DE2017351B2 - Verfahren und Reaktor für chemische Umsetzungen an unlöslichen Trägern mittels einer Reaktionsflüssigkeit - Google Patents

Verfahren und Reaktor für chemische Umsetzungen an unlöslichen Trägern mittels einer Reaktionsflüssigkeit

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausführen von chemischen Umsetzungen an unlöslichen Trägern mittels einer Reaktionsflüssigkeit unter Anordnung des Trägers vor einer für Feststoffe undurchlässigen und für Flüssigkeiten durchlässigen semipermeablen Wand (Fritte), durch die man die Reaktionsflüssigkeit strömen läßt, sowie einen Reaktor zum Ausführen dieses Verfahrens, insbesondere zur Peptide-Synthese mit einer in einem Gefäß vorgesehenen semipenneablen Wand (Fritte), durch die eine Reaktionsflüssigkeit hindurclitreten kann, die jedoch den Träger zurückhält.
Derartige Reaktoren sind als Schüttel-, Rühr-, Begasungs- und Pulsationsapparaturen verschiedenerorts in Betrieb. Bei dieseD Reaktoren haben die Harzpartikeln, die in Kontakt mit Reagenzflüssigkeiten gehalten werden sollen und hierzu geschüttelt oder auf andere Weise diffus bewegt werden, jedoch noch eine Chance, sich dem Kontakt mit den Reagenzflüssigkeiten zu entziehen. Außerdem führt die mechanische Bewegung eines Harzes in Reaktoren mit eingebauter gläserner Fritte gemäß den genannten Schüttel-, Rühr- und Begasungsapparaturen allmählich zur unerwünschten Zerkleinerung der Harzpartikeln (Verstopfungsgefahr), da eine Fritte wie eine Reib- und Mahlfläche wirkt. Alle genannten Reaktoren besitzen im übrigen, gemessen an der Fläche des Reaktors eine nur kleine, flüssigkeitsdurchlässige Fritte. Außerdem bedürfen sie zur Entleerung eines äußeren Effektes wie Druck oder Vakuum. Bei den genannten Pulsationsapparaturen schließlich verlangsamen Flüssigkeitsreste einen Auswaschvorgang sehr, zumal sie lediglich unter der Schwerkraft leerlaufen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile der vorerwähnten Reaktoren durch ein andersartiges Verfahren und einen andersartigen Reaktor zu vermeiden.
Zur Lösung sieht die Erfindung die Vereinigung folgender Verfahrensschritte vor:
a) man läßt die semipermeable Wand rotieren und lagert den Träger unter der Zentrifugalkraft an der Wand an;
b) man führt die Reaktionsflüssigkeit im Kreislauf durch den Träger und die semipermeable Wand.
Ein Reaktor zum Durchführen dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß durch die Verengung folgender Merkmale gekennzeichnet;
a) In dem Gefäß ist eine Schleudertrommel angeordnet, deren Mantel aus dem semipermeablen Material besteht und zusammen mit der Wand des Gefäßes einen Ringspalt bildet, der oben mit einem Auslaß für die durch den Mantel der Schleudertrommel hindurchtretende Flüssigkeit versehen ist;
b) der Auslaß ist mit einem Einlaß in die Schleudertrommel verbunden.
Zentrifugen sind an sich bekannt (»Laborationsteehnik der anorganischen Chemien von B. Keil. Berlin, 1961, S. 201 bis 202 und Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 3. Auflage 1951, erster Band: Chemischer Apparatebau und Verfahrenstechnik, S, 510 bis 512 und 517). Bei den bekannten Fest-Flüssigkeit-Siebzentrifugen hsndeit es sich jedoch nicht um eine chemische Umsetzung zwischen Flüssigkcitsbsstandteilen, sondern um eine Abtrennung einer Flüssigkeit von einem Feststoff, mit dem sie vorher eine Mischung eingegangen ist. Bei der Erfindung handelt es sich jedoch darum, Reaktionen zwischen zwei Flüssigkeiten durchzuführen.
Bei dem Tleaktor n?.ch der Erfindung wird das zu behandelnde Harz intensiv von Flüssigkeiten durchdrungen, ohne selbst geschüttelt oder auf andere Weise diffus bewegt werden zu müssen. Dadurch kann die poröse Wand des Schleudermantels auch nicht als Reib- oder Mahlfläche auf den Träger einwirken. Kein Harzpartikel oder anderer Träger kann sich ferner in dem rotierenden Reaktorbecher dem Kontakt mit Reaktionsflüssigkeiten entziehen.
Die Rotationsbewegung des Reaktorbechers läßt sich gleichförmig regeln und kann ohne Änderung des Effektes umgekehrt werden. Der Konstruktionsund Antriebsaufwand ist minimal; insbesondere braucht auch nicht eine Rotations- in eine Auf-AbBewegung umgeformt zu werden, wie es bei Schütielapparaturen der Fall ist, und dort Materialbelastung, Geräusch und konstruktiven Aufwand bedeutet. Ferner ist der Entleerungsvorgang im Reaktor mit rotierendem, porösem Reaktionsbecher wesentlich verbessert worden durch das günstige Verhältnis von flüssigkeitsdurchlässiger zu -undurchlässiger Fläche, was zu kurzen Entleerungszeiten und keiner Verstopfungsgefahr führt. Bei Öffnen des Abflusses schleudert der poröse Rotor sehr rasch und vollständig Lösung in oder Waschmedien ab.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen durch die vertikale Mittellinie eines Reaktors gemäß der Erfindung geführten Querschnitt
F i g. 2 bis 5 verschiedene Phasen des in Betrieb befindlichen Reaktionsgefäßes des Reaktors gemäß Fig.1.
Der in den Figuren und insbesondere in F i g. dargestellte Reaktor weist ein Untergestell 1 sowie ein auf diesem befestigtes Reaktionsgefäß 2 auf, innerhalb dessen der Reaktionsbecher 3 drehbar gelagert ist.
Das Untergestell 1 besteht aus einer ringförmigen Bodenplatte 10, einer ebenfalls ringförmigen Deckplatte 12 und Distanzhülsen 14, die mittels Stehbolzen 16, welche durch die Bodenplatte hindurchgreifen und mit ihren Enden in Gcwindelöcher 18 der Deckplatte eingreifen, zu einem starren Gestell verspannt sind. Die Köpfe der Stehbolzen dienen gleichzeitig als Füße zum Aufstellen des Untergestells auf einer Basis 20. Gegebenenfalls kann man auch statt der Stehbolzen einfache Gewindebolzen verwenden, die mittels Muttern 22, die auf das Gewinde 24 der Gewindebolzen aufgeschraubt sind, gespannt werden, um einen Niveauausgleich für das Untergestell zu bewirken.
Auf der Bodenplatte 10 ist ein Elektromotor durch Schwingmetallelemente 28 gelagert; der Antrieb des Elektromotors kann in nicht dargestellter konventioneller Weise, vorzugsweise drehzahlgcregeli, erfolgen.
Zentral aus der Oberseite des Elektromotors 26 ragt ein Abtriebswellenstummel 30 vertikal nach oben, der mit einer längs verlaufenden Keilnut 32 versehen ist. Auf dem Wellenstummel 30 ist ein nach unten offenes topfartiges Hülsenteil 34 aufgeschoben, das in seiner Hülsenwand 36 eine Gewindebohrung 38 aufweist, in die eine Madenschraube 40 eingeschraubt ist, die in die Keilnut 32 am Abtriebsweltenstummel eingreift und das Flülsenteil 34 gegen Relativdrehung gegenüber dem Abtriebswellenstumrael 30 sichert.
In eine Ringstufe 42 an der oberen Stirnseite des Hülsenteils 34 ist ein ringförmiges Permanentpolstück 44 so eingesetzt, daß seine Mantelfläche mit der übrigen Mantelfläche des Hüiscnieils 34 fluchtet. In der zentralen Öffnung des ringförmigen Polstücks ao ist eine Spreizschraube 46 in eine Gewindebohrung in der oberen Stirnseite des Hülsenteils 34 eingeschraubt und steht über einem Reibbelag 48 in nicht gleitendem Eingriff mit der Innenfläche des ringförmigen Polstücks 44. Es versteht sich, daß die dadurch bewirkte Sicherung von Hülsenteil 34 und Polstück 44 gegen Relativdrehung auch noch auf andere bekannte Weise vorgenommen werden kann.
Das Reaktionsgefäß 2 besteht aus einem Decke! 50, einem Boden 52 und einem Glaszylinder 54, der mit seinen freien Enden jeweils in eine Eindrehung 56 oder 58 im Deckel 50 bzw. Boden 52 eingreift und an seinen Stirnseiten sich an einem O-förmigen Dichtungsring 60 bzw. 62 im Deckel 50 bzw. Boden 52 abstützt. Die beiden Ringdichtungen 60 und 62 sind in entsprechende ringförmige Nuten im Deckel 50 bzw. Boden 52 eingelegt. Der Deckel 50, der Glaszylinder 54 und der Boden 52 sind mittels Stehbolzen 64 zusammengespannt, die zunächst durch zwischen Deckel 50 und Boden 52 eingesetzte Distanzhülsen greifen, durch Muttern 68 gegen den Boden 52 gespannt sind, so daß der Deckel 50, der Glaszylinder 54 und der Boden 52 das in sich starre Reaktionsgefäß bilden, und außerdem noch freie Endabschnitte 70 besitzen, die durch Bohrungen 72 in der Deckplatte 12 greifen und an deren Unterseite wiederum durch Muttern 74 verspannt sind. Dadurch wird das Reaktionsgefäß 2 mit dem Untergestell verbunden.
Es sei noch bemerkt, daß zwischen dem Boden des Reaktionsgefäßes 2 und der Deckplatte 12 des Untergestells 1 noch ein Schirmring 76 auf dem Stehbolzen 64 unter Verwendung zusätzlicher Spannmuttern 78 eingeschaltet ist.
Der Boden 52 des Reaktionsgefäßes 2 weist einen mit ihm aus einem Stück bestehenden, zentral aufragenden und in seinem Mantelbereich schmal ausgebildeten Stutzen 80 auf, der an seiner obere:· Stirnseite 82 abgeschlossen ausgebildet ist und im Zen-, trum der oberen Stirnseite mit einer Lagerspttze 60 versehen ist. Zwischen dem Mantel von Hülsenteil 34 und Polstück 44 einerseits und der Innenfläche des Stutzen,- 80 andererseits ist ein schmaler Ringspalt 86 ausgebildet, damit die Rotation der erstgenannten Teile bei Antrieb des Elektromotors 65 nicht durch Berührung mit der Innenwand des Stutzens behindert wird. An der Stirnfläche des Polstücks 44 ist aus demselben Grunde vorzugsweise ebenfalls ein nicht besonders dargestellter Abstand gegenüber
dem oberen Abschluß 82 des Stutzens 80 vorgesehen.
Der Reaktionsbecher 3 besteht aus einem Bodenteil 90, einem in eine Ringnut 92 im Bodenteil 90 eingelassenen Mantel 94 aus gesintertem Polytetrafluoräthylen, der an seinem oberen Rand beidseitig verdickt ist und einer von diesem oberen Rand radial nach innen ragenden Blende 98, die in der Mitte bei 100 trichterförmig nach innen absteht.
Außer dem Glaszylinder 54 sind alle zur inneren Oberfläche des Reaktionsgefäßes 2 sowie zur inneren und äußeren Oberfläche des Reaktionsbechers 3 beitragenden Bauteile aus Polytetrafluoräthylen hergestellt oder wenigstens oberflächlich in entsprechender Weise korrosionsfest beschichtet.
Der Bodenleil 90 des Reaktionsbechers 3 weist eine nach oben ragende Einstülpung 102 auf, die an ihrer oberen Stirnseite mit einem Abschluß 104 versehen ist, in dessen Zentrum ein Lagerkonus 106 ausgespart ist. der zusammen mit der Lagerspitze 84 eine Spitzenlagerung des Reaktionsbechers 3 auf dem Boden 52 des Reaktionsgefäßes 2 ergibt. Radial innerhalb der Einstülpung 102 ist ein ringförmiges permanent magnetisches Gegenpolstück 108 zum Polstück 44 eingebettet. Dieses wird von einer Zwischenhülse 110 radial außen und von deren unten radial nach außen abstehenden Flansch 112 auch von unten gehalten. Die Zwischenhülse 110 ist mit dem Bodenteil 90 des Reaktionsbechers 3 starr befestigt. Eine entsprechende, nicht dargestellte starre Befestigung ist zwischen dem Bodenteil 90 und dem aufgesetzten semidurchlässigen Mantel 94 sowie zwischen diesem und der Blende 98 vorgesehen.
Die Zwischenhülse 110 dient als Gleitlager auf der äußeren Mantelfläche des Stutzens und ergänzt so die Lagerwirkung des Szitzenlagers 84,106.
Unterhalb des Bodenteils 90 des Reaktionsbechers 3 ist eine weite konische, zum Abziehen von Reaktionsflüssigkeit dienende Sammelnut 120 ausgespart, deren Grund an einen radial im Boden 52 des Reaktionsgefäßes nach außen führenden Kanal 122 angeschlossen ist, an den außen eine Flüssigkeitsabzugsleitung 124 angeschlossen ist.
Zentral im Deckel 50 des Reaktionsgefäßes ist ein Deckeleinsatz 126 durch eine O-förmige Ringdichtung 128 gegenüber dem Deckel 50 abgedichtet zentral eingesetzt und mittels Schraubbolzen 130 und in Bohrungen 132 des Deckels 50 eingelagerten Haltemuttern 134 befestigt.
Der Deckeleinsatz 126 enthält verschiedene Zuleitungen 140, 142 und 144 z.B. für Reagenzlösung, Waschmedium und Inertgas; außerdem kann sie noch mit einer nicht dargestellten Entlüftungsöffnung versehen sein.
Zusammenfassend ergibt sich der Aufbau, kurz gefaßt, folgendermaßen:
Der gegen nahezu alle Chemikalien resistente Reaktor aus Polytetrafluoräthylen und Glas ist vollkommen geschlossen konstruiert und arbeitet nach dem Prinzip einer Waschmaschine. Er besteht im wesentlichen aus dem Reaktionsgefäß 2 und einem Rotor 3 als Reaktionsbecher im Inneren, dessen Seitenwand aus porösem Sinter-Polytetrafluoräthylen gefertigt ist, durch die Flüssigkeiten hindurchtreten können, Festkörper aber nicht.
Das Voiumen dieses Bechers, den die Magnetfeld-Kupplung 44, 108 mit dem Antrieb 26 verbindet, ist nur wenig kleiner als das Gesamtvolumen des Reaktors bzw. des Reaktorgefäßes 2. Der Rotor wird durch den aufschraubbaren Deckeleinsatz 126 im Gehäusedeckel 50 mit festem Trägermaterial beschickt. Dieser Deckeleinsatz trägt außerdem Polytetrafluoräthylen-Schlauch-Durchführungen 140, 142 und 146 für Reagenzlösungen, Waschmedien und In-
»o ertgas; eine zentrale öffnung im Deckel dient zur Entlüftung des Systems.
Der Boden 52 des Reaktionsgefäßes ist auf der Innenseite als ringförmige Rinne 120 ausgebildet und mit einer Abflußöffnung 122 für Flüssigkeiten verse-
hen. Die Funktionsweise dieses Reaktors ist folgende:
a) Im Reaktionsbecher, dem Rotor, befindet sich ao das Trägermaterial 150, meist ein quellfähiges,
aber unlösliches Polystyrol-Perlpolymerisat vgl. Fig. 2.
b) Um eine chemische Umsetzung an diesem Harz zu bewirken, fließt eine Reagenzlösung bei ge-
a5 offnerer Entlüftung in den Reaktor. Anschließend werden alle Zu- und Ableitungen durch Vent/fe geschlossen. Zur intensiven Durchdringung des Harzes mit der Flüssigkeit beginnt nun der Reaktionsbecher zu rotieren. Dieser Zu-
3„ stand einer sich allmählich auswirkenden Zentrifugalkraft ist in F i g. 3 dargestellt, wo 152 einen parabelartig ausgebildeten Spiegel der Reaktionsflüssigkeit bezeichnet.
c) Das Harz wird an die poröse Wand 94 des Rotors geschleudert. Die Reagenzlösung tritt der
Zentrifugalkraft wegen durch das Harz und die Wandung 94 des rotierenden Bechers hindurch, wird in dem schmalen Raum zwischen Rotormantel 94 und Gefäß 54 aufwärts gedrängt und am Reaktordeckel 50 wieder in den rotierenden Rotationsbecher geleitet. Dies begünstigt die schräg abwärts gerichtete Blende 98, 100 am oberen Rand des Reaktionsbechers, die gleichzeitig verhindert, daß Harz aus dem Rotor austreten kann. Es bildet sich ein vertikaler Flüssigkeitskreislauf aus, der zu einer intensiven Durchdringung des Trägerharzes mit Reagenzlösung führt. Dieser Zustand ist in F i g. λ veranschaulicht.
d) Wird der Abflußtubus 124 am Boden des Reaktors geöffnet, so entleert sich das Reaktionsgefäß selbsttätig durch die Schleuderwirkung des drehenden Rotors. Zufließende Waschmedien spülen auf gleiche Weise (a bis d) Reagenzreste aus dem Harz heraus, indem der geschilderte Vorgang der Durchdringung des Trägers mit Flüssigkeit und anschließender Entleerung durch Abschleudern mehrmals mit reinen Lösungsmitteln wiederholt wird.
In Fig.5 ist dargestellt, wie in diesem Zustand das Trägermaterial nach seiner Umsetzimg an der Innenwand des Rotors haftet, während die Flüssigkeit entsprechend dem Pfeil 154 abgezogen wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche;
1. Verfahren zum Ausführen von chemischen Umsetzungen an unlöslichen Trägern mittels einer Reaktionsflüssigkeit unter Anordnung des Trägers vor einer für Feststoffe undurchlässigen und für Flüssigkeiten durchlässigen semipermeablen Wand (Fritte) durch die man die Reaktionsflüssigkeit strömen läßt, gekennzeichnet ic durch die Vereinigung folgender Verfahiensschritte:
a) man läßt die semipermeable Wand rotieren und lagert den Träger unter der Zentrifugalkraft an der Wand an; 1S
b) man führt die Reaktionsflüssigkeit im Kreislauf durch den Träger und die semipermeable Wand
2. Reaktor zum Ausführen des Verfahrens ao nach Anspruch 1, insbesondere zur Peptide-Synthese mit einer in einem Gefäß vorgesehenen semipermeablen Wand (Fritte), durch die eine Reaktionsflüssigkeit hindurchtreten kann, die jedoch den Träger zurückhält, gekennzeichnet as durch die Vereinigung folgender Merkmale:
a) in dem Gefäß (2) ist eine Schleudertrommel (3) angeordnet, deren Mantel (94) aus dem semipermrablen Material besteht und zusammen mit der Wand (54) des Gefäßes einen Ringspalt bildet, der ober, mit einem Auslaß für die durch den Mantel der Schleudertrommel hindurchtretende Flüssigkeit vertreten ist;
b) der Auslaß ist mit einem Einlaß in die Schleudertrommel (3) verbunden.
3. Reaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß (2) abgeschlossen ist und daß der Reaktionsbecher (3) durch eine die Wand des Reaktionsgefäßes überbrükkende Magnetkupplung (44,108) antreibbar ist.
4. Reaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reaktionsgefäß aus einem mit Zuleitungen versehenen Deckel (50, 126) einem vorzugsweise zylindrischen Gefäßmantel (54) und einem mit einer zur Seite geführten Austragleitung (122) für Reaktionsflüssigkeit versehenem Boden (52) besteht und daß Deckel, Mantel und Boden gegeneinander abgedichtet (60, 62) lösbar zusammengespannt (64) sind.
5. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (94) des Reakt:onsbechers (3) zylindrisch ist und daß am oberei Rand des Reaktionsbechers eine nach innen ragende Blende (98,100) vorgesehen ist.
6. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßmantel (54) aus Glas besteht und alle zur inneren Oberfläche des Reaktionsgefäßes (2) sowie zur inneren und äußeren Oberfläche des Reaktionsbechers (3) beitragenden Bauteile aus Polytetrafluoräthylen hergestellt oder wenigstens oberflächlich in entsprechender Weise korrosionsfest beschichtet sind.
7. Reaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 6s dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (52) des Reaktionsgefäßes (2) mit einem zentral aufragenden Stutzen (80) ausgebildet ist, daß der Boden des Reaktionsbechers (3) eine den Stutzen gleitend umfassende Einstülpung (102) aufweist und daß an der Stirnseite (82) des Stutzens eine LagerspiUe (84) ausgebildet ist, die in einen Lagerkonus (106) an der unteren Stirnseite (104) der Einstülpung des Reaktionsbechers eingreift.
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