in den Kühlbereich 5 b wieder über und im gleichen Maße wirkt die Dampfabsaugung 6.

Ist ein Abzug zur Abgasabsaugung nicht vorhanden, oder die Umweltbelastung ist durch zu große Mengen an Aufschlußabgasen unzulässig, kann der obere Raum mit den Reagenzglasöffnungen nach außen hermetisch abgeschlossen sein. Über ein angeschlossenes Absaugsystem mittels Saugpumpen und. Waschflaschen oder eine Wasserstrahlpumpe ist die Abgasentsorgung möglich.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   -1- 25348T

   Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Aufschlüssen zur Anwendung kommen ^{ReaktlOnsverlaufe}'^{wie sie} *· B- ·" der Stickstoff- bzw. Proteinanalytik bei Kjeldahl-

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik