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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es
sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, um einen Rückstand,
der ein Material mit hoher relativer Molekülmasse enthält, wie z. B. DNA oder Protein,
durch zentrifugale Ultrafiltration zu isolieren. Die mit diesen
Techniken erzielten Ausbeuten und Rückstandsmengen variieren aufgrund
der Größe, Form
und Position der Filtermembran, der Positionen von Auslässen und/oder
der Anwesenheit von Leisten, Ecken oder Kammern in den Vorrichtungen erheblich.
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Häufig sind
mit diesen Vorrichtungen Begrenzungen oder Nachteile assoziiert.
So kann beispielsweise eine Vorrichtung möglicherweise keine Filtration
von Rückstand
bis nahezu zur Trockne verhindern oder kann so gestaltet sein, dass
sie aufgrund der Kammergeometrie, der Oberflächenspannungsverteilung oder
dergleichen den Zugang zu dem Rückstand
behindert oder ein komplettes Pipettieren des Rückstands verhindert. Ebenso
kann mit einer solchen Vorrichtung möglicherweise nur eine geringe
Ausbeute oder schlechte Trennung erzielt werden, oder sie braucht
möglicherweise
zu lange Zentrifugierzeiten. Außerdem
ist eine Vorrichtung möglicherweise
schlecht geeignet oder sogar vollkommen unfähig, von Robotern oder anderen
automatisierten Vorrichtungen vorbereitet oder benutzt zu werden.
Ferner ist eine Technik oder Vorrichtung möglicherweise beispielsweise
aufgrund einer ineffizienten Nutzung des Filtermembranbereichs und/oder
aufgrund von Herstellungskosten und/oder deshalb unwirtschaftlich,
weil sie eine lange Zentrifugierzeit benötigt.
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Daher
besteht Bedarf an einer zentrifugalen Ultrafiltrationsvorrichtung,
die auf zuverlässige
Weise hergestellt und benutzt werden kann.
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Es
besteht auch Bedarf an einer Trennungstechnik, die schnell, effektiv
und für
eine automatisierte Implementation geeignet ist.
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Es
besteht auch Bedarf an verbesserten Verfahren für die Herstellung oder Montage
von Filtrations- oder Konzentrationsgefäßen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultrafiltrationsgefäß nach Anspruch 1
bereitgestellt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Bilden eines Ultrafiltrationsgefäßes nach
Anspruch 13 bereitgestellt.
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Eines
oder mehrere der obigen Ziele werden gemäß der vorliegenden Erfindung
durch Bereitstellen eines Trenngefäßes mit einem konischen Abschnitt
erzielt, der bis zu einer geschlossenen Spitze und einer Öffnung in
der Wand des konischen Abschnittes verläuft, der von einem Filter bedeckt
wird. Größe und Struktur
der Filterporen sind derart, dass beim Zentrifugieren Fluidmaterial
wie Lösungsmittel und
gelöste
Stoffe mit einer relativen Molekülmasse unterhalb
eines Schwellenwertes durch den Filter und aus der Öffnung hinaus
fließen.
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Der
konische Bereich hat einen Kegelwinkel, der bewirkt, dass auf der
Innenseite des Filters angesammelter Rückstand in die geschlossene
Spitze hinabrutscht. Der Filter bedeckt vorteilhafterweise einen
Bereich, der wesentlich größer ist
als die Öffnung,
und wird durch die darunter liegende Wand getragen, so dass ein
großer
Filterbereich aktiv benutzt wird, und wirkt auch Verstopfung entgegen,
so dass eine schnelle Filtration ermöglicht wird. Die konische Form,
die sich von einem zylindrischen proximalen oder oberen Körperabschnitt
erstrecken kann, begrenzt darüber
hinaus ein großes
Materialreservoir in dem Gefäß und lässt es dabei
zu, dass das Aufnahmeende so bemessen wird, dass eine relativ geringe oder
kleine Fraktion, z. B. unter zwei Prozent, oder sogar unter einem
zwanzigstel Prozent, des Gesamtvolumens als Rückstand zurückgehalten wird. Der Filter
wird vorzugsweise durch einen Vorgang wie Wärmeverschmelzen oder Lösungsmittelschweißen um seine
Ränder
an der Wand verschweißt
oder befestigt und bedeckt einen Bereich, der sich von oberhalb
der Öffnung
wenigstens hinab bis zur Öffnung erstreckt.
Das Gefäß kann einen
oberen Flansch haben, so dass es in ein standardmäßiges Konzentrationsrohr
fallen kann, so dass das das Gefäß verlassende
Filtrat in dem Konzentrationsrohr gehalten wird und selbst weiterverarbeitet,
analysiert oder übertragen
werden kann. In einer Ausgestaltung dient ein ablenkbares Element
oder ein solcher Abschnitt des Gefäßkörpers als Druckentlastung zwischen
der Innenseite des Konzentrationsrohrs und der Innenseite des Trenngefäßes, so
dass das Gefäß mit einem
Deckel fest verschlossen zentrifugiert werden kann. Durch dieses
Merkmal wird ein Gefäß so gestaltet,
dass es überfüllt und
auf sichere Weise in einer üblichen
Schrägrotorbaugruppe
verarbeitet werden kann, ohne verschüttet oder hinausgeschleudert
zu werden, wodurch das erzielbare Einzelchargen-Konzentrationsverhältnis erhöht werden kann.
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Das
Trenngefäß kann durch
Positionieren eines geformten Filterbogens in den Konusbereich des Gefäßes mit
einem Werkzeug zusammengesetzt werden, das ein oder mehrere erhitzte
Bereiche hat, die so gestaltet sind, dass Bindesegmente in Umfangsbereichen
des Filters definiert werden, an denen der Filter mit dem Körper des
Gefäßes verschmolzen
wird. Der Filterbogen hat vorzugsweise eine Trapezform, die sich
beim Einsetzen in das Gefäß einrollt
und die Innenseite eines kegelstumpfförmigen Bereiches der Gefäßwand vollständig bedeckt.
Das Gefäß kann entlang
seiner Innenseite mit einer Ausrichtungsrippe oder einem anderen
Merkmal ausgebildet sein, die/das so positioniert ist, dass sie/es
an einem Rand des Filterblattes angreift und somit den Bogen orientiert
und ausrichtet, während er
sich beim Einsetzen gegen die gekrümmte Innenwand des Gefäßes rollt.
Ferner kann eine Leiste vorgesehen sein, um den eingerollten, ausgerichteten Filter
in seiner völlig
eingesetzten Position festzuhalten. Ein Binden des Filters an die
Wand erfolgt vorzugsweise dadurch, dass das Gefäß auf einen Kühlkörper gesetzt
wird, während
ein heißes
Eisen gegen die Innenseite gedrückt
wird, um die Filterstützmembran
mit der Gefäßwand zu
verschmelzen.
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Die
Erfindung stellt in einem weiteren Aspekt einen Zentrifugalkonzentrator
mit einer Ausrichtungsstruktur wie z. B. einer Rippe bereit, die
in einer Ebene durch die Konzentratorrohrachse verläuft und dazu
dient, eine keilförmige
Membran bei deren Einsetzen gerade entlang der Achse auszurichten,
und gewährleistet,
dass sich die Filterränder
von Öffnungen
des Gefäßes entfernt
befinden. Der Filter kann im Wesentlichen um den gesamten Umfang
verlaufen, so dass die gut ausgerichteten Ränder aneinander anstoßen und
präzise
abschließen,
wenn sie in der axialen Richtung mit einem Heftschweißgerät wie z.
B. einem Einsetz-/Wärmeschweißgerät, mit konischer
Spitze und/oder geschlitzt, angedrückt werden. Das Werkzeug kann
auch die Gefäßrippe über die anliegenden
Stoßränder schmelzen.
Eine Sitzleiste in der Gefäßwand, die
am oberen Rand des Filters angreift, unterstützt zusätzlich beim Orientieren oder Positionieren
der kegelstumpfförmigen
Filtermembran und stabilisiert die Filterposition beim Handhaben oder
Zusammensetzen.
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In
noch einem weiteren Aspekt ist das Konzentratorrohr so konfiguriert,
dass es in das Filtratsammelrohr passt und von diesem getragen wird, und
das Konzentratorrohr hat eine obere Abschlussfläche mit einer ablenkbaren Dichtungslippe,
die am Deckel des Filtratsammelrohrs abschließt. Die Lippe wird als Reaktion
auf Außendruck
in dem Sammelrohr mit Deckel abgelenkt und öffnet während der Zentrifugation, so
dass Druck über
einen Umgehungskanal abgelassen werden kann, so dass der Druck aus
dem Sammelrohr zum Konzentratorrohr abgelassen wird, ohne dass Aerosole
aus der Zentrifugentrommel austreten oder ausgeblasen werden. So
kann das Konzentratorrohr überfüllt werden,
d. h. in einen Träger
mit festem Winkel bis auf eine höhere Füllhöhe geladen
werden, so dass der Fluidinhalt den Deckel benetzt, und doch ohne Überlaufen
oder Austreten verarbeitet werden, so dass das erzielbare Konzentrationsverhältnis erhöht und Geschwindigkeit
und Ausbeute des Konzentrationsverfahrens verbessert werden können.
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Die
Erfindung sieht auch ein Trenngefäß vor, das mit einer Zweischalenbauweise
als Teil einer Gefäßanordnung
in der Form einer Reihe von zwei oder mehr Gefäßen hergestellt werden kann.
Gemäß diesem
Aspekt der Erfindung wird eine Folie aus einem geeigneten Polymermaterial
mit einer Anzahl n von identisch gestalteten Mulden ausgebildet,
wobei jede Mulde der Hälfte
der gewünschten
Kammerform entspricht, und eine oder mehrere Öffnungen aufweist, die in einem
konisch geneigten Bereich davon ausgebildet sind. Dann wird ein
Bogen Filtermaterial über die
Mehrmulden-Polymerfolie gelegt und kann bei Bedarf in die Mulden
gedrückt
und dichtend befestigt werden, so dass sie die Öffnungen bedeckt. Das Befestigen
erfolgt durch Vorschieben von einem oder mehreren Werkzeugen wie
z. B. einer Pressform oder einer Heizdrahtmatrize, die vorteilhafterweise
in einer Richtung lotrecht zur Ebene des Bogens vorgeschoben werden,
um Scherbewegungen an der Oberfläche
des Filters zu vermeiden. Eine zweite, symmetrisch geformte, filtertragende
Polymerfolie wird dann darauf gelegt, um jede der Gefäßkammern zu
vervollständigen,
und die beiden Polymerfolien werden aneinander gebunden, z. B. durch
Wärmeverschmelzung,
Lösungsmittelverschweißung oder Ultraschallschweißen oder
dergleichen, um ein Band von n Gefäßen zu bilden. Die Geometrie
des Bandes entspricht vorzugsweise dem Gitterabstand einer standardmäßigen Mikrotiter-Platte
oder Multiwell-Aufnahmeschale und bildet z. B. eine Reihe von n
oder m Gefäßen, die
so beabstandet sind, dass sie in eine(n) standardmäßige(n)
n × m
Anordnung oder Rahmen passen, in die/den die Reihe selbst zum Zentrifugieren
geladen werden soll. Die Grundreihe kann auch so hergestellt werden,
dass sie in einen Abschnitt einer einzelnen Reihe oder Spalte der
Matrixanordnung passt, so dass mehrere verschiedene Sätze von
Gefäßbändern in
dieselbe Anordnung geladen werden können, die beispielsweise Maße von kn × jm haben,
wobei kj ganze Zahlen sind.
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Vorteilhafterweise
befindet sich der Rückstand,
da jede(s) Trenngefäß oder -kammer
der zusammengesetzten Anordnung um die Spitze des konischen Bereiches
herum zentriert ist, in einer definierten und regelmäßigen Gitterposition
und ist durch eine direkte und ungehinderte Axialbewegung zugängig, so
dass die Gefäßanordnung
so gestaltet ist, dass sie für
eine Roboterverarbeitung, ein Vollpipettenassay oder für Vorgänge mit
mechanisierten Handhabungsgeräten
geeignet ist.
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Die
Gefäße der vorliegenden
Erfindung bieten vorteilhafterweise einen großen Oberflächenbereich relativ zum effektiven
Volumen des Behälters und
arbeiten mit hohen Drehzahlen, wobei während des Betriebs die Filteroberfläche offen
bleibt. Der Filter wird grob an der benachbarten Gefäßwand gehalten,
so dass ein großer
Strömungsbereich über Zwischenräume für Filtrat
entsteht, das aus den Öffnungen
läuft,
und frei von internen strukturellen Hindernissen, an denen Fluid
hängen
bleiben und seine Effizienz verringern könnte.
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Das
Zusammensetzen von Gefäß und Filtermembran
erfolgt in einem bevorzugten Aspekt der Erfindung durch Einsetzen
eines geformten Heizwerkzeugs zum Erhitzen von Umfangsbereichen
der Filtermembran, während
diese an der Wand des Gefäßes anliegt.
Der Filter kann ein regeneriertes Zellulosematerial auf einer porösen Polyethylenstützschicht
sein, so dass das Werkzeug ohne hängen zu bleiben Kontakt mit
dem Zellulosematerial erhalten und die Stützschicht mit der Gefäßwand verschmelzen
kann. Gefäß und Filter
können
zwischen einem Kühlkörper und
einer Druckplatte platziert werden, wobei das erhitzte Element die
Pressplatte kontaktiert, um eine definierte Wärmeenergiedosis mit geregelten
Wärmecharakteristiken
auf die Schweißbereiche
zu übertragen.
Eine Ausgestaltung mit überhitztem
Stab und Fingerhut arbeitet mit einer Zweistufenheizung, um den
Filter vorzuheizen und dann anzuschweißen. Das Gefäß oder die
Pressplatte kann mit Vorsprüngen
oder partiellen Rippen versehen werden, um das Wärmeübertragungswerkzeug im Gefäß zu zentrieren
und ein vollständiges
Verschweißen der
beabsichtigten Schweißlinien
in Bereichen zu gewährleisten,
um den Filter über
den Öffnungen
zu verschließen
und ein Aufblähen
eines mittleren Bereiches zu verhüten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Diese
sowie weitere Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Erläuterung
und Illustration von repräsentativen
Ausgestaltungen in den Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigt:
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1 einen geformten Filtermembranbogen,
der für
das Gefäß der vorliegenden
Erfindung geeignet ist;
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2 eine alternative Form
für die
in der Erfindung verwendete Filtermembran;
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2A und 2B Schnittmuster zum Erhalten der Membran
von 1 bzw. 2 von großen fortlaufenden Bögen;
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3 eine erste Ausgestaltung
eines Trenngefäßes gemäß der Erfindung;
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4 das Einfügen eines
Filters in das Gefäß von 3;
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5 einen weiteren Schritt
zum Zusammensetzen des Gefäßes von 3;
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6 eine Ausgestaltung eines
Wärmeschweißeinsetzwerkzeugs
zum Durchführen
des Schrittes von 5;
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7 ein fertiges Trenngefäß mit einem quadratischen
Flansch;
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8 ein Band oder eine Patronenanordnung
von Trenngefäßen gemäß einer
weiteren Ausgestaltung;
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9 eine weitere Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Gefäßes, wobei
eine Filtermembran distal von der Auslassöffnung verläuft;
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10A–10D Schritte
zur Herstellung und Verwendung einer Bandanordnungsausgestaltung wie
der von 8;
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11A–11D eine
weitere Ausgestaltung eines Konzentratorgefäßes und Filters der Erfindung;
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12A–12C den
Druckablassvorgang der Ausgestaltung der 11A–11D;
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13A–13F Werkzeuge
für eine
weitere Herstellungsmethode und ihre Implementation; und
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14 Schritte des Verfahrens.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Im
Allgemeinen sieht die Erfindung der Anmelderin ein Trenngefäß vor, das
eine allgemein längliche
oder röhrenförmige Kammer
mit einem konischen Bereich bildet, in dem eine Ultrafiltrationsfiltermembran
die Passage von Lösungsmittel
und Material mit niedrigerer relativer Molekülmasse zu einer Ausgangsöffnung lässt und
zurückgehaltenes
Material mit höherer
relativer Molekülmasse
zu einem Rückstandsbehälter leitet.
Die Konstruktion bietet ein hohes Verhältnis von Filterbereich zu
Reservoirvolumen, einen hohen Filtratdurchsatz pro Zeiteinheit sowie
eine hohe Abscheidungseffizienz des zurückgehaltenen Materials. Durch
Positionieren der Ausgangsöffnung(en)
in der Nähe
des Scheitelpunktes eines Kegels kann die Baugruppe eine hohe Filtrationsrate
während
des gesamten oder eines großen Teils
des Zentrifugationstrennzyklus erzielen und dabei doch eine zurückbleibende
Fraktion isolieren, die weniger als ein oder zwei Prozent des anfänglichen Fluidvolumens
umfasst. Die Form jedes Filters ermöglicht eine höchst effiziente
Nutzung der Filtermembran, mit mosaikartigen Mustern, die aus einem großen zusammenhängenden
Bogen oder einer Rolle ausgeschnitten sind, so dass nur minimaler,
wenn überhaupt
Abfall entsteht. Ferner können
durch Befestigen des Filters an der Umgebungswand durch Umfangsschweißen entlang
Liniensegmenten siebzig Prozent oder mehr des Filterbereiches aktiv
benutzt werden. Man wird dies nach einer kurzen Betrachtung der
illustrativen Ausgestaltung und der repräsentativen Filterformen zu
schätzen
wissen, die auf konische Bereiche eines Trenngefäßes mit Öffnung angewendet werden.
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1 zeigt eine beispielhafte
Ultrafiltrationsfiltermembran 10. Die Filtermembran 10 ist
im Wesentlichen keilförmig
gestaltet, mit einem proximalen Ende 12 und einem distalen
Ende 14 sowie zwei Seiten 16, 18. Das
proximale und das distale Ende 12, 14 sind allgemein
gekrümmt
oder bogenförmig,
während
die Seiten 16, 18 im Wesentlichen gerade sind. Die
Filtermembran 10 hat einen aktiven Bereich 20 und
einen inaktiven Bereich 22. Der aktive Bereich 20 der
Filtermembran 10 entspricht dem Abschnitt der Filtermembran,
der, wenn die Filtermembran in einem Zentrifugenrohr steckt und
verschlossen ist, für eine
Ultrafiltration geeignet ist. Das heißt, der aktive Bereich 20 ist
der Bereich, durch den, wenn sich die Filtermembran in einem Trennrohr
oder -gefäß befindet,
die kleineren Fluidkomponenten permeieren, während die Filtermembran zentrifugiert
wird. Der Ausnutzungsgrad der Membran kann für ein Vorrichtungsdesign durch
Dividieren ihres aktiven Bereiches durch ihren gesamten aktiven
Bereich, den inaktiven Bereich und den Verschnittbereich berechnet
werden. In der Ausgestaltung von 1 hat
die Membran einen aktiven Bereich von etwa 1,0 cm2 und
einen inaktiven Bereich von etwa 0,22 cm2,
ohne Verschnittbereich. Somit beträgt die Herstellungseffizienz
etwa 0,82 oder 82%. Dieser hohe Wirkungsgrad für die keilförmige Filtermembran ist weitaus
höher als
die Wirkungsgrade von scheibenförmigen
Membrandesigns, die derzeit in der Technik zum Einsatz kommen.
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2 zeigt eine alternative
Ausgestaltung der Filtermembran 10 von 1. Die in 2 dargestellte
Filtermembran 10' ist
ebenfalls im Wesentlichen keilförmig,
aber die Filtermembran von 2 hat
ein proximales und ein distales Ende 12', 14', die aus zwei im Wesentlichen
geraden Rändern
gebildet sind. Die Seiten 16', 18', die die Enden 12', 14' miteinander
verbinden, sind jedoch allgemein identisch mit den Seiten 16, 18 der
Filtermembran von 1. Das
keilförmige
Design der Filtermembran 10' von 2, und ihre im Wesentlichen ähnlichen
Abmessungen im Vergleich zur Filtermembran von 1 sind derart, dass ihr Wirkungsgrad
etwa 82% beträgt.
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Wie
in den 2A und 2B dargestellt, können die
Filtermembranen von 1 bzw. 2 jeweils fliesenartig entlang
eines Bandes ausgelegt werden, in abwechselnde Richtungen weisen
und ohne Verschnitt aus Filtermembranstreifen ausgeschnitten werden,
die zuvor mit Rollmatrizen geschlitzt wurden, so dass die oben angedeuteten
Formen entstehen. Die durchschnittliche Fachperson wird verstehen, dass
die Filtermembranformen von 1 oder 2 variiert werden können, und
auch, dass andere Filtermembranformen mit der vorliegenden Erfindung
zum Einsatz kommen können,
während
die damit zusammenhängenden
Vorteile weiterhin erzielt werden. Im Allgemeinen sollte die Membran 10 oder 10' jedoch, unabhängig von
ihrer genauen Form, eine solche Dicke und Porengröße haben,
dass globuläre
gelöste Stoffe
mit einer relativen Molekülmasse
oberhalb eines Schwellenwertes erhalten werden können, z. B. von wenigstens
etwa 10.000 Dalton. Für
eine DNA-Reinigung oder -Konzentration sollte die Membran 10 oder 10' vorzugsweise
eine Porenstruktur haben, die so bemessen ist, dass globuläre gelöste Stoffe
von wenigstens über
etwa 30.000 Dalton oder um etwa 150.000 Dalton erhalten werden können.
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3 zeigt einen Reservoir-Körper 30 oder ein
Konzentrationsrohr der vorliegenden Erfindung, in dem eine Filtermembran 10 oder 10' von 1 oder 2 steckt. Der Reservoir-Körper 30 ist
allgemein ein Rohr mit einem proximalen Abschnitt 32 und
einem distalen Abschnitt 34 sowie einer Längsachse 36.
Der proximale Abschnitt 32 des Rohrs 30 ist zylindrisch,
z. B. mit einem im Wesentlichen konstanten Durchmesser, während der
distale Abschnitt im Wesentlichen konisch ist und sich zu einer
geschlossenen Spitze 37 verjüngt. Der distale Abschnitt 34 des Rohrs 30 beinhaltet
wenigstens einen Öffnungsbereich 38.
Das Rohr 30 beinhaltet vorzugsweise zwei bis vier Öffnungsbereiche 38.
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Ein
beispielhaftes Rohr 30 für die Verwendung mit der vorliegenden
Erfindung ähnelt
einem konventionellen Mikrozentrifugenrohr aus Polypropylen, das
etwa 0,6 Milliliter Material aufnehmen kann und wiederum in ein
größeres Mikrozentrifugenrohr mit
einer Kapazität
von etwa 1,5 bis etwa 2,0 Milliliter passt. Das Rohr 30 kann
mit einem breiten Bereich von Winkeln und Kräften zentrifugiert werden.
Das Rohr ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass es Kräfte von
bis zu 20.000 G aushalten kann. Das Rohr kann in einem Rotor mit
festem Winkel von 45° verwendet oder
in eine Öffnung
einer Halterung in einem Drehplattformgerät gesetzt werden. Das Rohr 30 hat
eine longitudinale Länge
zwischen etwa 1,0 und etwa 5,0 cm, von denen außer etwa 0,5 cm der gesamten
Länge über den Öffnungsbereichen 38 liegen.
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Die
Kontur Öffnungsbereiche 38 ist,
unabhängig
davon, wie viele enthalten sind, allgemein identisch und sie können auf
derselben oder einer anderen Höhe
entlang der longitudinalen Länge
des betroffenen Rohres 30 sein. Wie nachfolgend ausführlicher
in Verbindung mit den 4 und 5 beschrieben wird, wird
die Filtermembran 10 in dem Rohr 30 mit einem
Filter mit großem
Bereich montiert und so orientiert, dass beide im Wesentlichen mit dem
Zentrifugalkraftvektor fluchten und die Öffnungsbereiche 38 bedecken.
Obwohl hierin nicht illustriert, sieht die vorliegende Erfindung
auch die Nutzung von anders geformten Rohren vor, einschließlich, aber nicht
begrenzt auf, im Wesentlichen zylindrische Rohre oder auf Rohre,
die vollkommen konisch sind, keinen proximalen Abschnitt 32 haben
und bei denen im Wesentlichen der gesamte benetzte Wandbereich außer der
Spitze 37 von einer Filtermembran bedeckt wird.
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Der
distale Abschnitt 34 des Rohrs 30 beinhaltet einen
Rückstandsbereich 40 mit
geschlossenem Ende, in dem gewünschter
Rückstand
mit hoher Effizient isoliert wird und ohne Filterung zur Trockne entnommen
werden kann. Wie in 3 gezeigt,
befindet sich der Rückstandsbereich
ganz oder teilweise distal von den Öffnungsbereichen 38,
je nach dem Winkel, in dem die Achse 36 in Bezug auf den
Zentrifugalkraftvektor ausgerichtet ist. Der Rückstandsbereich 40 sollte
so geformt und platziert werden, dass eine vorbestimmte Menge an
gewünschtem
Rückstand
verbleibt, und kann, wie in der Technik allgemein bekannt ist, z.
B. durch Pipettieren oder durch einen Roboter oder mit einem anderweitig
automatisierten Gerät
entfernt werden. So können
z. B. in einem Behälter
von 0,6 ml Kapazität
die Öffnungen
in einer solchen Höhe
positioniert werden, dass ein Rückstandsvolumen 40 von
zwei bis zwanzig Mikrolitern definiert wird.
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4 zeigt die Filtermembran 10 von 1, während die Baugruppe in das
Zentrifugenrohr 30 von 3 gesteckt
wird. Die Ränder
der Filtermembran 10 werden eingerollt, so dass sie in
das Rohr 30 passen. Aufgrund ihrer Keilform führt sich
die Membran im Wesentlichen selbst. Insbesondere rollt sich die
Membran, wenn die schmale Spitze der Membran 10 in das
Rohr eingeführt
und durch den Eingang in Richtung auf den distalen, konischen Abschnitt
des Rohres 30 bewegt wird, zu einem gut ausgerichteten kegelstumpfförmigen Trichter,
der der Form des distalen, konischen Abschnitts des Rohres entspricht, so
dass ihre Seiten 16, 18 zusammenkommen und ihre
Enden 12, 14 jeweils einen kompletten Umfangsrand
bilden.
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Die
Membran 10 kann in den distalen Abschnitt 34 des
Rohres mit einem geeigneten oder entsprechend geformten Stab, Dorn,
einer solchen Gabel oder dergleichen eingeführt und distal darin bewegt
werden. Die Membran kann in den distalen Abschnitt 34 des
Rohres 30 mit demselben Instrument eingeführt werden,
das die Filtermembran verschließen
soll, wie nachfolgend erörtert
wird. Obwohl in 4 nicht
speziell dargestellt, kann die Membran 10' von 2 auf ähnliche
Weise in den distalen Abschnitt 34 des Rohrs 30 eingeführt und
distal darin bewegt werden.
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Nachdem
sie distal in eine vorbestimmte Stelle im distalen Abschnitt 34 des
Rohrs 30 bewegt wurde, kann die Membran 10 bei
Bedarf durch Beaufschlagen der Außenfläche des Rohres 30 mit
Unterdruck in ihrer Position gehalten werden, um sie fest gegen
die Öffnungen 38 zu
ziehen (oder mit einem solchen Unterdruck innerhalb der Spitze eines
Einführungsdorns),
und wird dadurch fest um den Umfang des Rohres geschlossen. Wie
in 5 gezeigt, hat der
Membranfilter im Allgemeinen drei Verschlussbänder: einen proximalen Verschlussabschnitt 50,
einen distalen Verschlussabschnitt 52 und wenigstens einen
vertikalen Randverschlussabschnitt 54.
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Die
Filtermembran 10 kann auf mehrerlei Weisen verschlossen
werden, z. B. mit Klebstoff oder einem Heißschmelzpolymer in oder entlang
dem inaktiven Bereich 22, oder durch Wärmeverschmelzen mit dem Gefäßkörper in
diesem Bereich. Unabhängig von
der Verschlusstechnik sollte die Filtermembran 10 jedoch
um den inaktiven Bereich 22 das Rohr 30 verschließen, so
dass die Filtermembran den/die Öffnungsbereich(e) 38 vollständig bedeckt
und es zulässt,
dass Material nur durch den Filter und dann durch die Öffnung(en)
das Rohr verlässt.
Ferner kann das extreme distale Ende der Filtermembran 10 bis zu
dem/den Öffnungsbereich(en) 38 verlaufen
oder unmittelbar distal damit verschlossen werden, oder es kann
weiter in den Rückstandsbereich 40 verlaufen.
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Die
Filtermembran 10 kann durch ein Wärmeschweißeinsetzwerkzeug 60 wie
in 6 gezeigt verschlossen
werden. Wie oben erwähnt,
hat das Einsetzwerkzeug 60 vorzugsweise einen länglichen Griff 62 und
eine konische Spitze 64, die so gestaltet ist, dass das
Einsetzwerkzeug die Filtermembran 10 bis zu dem distalen
Abschnitt 34 des Rohrs 30 einführen und die Filtermembran
außen
gegen eine Wand des distalen Abschnitts des Rohrs vor dem Verschließen der
Filtermembran daran gedrückt
werden. Ferner sollte das Einsetzwerkzeug 60 so gestaltet
die Filtermembran 10 aus einem solchen Material gebildet
sein, dass die Filtermembran mit dem Einsetzwerkzeug 60 verschlossen
werden kann, ohne die Membran zu zerreißen oder zu verkratzen und ohne
am Einsetzwerkzeug anzuhaften.
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In
einer beispielhaften Ausgestaltung hat das Einsetzwerkzeug 60 ein
distales Ende 66, das im Wesentlichen dieselbe Form oder
Kontur hat wie der distale Abschnitt 34 des Rohres 30.
Das distale Ende 66 des Einsetzwerkzeugs 60 beinhaltet
an seiner Oberfläche
auch eine Mehrzahl von Heizdrähten oder
-bändern 68,
die ebenfalls von Leitern erregt werden können, die im Griff 62 des
Einsetzwerkzeugs enthalten sind. Die Drähte oder Bänder 68 können NiChrom-Draht
oder -Bänder
oder auch Keramikbänder
sein, die mit Strom gespeist werden, um einen definierten Bereich
zu erhitzen, um einen gewünschten
Verschluss an der Filtermembran 10 in einer kurzen Zeit
von etwa zwei Sekunden zu bewirken. Die Oberfläche des Einsetzwerkzeugs 60 kann Merkmale
wie eine Waffeltextur oder Vakuumkanäle sowie Positionierzungen
für einen
verbesserten Griff und eine bessere Positionierung der Filtermembran 10 haben.
Das Einsetzwerkzeug hat vorzugsweise eine Mehrzahl von Vakuumkanälen an der
Spitze, die mit Unterdruck beaufschlagt werden, um ein vorgeschnittenes
Stück Filtermembran 10 aufzunehmen. Der
Filter wird dann in das Gefäß eingeführt und
von dem Einsetzwerkzeug 60 gelöst, wenn Unterdruck außerhalb
der Gefäßöffnungen
aufgebracht wird, um den Filter fest in seine Position an der Gefäßwand zu ziehen,
wo er dann wie oben beschrieben angeschweißt wird. Die durchschnittliche
Fachperson wird jedoch erkennen, dass Wärme auch mit RF oder anderen
Mitteln dem Einsetzwerkzeug 60 zugeführt werden kann, und dass seine
Greiffähigkeit
auf andere Weisen verbessert werden kann.
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7 zeigt eine Perspektivansicht
eines Rohres 30 mit einer verschlossenen Filtermembran 10.
Das Rohr 30 ist für
eine Platzierung in einem Schacht einer Multiwell-Schale zum Zentrifugieren gestaltet.
Der proximale Bereich des Zentrifugenrohres 30 beinhaltet
einen Flansch 70, der jede Form haben kann, die geeignet
ist, das Rohr zum Zentrifugieren in einen individuellen Schacht
oder einen Multiwell-Container einzuführen. In der in 7 gezeigten Ausgestaltung
ist der Flansch 70 im Wesentlichen quadratisch.
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Das
Rohr 30 der vorliegenden Erfindung kann in einer beliebigen
konventionellen Einzel- oder Multiwell-Zentrifuge eingesetzt werden,
wobei solche Multiwell-Zentrifugen Drehplattformvorrichtungen sein
können,
aber nicht sein müssen.
Eine Mehrzahl von Zentrifugenrohren 30 (eins, zwei oder
so viele wie nötig)
des in 7 gezeigten Typs
können
separat in einem Multiwell-Träger
platziert werden. Dieser Träger
kann dann bei Bedarf über
einer Multiwell-Aufnahmeschale 85 (10D) platziert werden, die zum quantitativen
Sammeln von Filtrat verwendet wird, das vom untersten Punkt der
Spitze 37 jedes Rohres tropft, das sich im passenden Aufnahmeschacht
darunter befindet. Allgemeiner ausgedrückt, die Rohre 30 können als
Bänder
oder Patronen 80 von acht (siehe 8) oder zwölf Rohren hergestellt werden,
so dass jedes Band eine Reihe oder eine Spalte eines konventionellen
96-Well-Plattenhalters füllt. Die
durchschnittliche Fachperson wird jedoch verstehen, dass Rohre 30 der
vorliegenden Erfindung in jeder beliebigen Multiwell-Zentrifuge
unabhängig
von der Zahl der Rohre oder der Matrixorientierung der mehreren
Schächte
verwendet werden können.
Ferner können
spezielle Adapterplatten ausgebildet werden, um beispielsweise vier
oder mehr solcher Rohre 30 in einem größeren Einzelschacht zu platzieren,
um die Filtrationszelle an verschiedene existierende Gefäße oder
Zentrifugen anzupassen oder um eine praktische Chargengröße aufzunehmen.
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Der
Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst auch eine Ausgestaltung
mit einer Anordnung, bei der ein Band 80 mit einer Mehrzahl
von Kammern hergestellt wird, indem ein Bogen oder einzelne Keile der
Membran 10 an zwei geformte Hälften entlang der axialen Ebene 75 wie
in 10A–10D gezeigt geschweißt oder
auf andere Weise gebunden wird, überschüssige Membran
bei „e" zwischen den Rohren
ggf. behandelt oder weggeschnitten wird, um ein zuverlässiges Fügen oder
Verschließen
zu gewährleisten,
und dann die Hälften
zu einem integrierten Band zusammengeschweißt werden, in dem jede Schachthälfte zwei
vertikale verschlossene Ränder bei
54 hat, die an oder unmittelbar neben der mittleren Ebene ausgebildet
sind. In dieser Ausgestaltung ist der Filter im Wesentlichen koextensiv
mit der gesamten Wand des Gefäßes, so
dass, wie durch die Meniskuslinie 76 gezeigt, im Wesentlichen
der gesamte Kammeroberflächenbereich
an der Filtration beteiligt ist.
-
Das/die
Rohr(e) 30, 80 der vorliegenden Erfindung ist/sind
so gestaltet, dass seine/ihre Platzierung in einer Einzelschacht-Zentrifuge
oder in den Bändern
oder Patronen einer Multiwell-Zentrifuge mit einem Roboter oder
einem anderen automatisierten Gerät durchgeführt werden kann. Ebenso erlaubt
die unbehinderte axiale Position des Rückstandsschachts die Zugabe
von Probenmaterial und die Beseitigung des Rückstands aus dem Rückstandsbereich
mit einem Roboter oder einem anderen automatisierten Gerät. Bei Bedarf
kann Rückstand
direkt im Rückstandsbereich
mit Multiwell-Fluorimetrie, Spektrofotometrie oder Luminometrie
analysiert werden. Darüber
hinaus kann die vorliegende Erfindung zur Durchführung von Diafiltration ausgestaltet
werden.
-
In
dieser Hinsicht kommt der gewünschte Rückstand
durch die Konfiguration einer Filtermembran, die an ihren Enden
die Öffnung
eines Rohres mit einem konischen Ende verschließt, vorteilhafterweise in einen
kleinen, mittleren, distalen Bereich, der sich sowohl auf der Achse
befindet als auch von der Filtermembran versetzt ist. So kann eine
Pipette den Rückstand
genau erreichen, ohne die Filtermembran zu berühren. Der Konus selbst hat
vorzugsweise einen Scheitelpunktwinkel von etwa 10° bis etwa
35°, am
meisten bevorzugt einen Winkel von etwa 10° bis etwa 20°, so dass die Oberfläche der
Filtermembran in diesem Bereich in einem steilen Winkel von nur etwa
5° bis etwa
10° in Bezug
auf den Zentrifugalkraftvektor liegt. Dies fördert ein ständiges Abrutschen
des dichteren gelartigen Rückstandsmaterials mit
höherer
relativer Molekülmasse,
das sich auf der Filteroberfläche
ansammelt, um diesen Rückstand auf
effiziente Weise zentrifugal hinab zum Scheitelpunkt zu kanalisieren.
Ferner kann durch Minimieren des Ansammelns von polarisierten zurückbehaltenen gelösten Makrostoffen
eine höhere
Strömungsrate und
eine minimale Rückhaltung
kleinerer Moleküle über den
gesamten Zentrifugierzyklus erzielt werden.
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9 illustriert eine alternative
Ausgestaltung
30' des
Rohrs
30 von
3,
bei der eine Filtermembran
10' etwas distal zu dem/den Öffnungsbereich(en)
38 verläuft. Dadurch
wird der Bereich
20 des Abschnitts der Filtermembran
10' vorteilhafterweise
vergrößert, der
gegen Ende des Zentrifugierzyklus bei der Annäherung an das gewünschte Rückstandsvolumen
aktiv bleibt. Ferner entsteht durch diese Verlängerung über die Öffnung hinaus ein hydrostatischer
fester Anschlag, der wiederum zu einer schnelleren Annäherung an
das gewünschte
Volumen mit einem Mechanismus führt,
wie er ausführlicher
im US-Patent Nr.
4,632,761 von
Bowers et al. beschrieben ist. Alternativ kann sich der distale
Verschlussabschnitt
52 im Wesentlichen in der Höhe der Schwelle
der distalsten Öffnung
38 befinden.
In diesem Fall wird der feste Anschlag allein durch Sequestrieren,
d. h. Isolieren des Rückstands
in dem kleinen, becherförmigen
Scheitelpunkt des Rohrs
40 bewirkt.
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Wenn
die beschriebene Ausgestaltung aus einem Mikrozentrifugenrohr von
0,6 Milliliter besteht und auf einem Drehplattformgerät geschleudert
wird, dann beträgt
das endgültige
Rückstandsvolumen etwa
0,006 Milliliter. Bei Schleudern auf einem Rotor mit einem festen
Winkel von 45° beträgt das Rückstandsvolumen
etwa 0,002 Milliliter. Wie aus der ungefähren Skala von 9 ersichtlich ist, liegen etwa 75 Prozent
des 0,5-Milliliter-Volumens
des Rohres über
dem proximalen Verschlussabschnitt 50 der Filtermembran 10', so dass der
1,0 cm2 Bereich dieses Designs, der zweimal
größer ist
als bei Geräten
des Standes der Technik mit diesem Volumenbereich, zu einem äußerst großen Verhältnis zwischen
dem aktiven Bereich der Filtermembran und dem Fluidvolumen über den
Verlauf der Volumenreduzierung führt. Man
erwartet, dass dies die Geschwindigkeit der Proteinultrafiltration
um einen Faktor von wenigstens zwei gegenüber bekannten Vorrichtungen
erhöht. Eine
weitere Verbesserung der Proteinfiltrationsrate, besonders bei Transmembrandrücken von
mehr als 150 psi, die dann erhalten werden, wenn die Vorrichtung
von 9 über 12.000
rcf hinaus zentrifugiert wird, ergibt sich dann, wenn die Innenwand
des Rohrs 30 im Bereich neben dem aktiven Membranbereich 20 mit
einem groben texturierten Muster geformt wird, das Mikrokanäle erzeugt,
durch die Filtrat lateral entlang des Zwischenraums zwischen der Membran
und der Wand zu der/den Öffnung(en)
fließen
kann. Die in 10 gezeigte
Vorrichtung hat vorteilhafterweise das Dreifache des Filterbereichs
der Ausgestaltung von 9 und
eine um zwei Drittel größere Probenvolumenkapazität, so dass
Durchsatz und Geschwindigkeit der DNA-Diafiltration weiter erhöht werden.
Ferner bedeckt die Zellulosemembran alle Abschnitte der Plastikkammerwände mit Ausnahme
der Spitze, wodurch effektiv ein Absorptionsverlust von DNA an der
Oberfläche
der Polymergefäßwand verhindert
wird. Darüber
hinaus kann der Filter, wie oben in Bezug auf 9 beschrieben wurde, für einen
hydrostatischen festen Anschlag positioniert werden, um einen Endpunkt
schneller zu erreichen. Mit dieser erhöhten Zyklusgeschwindigkeit wird
es effizient, einen gewünschten
Reinheitsgrad zu erreichen, beispielsweise um PCR-Primer effektiv zu
entfernen, indem einfach aufeinander folgende Diafiltrationszyklen
durchgeführt
werden. Die Vorrichtung ermöglicht
somit ein neues und effektives Verfahren für den Einsatz in der DNA-Amplifikation,
um unbenutzte Primer zu entfernen und das PCR-Produkt nach der Amplifikation
zu ernten.
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In
dieser Hinsicht wurde berichtet (Amicon Publication 304), dass eine
optimale Retention von PCR-DNA-Produkt von mehr als etwa 500 bp
und eine Beseitigung von kleineren Oligonukleotidprimern mit YM-100-regenerierten
Zelullosemembranen in einem Gerät
Centricon® 100
Filtrationsgeschwindigkeiten von höchstens einem Millimeter pro Minute
erfordern. Die vorliegende Vorrichtung gemäß 9 hat einen dreimal größeren aktiven
Oberflächenbereich
als jedes derzeit erhältliche
Mikrozentrifugengerät,
das die regenerierten Zellulosemembranen verwendet, die für eine hohe
DNA-Rückgewinnung
benötigt
werden, und somit kann davon ausgegangen werden, dass es zu einer
bis zu dreifachen Reduzierung der Zeit kommt, die benötigt wird,
um DNA mit einem Millimeter pro Minute zu diafiltrieren.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Filtermembran 10 aus
einem zweilagigen Filtermedium mit einem inneren regenerierten Zelluloseultrafilter
gebildet, der auf eine äußere poröse Folie
aus mikroporösem
Polyethylen mit ultrahoher relativer Molekülmasse (UHMWPE) gegossen wird.
Ein geeignetes Material wird von Millipore als deren Filterfolienmaterial
PLCCC, PLGCD, PLCGC, PLCTK oder PLCHK vertrieben, das in Reinigungssystemen
eingesetzt wird und von dem gefunden wurde, dass es globuläre gelöste Stoffe
mit einer durchschnittlichen relativen Molekülmasse von jeweils über 5.000,
10.000, 30.000, 70.000 oder 200.000 Dalton zurückhält. Ein weiteres geeignetes Material
ist eine regenerierte Zellulose auf einer Freudenberg- oder Tyvek-Stützschicht,
wie z. B. das Material, das von der Firma Kalle in Deutschland oder
von der Amicon Division von Millipore als deren YM-Membranlinie
erhältlich
ist.
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Die
regenerierte Zellulosemembran schmilzt nicht, während das Polyolefin-Stützmaterial
der Membran einen Schmelzpunkt hat, der ähnlich wie oder höher als
der von konventionellen Polypropylen-Mikrozentrifügenrohren
ist und sich auf kompatible Weise selbst daran anschweißt. Diese
Eigenschaft erlaubt eine einfache und saubere Fertigung der Vorrichtung
mit einem erhitzten konischen Einsetzgerät 60 wie oben beschrieben.
Vorteilhafterweise bewegt sich nach dem Wärmeschweißen der Filtermembran 10 gegen
die sich verjüngende
konische Gefäßwandfläche das
sich verjüngende
Einsetzgerät 60 selbst nach
dem Zurückziehen
von der nichthaftenden inneren (z. B. Zellulose-) Fläche der
Filtermembran weg anstatt daran entlang. So erzeugt ein solches
axiales Druckschweißen
der Membran mit einem Heizwerkzeug keinen Oberflächenabrieb, und die empfindliche
Filtermembranhautoberfläche
wird nicht beschädigt.
Das heißt,
die Kontaktgeometrie entlang einer konischen Oberfläche hat
zur Folge, dass sich das Werkzeug in einer Oberflächenablöserichtung
zurückzieht,
so dass ein Scheren oder Reißen
des empfindlichen Filtermaterials vermieden wird. Prototyptests dieser
Technik zeigten eine bemerkenswert hohe Intaktheit des Filters,
was die Durchführbarkeit der
Herstellung belegt.
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Die
oben erwähnten
vorteilhaften Filterraten- und -effizienzeigenschaften werden auch
mit der Filtermembran 10 erzielt, wenn sie im zylindrischen
Abschnitt des Trennrohrs 30 steckt oder bis dorthin verläuft. In
einem solchen Fall kann die konische Spitze 37 des Rohres 30 kürzer gemacht
werden, während der
Konuswinkel größer sein
kann, oder das Rohr kann anders konfiguriert werden, um das gewünschte Rückstandsvolumen
zu halten. In jedem Fall verläuft
die Filtermembran über
die Umfangswand des Gefäßes und
wird von dieser getragen. Diese Konstruktion mit einem Filter über der
Umfangswand kann auch auf zylindrische Zentrifugenrohre oder auf rein
konische Rohre wie oben erwähnt
angewendet werden. In jedem Fall wird ein relativ großer Filter hauptsächlich von
einer massiven Wand getragen, so dass sich ein hohes Verhältnis zwischen
aktivem Filterbereich und Reservoirvolumen ergibt, während das
Filtrat durch kleine Öffnungen
entweichen kann.
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Durch
die Bereitstellung eines Konzentrationsgefäßes, bei dem der Filter mit
einem Bereich der Umfangswand koextensiv ist und der Rückstand
in einer konischen Spitze aufgefangen wird, stellt man fest, dass
das Gefäß der Anmelderin
sowohl den verfügbaren
Bereich als auch die Offenheit des Filters vergrößert und gleichzeitig eine
wirksame Rückgewinnung
extrem geringer Volumen mit hoher Effizienz zulässt. Das Verhältnis zwischen
Probenvolumen und Rückstandsvolumen
kann anhand der relativen Höhe
der Permeatöffnungen
und der Bereitstellung von größeren Probenvolumen
im proximalen zylindrischen Abschnitt des Reservoirs geregelt werden. Ferner
ermöglicht
die Auswahl der effektiven Membranporengröße ein höheres Maß an Kontrolle über den
endgültigen
Rückgewinnungsprozentanteil
und die erforderliche Schleuderzeit.
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Das
Gefäß von 9 kann in Standardgrößen implementiert
werden, die mit denen von existierenden Konzentrations- oder Sedimentationsrohren identisch
sind. So kann die Vorrichtung beispielsweise mit einem im Handel
erhältlichen
0,6 ml Mikrozentrifugenrohr zur Bildung des Rückstandsreservoirs konfiguriert
werden. Diese Rohrgröße passt
in ein Filtratrohr mit einer Größe von 1½ bis 2
ml für
die Verwendung mit kleinen Probenanzahlen in einer konventionellen
Mikrozentrifuge mit einem festen Winkel von 45°. Alternativ kann dieselbe Grundvorrichtung
in 8 × 12
Rahmen über
einer 96-Well-Mikrotiterschale angeordnet werden, die mit einem
Schwingplattformrotor verwendet wird. Wie oben erwähnt, ist
der offene konische Rückstandsschacht
für automatisierte Probenzugaben
und Rückstandsernten
unter Verwendung konventioneller Laborroboter geeignet. Ferner erzielt
der Konzentrator mit einem 0,6 ml Probenvolumen und einem Fünf-Mikroliter-Rückstandsbehälter Konzentrationen
mit einem Faktor von mehr als hundert.
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Das
Steigern der Gefäßgröße hat jedoch mehrere
erhebliche Beschränkungen,
wenn die größeren Gefäße mit existierender
Zentrifugierausrüstung
kompatibel sein sollen. Wenn beispielsweise ein ähnliches Rohr mit einem standardmäßigen 15
ml Proben- oder Sedimentationsrohr verwendet werden soll, dann legt
die Aufnahme von Filtrat unterhalb des Rückstandsbehälters Beschränkungen
im Hinblick auf die Größe des Mikrozentrifugengefäßes und
seines Inhalts auf, während
dann, wenn ein 50 ml Rohr verwendet würde, die niedrigeren Drehzahlen
der benötigten
Zentrifuge hoher Kapazität
die Trenngeschwindigkeit von Vorrichtungen erheblich begrenzen würden, die
eine Filtermembran mit geringerer Porengröße verwenden, um Moleküle im Bereich
von 5000 bis 20.000 Dalton zurückzuhalten.
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Die
Anmelderin befasst sich mit diesen Einschränkungen in einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung, die in den 12A–12C illustriert ist, um eine
größere effektive
Chargengröße unter
Erreichung eines noch höheren
Konzentrationsverhältnisses
von über
2000 : 1 erzielt wird, das zum Konzentrieren äußerst verdünnter Proben oder für eine verbesserte
Diafiltration geeignet ist.
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Die 12A und 12B illustrieren ein 7 ml Zentrifugenrohr 130,
das gemäß der vorliegenden Ausgestaltung
der Erfindung konstruiert und in einem 15 ml Probenrohr 140 eines
konventionellen Typs positioniert ist und einen Verschlussdeckel 141 hat.
Wie gezeigt, ist, wenn sich das zusammengesetzte Paar Gefäße in einem
28°-Rotor befindet, 6,06
ml das maximale Filtratvolumen, das in das Aufnahmegefäß 140 gelangen
kann, bevor dieselbe Höhe
erreicht wird wie die des hydrostatischen festen Anschlags im Rückstandsbereich
unterhalb der Öffnung
des Gefäßes 130,
wenn diese Öffnung
so positioniert ist, dass sie einen Drei-Mikroliter-Rückstandsbehälter definiert.
Ferner befindet sich, wie in 12A im
selben Winkel dargestellt ist, wenn das Mikrozentrifugengefäß von sieben
Millilitern Gesamtkapazität
auf 5,2 ml oder mehr gefüllt
wird, der Meniskus in einem abgewinkelten Rotor an oder über der
Oberseite des Innengefäßes 130 (die
rechte Seite wie gezeigt). Somit legen das Probenvolumen, das in
das Mikrozentrifugenrohr passt, sowie das Filtratvolumen, das im
Aufnahmegefäß unterhalb
des Rohres aufgenommen werden muss, beide eindeutig Beschränkungen
im Hinblick auf die Menge an Material auf, die in dem Gefäß ohne Überlaufen
von Probe oder Dekantieren von Filtrat verarbeitet werden kann,
und diese Beschränkungen
nehmen bei Verwendung eines Rotors mit festem Winkel ab. Für das illustrierte
Drei-Mikroliter-Rückstandsvolumen
liegt der von dem Gefäß erzielte
Konzentrationsbereich zwischen 666 : 1 von einer 2 ml Probe und
2333 : 1 von einer 7 ml Probe. Somit beschränkt die durch die Überlauflinie
(12A) des Zentrifugenrohrs
auferlegte Begrenzung von 5,2 ml die erzielbare Konzentration auf
einen Zwischenwert von etwa 1733 : 1.
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Die
Anmelderin geht diese Begrenzung in der weiteren Ausgestaltung der
Erfindung dadurch an, dass sie ein Trenngefäß bereitstellt, das in ein größeres Aufnahmerohr
mit einem Deckel passt und das mit einem Rückschlagverschluss konfiguriert
ist, der als interne Druckentlastung wirkt, um überfüllte Probe in einer ruhenden
schrägen
Ausrichtung und die Hochdruckbedingungen während des anfänglichen
Zentrifugiervorgangs zu halten und auch um Luftdruck von der Filtratkammer
zur Rückstandskammer
unter den Unterdruckbedingungen zu leiten, die entstehen, wenn der
Probenstand im Trenngefäß zurückgeht und
der Druck im Aufnahmerohr während des
Zentrifugierens ansteigt.
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12C zeigt eine vergrößerte Schnittansicht
einer bevorzugten Implementation dieser Druckablassverschlusskonstruktion
im Trenngefäß 130 von 12B. Wie gezeigt, verläuft die
Außenwand 131 des
Gefäßes 130 aufwärts bis
zu einem Flansch 132, der auf dem Körper des Aufnahmegefäßes 140 aufliegt.
Das Aufnahmegefäß 140 wird
mit einem Deckel 141 mit einer Verschlussdichtung 142 geschlossen,
und der Flansch 132 des Trenngefäßes 130 verläuft bis
zu einer Oberseite 134, die an dem Dichtungsmaterial 142 anliegt.
Das Dichtungsmaterial im Deckel 141 kann ein komprimierbarer
Urethanschaumstoff sein. Wie in der detaillierten vergrößerten Ansicht
von 12C dargestellt
ist, umfasst die Oberseite 134 des Trennrohres eine Rückschlagverschlusslippe 134a,
die in einem nach innen gerichteten Winkel nach oben gegen die Dichtung
verläuft, um
ein fluiddichtes Band zu bilden, das die Oberseite des Trennrohres 130 gegen
die Dichtung verschließt. Die
Lippe 134a ist dünn
genug und in einem solchen Winkel angeordnet, dass, wenn Druckluft
zwischen der Außenwand 131 des
Trenngefäßes und
der Innenwand des umgebenden Aufnahmerohres 140 nach oben
drückt,
der zunehmende Druck die Lippe 134a nach unten ablenkt,
so dass Luftdruck von dem Gefäß 140 in
das Trennrohr 130 gelangen kann. Für diesen Vorgang kommuniziert
ein geformter Umgehungskanal, der am besten als Kanal 212 in
den 11B und 11C zu sehen ist, zwischen
dem umgebenden Gefäß und dem
Raum um die Lippe 134a. Wie in 12A gezeigt, ermöglicht diese Verschlussanordnung
ein Überfüllen des
Trennrohres 130, d. h. ein Füllen bis zu einem solchen hohen Stand,
dass, wenn das Rohr 130 in einen Schrägrotor gegeben wird, ein großer Teil
der Dichtung 142 darüber
benetzt wird, und die Lippe gegen den relativ hohen nach außen gerichteten
Druck abdichtet, der anfänglich
in diesem Bereich während
der Rotation mit hoher Drehzahl entsteht, bevor der Fluidpegel abfällt, ohne
aus dem Gefäß 130 in
das Aufnahmerohr 140 oder aus dem Deckel in die Zentrifugentrommel
zu entweichen. Das Trennrohr kann daher mit einer Kapazität von 7
ml anstatt dem unteren, schrägen Überlaufpegel
von 5,2 ml gefüllt
werden, wodurch eine um 34% höhere
effektive Reservoirkapazität
und ein entsprechend höheres
Konzentrationsverhältnis
von 2333 : 1 erzielt werden. Zu diesem Zweck wird das Rohr 130 in
einem zylindrischen Aufnahmerohr von höherer Kapazität als dem
existierenden handelsüblichen
15 ml Rohr von 12A, B verwendet. So kann z. B. mit einem Aufnahmerohr
wie dem Rohr 240, das wie in 11C gestrichelt
angedeutet modifiziert wurde, mit einer effektiven Geometrie zur Aufnahme
von 7 ml Filtrat unterhalb der Öffnung
des Gefäßes 130 im
Rotorkippwinkel die erhöhte
Kapazität
des belüfteten
Filtergefäßes 130 in
einem Rotor mit festem Winkel voll genutzt werden. Ein solches Aufnahmegefäß kann mit
einfachen Modifikationen an existierenden Rotoren oder Vorrichtungen
aufgenommen werden. Die Deckeldichtung kann mit einem Material mit
höherem
Modulus ausgebildet werden als das Polymer, das herkömmlicherweise
in Zentrifugenrohrdeckeldichtungen zum Einsatz kommt, um in Zusammenhang
mit der ablenkbaren Lippe eine geeignete Überdruckdichtungs- und Unterdrucklösecharakteristik
zu erzielen.
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Wie
weiter in 12C ersichtlich
ist, liegt der äußere Abschnitt 134b des
Randes des Gefäßes 130 fest
an der Deckeldichtung 142 an, während der untere Umfangsrand 134c des
Flansches 132 an der Oberseite des Sammelrohres 140 abschließt, so dass
eine Doppeldichtung entsteht, um ein Auslaufen aus dem Sammelrohr 140 zu
verhüten.
Das illustrierte Sieben-Milliliter-Gefäß kann einen Filter mit einer Fläche von
5,5 cm2 haben, so dass kürzere Schleuderzeiten mit der
größeren Charge
erzielt werden können.
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Es
lohnt sich zu unterstreichen, dass die Trenngefäße und Verfahren der vorliegenden
Erfindung einen Betrieb mit sehr hohen Drehzahlen beinhalten und
dass es daher notwendig ist, dass der Filter fest an der darunter
liegenden Gefäßwand angebracht
wird, um potentielle Leckwege zu vermeiden, und auch dass er von
der Wand gut abgestützt
wird, um Durchhängen
und Membranreißen
zu verhindern. Die Innenwand des Trenngefäßes ist vorzugsweise mit einer
rauen Oberfläche
ausgebildet, so dass sie sowohl den Filter über seinen vollen Bereich abstützt als
auch zulässt,
dass Filtrat zwischen der Außenseite
des Filters und der Innenwand des Gefäßes fließt oder sickert. Rückstand
rutscht effektiv an der Innenwand des Filters in dem Behälter ab,
und Filtrat sickert entlang der Außenwand zu den Öffnungen
und hält
so den Filter und die Filtratströmungspfade
offen.
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Zur
Installation der Filtermembran an einer konischen Oberfläche des
Gefäßes sieht
die Anmelderin ferner vor, dass die Innenfläche des Trenngefäßes mit
einer oder mehreren Ausrichtungsstrukturen wie in den 11A–11C illustriert
versehen wird. Diese Figuren illustrieren das bloße Gefäß (11A), das Anbringen einer
Filtermembran (11B)
daran und das fertige Trenngefäß in einem
Aufnahmerohr montiert (11C).
Jede Figur beinhaltet eine abwärts
weisende Draufsicht, die die Orientierung oder relative Position
der Komponenten des Gefäßes wie Rippen, Öffnung und
Dichtungslippe illustriert, und die auch einen vertikalen Abschnitt
entlang der Ebene aufweisen, die in der entsprechenden Draufsicht identifiziert
wird.
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11A illustriert eine Draufsicht
(oberer Teil) und eine vertikale Schnittseitenansicht eines Trenngefäßes 230 wie
dem Gefäß von 12 mit – zur Illustration – einer
Kapazität
von sieben Millilitern. Wie am besten in den Draufsichten zu sehen
ist, hat das Gefäß vier Öffnungen 238,
die in gleichen Abständen
um seinen Umfang verteilt sind, und beinhaltet ferner eine Ausrichtungsführung mit
der Form einer Rippe oder eines Blattes 231, das/die von
der Gefäßwand entlang
einer diametralen Ebene radial einwärts vorsteht. Die Rippe 231 verläuft gemäß der Darstellung
von der Nähe
der Mündung
(oben) des Gefäßes 230 bis
zu einer Stelle etwas oberhalb des unteren Endes der Öffnungen 238.
Ferner befindet sich die Rippe 231, die eine Breite von
beispielsweise etwa ½ bis
2 mm haben kann, in einem Sektor zwischen den Öffnungen und verläuft radial,
um eine erhöhte
Wand zu bilden, die beim Einsetzen der Filtermembran 210 in
das Gefäß an deren
Rändern 210a, 210b (11D) angreift und sie ausrichtet.
Die Membran 210 ist vorzugsweise so bemessen oder begrenzt
einen solchen Winkel, dass die Filterränder 210a, 210b an
beiden Seiten der Rippe an dieser anstoßen, und der Filter 210 wölbt sich
auswärts
in Ausrichtung mit der Gefäßwand. Wie
illustriert, wird die Membran mit Verschlussstreifen 215a, 215b jeweils an
Ränder 210a, 210b der
Gefäßwand geklebt
und wird ferner mit Umfangsverschlussstreifen 215c, 215d am
oberen und unteren Rand 210c, 210d angebracht.
Das Gefäß 230 weist
vorzugsweise auch eine Umfangsleiste 234 auf, die durch
eine Vertiefung der Gefäßwand in
einer solchen Höhe
gebildet wird, dass die Membran beim anfänglichen Einsetzen in das Gefäß erfasst,
ausgerichtet und gehalten wird. Das heißt, der obere Rand schnappt
unterhalb der Leiste 234 in seine Position, wenn der Filter
bis zu einer Tiefe eingeführt
wurde, in der die Öffnungen 238 bedeckt
sind. Dadurch wird der Filter voll stabilisiert und positioniert,
so dass Klebstoff (ggf.) erhärten
kann, oder es kann ein Verschmelz- oder Schweißwerkzeug (ggf.) eingeführt und
bewegt werden, um den Filter mit der Gefäßwand zu verbinden, ohne Gefahr, dass
der Filter verschoben oder fehlausgerichtet wird.
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Die
Verschlussstreifen 215a–215d nehmen vorteilhafterweise
nur einen relativ kleinen Teil des Filterbereichs ein; vorläufige Tests
weisen darauf hin, dass ein 0,5–0,75
mm breiter Streifen mit einer Nettooberfläche von weniger als einem Quadratzentimer einen
Filter vom Fünffachen
dieser Fläche
gegen die Wand des großen
Gefäßes von 12A–12C wie oben
erörtert
zuverlässig
abdichtet. Zusätzliche
Verschlussstreifen a, b, c wie in 11D gestrichelt
illustriert können
vorgesehen werden, um den mittleren Bereich des Filters an der Gefäßwand zu
befestigen und ein durch das Gewicht des Filters verursachtes Aufblähen zu verhüten, wenn
der Filterbereich bei seiner Ännäherung an
das endgültige
feste Anschlagvolumen unbedeckt wird.
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Wie
oben erwähnt,
erfordert die Installation der Filtermembran im Gefäß 130 das
Versiegeln des Filters an der Gefäßwand um einen Umfangsbereich, ohne
den Filter selbst zu beschädigen.
Es ist wünschenswert,
dass dieser Vorgang für
die Herstellung der erfindungsgemäßen Konzentratonsgefäße hoch automatisiert
wird. Zu diesem Zweck kann mit Impulsschweißen mit einem geformten Dorn
mit einem wärmeaktivierten
Draht oder Bandelement wie oben beschrieben gearbeitet werden, um
selektiv Wärme zu
applizieren, mit rascher Abkühlung
nach dem Verschmelzungsvorgang. Ein anderer Ansatz besteht darin,
ein geformtes Presseisen zu verwenden, das gegen den Filter eingeführt wird.
In beiden Fällen kann
das Gefäß von einer
externen Tragvorrichtung getragen werden, um Verformungen des Gefäßes zu verhüten.
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Ein
geeigneter Satz Werkzeuge für
ein solches Wärmeschweißen des
Filters an das Gefäß und die
Schritte dieses Vorgangs sind in den 13A–13F illustriert. 13A illustriert ein Trenngefäß 230,
das mit beliebigen der oben beschriebenen Gefäße identisch oder diesen ähnlich sein
kann, mit einer darin positionierten Filtermembran 210,
die die Öffnung 238 bedeckt.
Der Filter 210 wird wie folgt im Gefäß 230 befestigt. Das
Gefäß 230 wird
an einem Aufnahmekühlkörper 240 wie
in 13B gezeigt platziert.
Der Kühlkörper 240 kann
ein wärmeleitender
Block aus einem Material wie Kupfer sein und kann eine Aussparung
aufweisen, die so gestaltet ist, dass sie das Gefäß 230 aufnimmt
und dem Bereich des Gefäßes 230 entspricht,
in dem der Filter befestigt werden soll, z. B. der konischen Spitze.
Eine Eintrittsbohrung erlaubt das Einsetzen des Gefäßes 230,
und die Eintrittsbohrung des Blocks 240 ist etwas überdimensioniert,
so dass ein geringes Spiel oder ein Umfangsspalt im oberen Zugangsbereich 241 um
das Gefäß entsteht.
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Ein
fingerhutähnliches
oder längliches
hohles Wärmeübertragungswerkzeug 250 wird
dann in das Gefäß entlang
dessen Achse bis hinunter zu seiner Spitze eingeführt. Das
Wärmeübertragungswerkzeug 250 hat
einen allgemein länglichen
Schaftabschnitt 251 und einen Spitzenabschnitt 252.
Der Spitzenabschnitt hat einen Innenkegel und eine dicke Wand mit äußeren Oberflächenvorsprüngen, wie nachfolgend
ausführlicher
beschrieben wird, um als etwas verdicktes hohles Fingerhutelement
mit der Funktion als Wärmeaufnahme-
und -übertragungselement
zu dienen und in den zu schweißenden
Bereichen selektiv gegen den Filter zu drücken. Die Außenkontur
eines Schweißspitzenabschnitts 252 ist nicht
radial symmetrisch, sondern beinhaltet vertikal verlaufende vorspringende
Stege 252a, 252b, die der Stumpfnaht des Filters
entlang der Linien 215a, 215b (11D) entsprechen, und können Stege oder
Höcker
in Positionen haben, die den Kleblinien a, b, c von 11D entsprechen, sowie einen Umfangssteg 252c,
der der Oberkantenumfangsschweißung 215c von 11D entspricht, und einen
unteren vergrößerten Spitzenabschnitt 252d,
der radial vorsteht, um den Filter zu kontaktieren und gegen die Innenwand
des Gefäßes 230 am
unteren Filterrand zu drücken
(Bereich 215d an Rand 210d von 11D). Jeder der Stege hat steile Kanten
und eine gut definierte Oberseite und bildet einen engen Kontaktbereichsstreifen,
der etwa 30 Millizoll über
den Nichtkontaktabschnitt der Fingerhutoberfläche nach außen vorsteht. Somit hat die
Fingerhutoberfläche außerhalb
der beabsichtigten Schweißlinien
ein Relief, das effektiv eine Erhitzung der Nichtschweißbereiche
des Filters verhüten
kann. Die Stege 252a, 252b überspreizen die Zentrierungsrippe 231 (11A) und können beispielsweise
einen einzelnen Steg mit einem schmalen Schlitz bilden, um die Rippe
kontaktlos aufzunehmen. Wenn das Werkzeug 250 in das Gefäß abgelassen
wird, kann dieser Schlitz das Werkzeug im Gefäß ausrichten. Die verschiedenen Stege
und Höcker
an Haftlinienstellen dienen ferner dazu, das Wärmeübertragungswerkzeug zu zentrieren,
wenn es in das Gefäß abgelassen
wird, um zu gewährleisten,
dass, wenn später
ein hohes Wärmeniveau
aufgebracht wird, die beabsichtigten Schweißstellen gleichförmig sind
und das Gefäß selbst
sich nicht verzieht.
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Das
Wärmeübertragungswerkzeug 250 hat eine
zentrale Bohrung 255, in die dann ein Wärmeapplikatorstab 260 eingeführt und
abwärts
geschoben werden kann, bis er die Innenwand des Fingerhutbereichs 252 des Übertragungselementes 250 berührt und
Wärme in
die Übertragungswerkzeugwand
entlang deren Kontaktbereich 253 überträgt. Wie oben erwähnt, hat
dieser Fingerhutbereich des Übertragungswerkzeugs
eine dünne
Wand und gibt ihr so eine minimale thermisch wirksame Masse und schnelle
Heiz- und Kühleigenschaften.
Dann wird Wärme
auf den umgebenden Filter übertragen.
Der Heizstab 260 erhält
innigen Kontakt mit dem Fingerhut, um dessen Temperatur schnell
und gleichmäßig zu erhöhen, aber
die Erhitzung des Filters erfolgt vorzugsweise an den Stellen der
vorstehenden Stege oder Höcker
auf der Außenseite
des Übertragungselementes 250,
die sich in der Nähe
oder an der Gefäßwand befinden.
Die Spitze des Heizstabes 260 passt genau in das umgebende Übertragungswerkzeug,
und die einzelnen Werkzeuge 250, 260 werden unabhängig an
ihrem oberen Ende gehalten, um ein präzises Einsetzen und Herausziehen
ohne Binden der beiden Elemente der Heizbaugruppe zu ermöglichen,
und um ein Herausziehen des Heizstabes 260 zu ermöglichen,
ohne den gebundenen Filter beim Kühlen und Erhärten zu
stören.
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Das Übertragungswerkzeug 250 oder
sein Spitzenbereich 252 kann vor dem Einsetzen in das Gefäß 230 etwas
vorerhitzt oder gewärmt
werden. Gemäß einem
Hauptaspekt dieses Zusammensetzverfahrens ist der Heizstab 260 jedoch
die primäre Wärmequelle
und wird überhitzt,
d. h. auf eine Temperatur erhitzt, die recht hoch ist, z. B. um
Hunderte von Graden höher
als der Schmelzpunkt des Gefäßmaterials
oder der Filterstützschicht,
so dass er einen schnellen und geregelten Heizimpuls aufbringt,
um das Übertragungselement
auf eine Temperatur über der
Schmelztemperatur zu bringen. So kann der Heizstab 260 z.
B. auf einer Temperatur von etwa 400–475°C (750–875°F) gehalten werden, um nach dem
Einsetzen schnell und effektiv Wärmeenergie auf
das Übertragungselement 250 aufzubringen.
Das Übertragungselement 250 kann
zunächst
bei einer niedrigen Temperatur zwischen der Umgebungstemperatur
und 80°C
beginnen.
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Im
Allgemeinen sieht die Anmelderin vor, dass dieses Wärmeschweißen des
Filters in seiner Position wie in 14 gezeigt
erfolgt. Zunächst
wird der Filter im Gefäß positioniert,
und Filter und Gefäß werden
so gestellt, dass das Übertragungswerkzeug auf
einer Seite des Filters ist und der Kühlkörper das Gefäß auf der
anderen Seite trägt.
Das Schweißen erfolgt
dann vorzugsweise in zwei Stufen mit einer Vorheizstufe, die von
einer teilweisen Kompression des Filters in den Bereichen begleitet
werden kann, mit denen die Stege des Übertragungswerkzeugs in Kontakt
kommen, gefolgt von einer Kompressions- und Erhitzungsstufe, in
der das Wärmeübertragungswerkzeug
vorgeschoben wird, so dass es stärker
am Filter anliegt, um ein ununterbrochenes Verschmelzen entlang
der beabsichtigten Bondlinien zu gewährleisten. Der erhöhte Druck
der zweiten Stufe kann durch Weiterschieben des Heizstabes 260 um fünf oder
zehn Millizoll und/oder durch Aufbringen eines größeren Drucks über den
Heizstab 260 oder, äquivalent,
durch geringfügiges
Anheben des Kühlkörpers 240 aufgebracht
werden. Das Heizelement 260 wird dann zurückgezogen,
und die Baugruppe wird erhärten
und abkühlen
gelassen, bevor das Wärmeübertragungswerkzeug
aus dem Gefäß herausgezogen
und das Gefäß aus dem
Kühlkörperblock
entfernt wird.
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Diese
Schritte sind in den 13C–13F ausführlicher illustriert. Wie in 13C während der Vorheizstufe gezeigt
ist, wird der Heizstab 260 mit mäßigem/r oder leichtem/r Druck
oder Kompression in das Übertragungswerkzeug 250 vorgeschoben,
so dass seine konische Spitze an der Innenwand des Wärmeübertragungsfingerhuts 250 anliegt
und die verschiedenen vorstehenden Stege oder Punkte 252a, 252b ...
mit dem umgebenden Filter in Kontakt kommen. Zum Beispiel, bei einer
etwa 10 Millizoll dicken Filtermembran können die vorstehenden Stege
den Filter teilweise unter den Randschweißlinienpositionen 283 und
den Umfangsbandpositionen 281, 282 z. B. um 2 bis
5 Millizoll komprimieren, ansonsten befindet sich die Fingerhutoberfläche oberhalb
des Filters an anderen Stellen als im Nichtbindungsbereich 284,
ohne merkliche Wärmeübertragung
darauf. In dieser Stufe befinden sich die nicht vorstehenden Abschnitte
der Außenfläche des
Wärmeübertragungsfingerhuts
10 bis 15 tausendstel Zoll oberhalb der Filteroberfläche, so
dass nur ganz wenig Wärme,
ineffizient, durch Strahlung oder Konvektion übertragen wird, ohne direkten
Kontakt oder thermische Leitung. Infolgedessen wird der Filter vorzugsweise
in den Bindungsbereichen erhitzt, so dass Wasser in den Filtermaterialschweißbereichen
als Dampf austreten kann und genügend
Raum zum Entweichen in dem Spalt zwischen dem Übertragungswerkzeug 250 und
der Innenwand des Gefäßes 230 und
dem Filter hat. Zur Illustration, der Heizstab 260, zunächst auf 393°C–482°C (740–900°F), kann
das Übertragungselement
in der Vorheizstufe auf etwa 121°C–149°C (etwa 250–300°F) bringen,
um eine regenerierte Zellulosemembran an einem Polypropylengefäß zu befestigen,
und die Vorerhitzung erfolgt in Bindungsstreifen mit einer Breite
von 10 bis 80 Millizoll.
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Nach
dem Halten der Vorheizposition für mehrere
Sekunden, damit der Dampf entweichen kann, wird dann weiterer Druck
oder Bewegung auf den Heizstab 260 oder den Kühlkörper 240 aufgebracht,
und Übertragungswerkzeug
und Stab werden weiter in das Gefäß 260 vorgeschoben,
wobei ein fester Wärmeleitkontakt
hergestellt und der Filter entlang des Umfangs und entlang anderer
beabsichtigter Schweißbänder mit
der Wand des Gefäßes versiegelt
wird. Dieses Schweißen
bei voller Kompression ist in 13D illustriert.
An dieser Stelle kann die Übertragungswerkzeugtemperatur
illustrativ im Bereich von 177°C–204°C (350–400°F) liegen,
während die
Temperatur des Heizstabes 260 merklich abgefallen ist,
z. B. auf 249°C–316°C (etwa 480–600°F). Nach
dem Schließen
der Klammern 270 zum Halten des Übertragungswerkzeugs wird der
Heizstab 260 dann zurückgezogen,
so dass die Temperatur des Gefäßes durch
Wärmeleitung
in den Kühlkörper 240 und
am Schaft des Übertragungselementes 250 in die
Klammer 270 abfallen kann, bis die Bindung erstarrt ist.
Auf diese Weise wird ein geregelter Wärmebolus vorzugsweise in Bereiche
des empfindlichen Filters übertragen,
um zu schweißen,
ohne den Filter selbst zu scheuern oder zu beschädigen. Das Wärmeübertragungswerkzeug
wird dann herausgenommen und das fertige Gefäß 230 vom Kühlkörper genommen.
Wie in 13F zu sehen,
sind die Bondlinien 215a, 215c, 215d,
a, b in der fertigen Baugruppe aufgrund des Zusammenschmelzens der
Gefäßwand und
des Stützmaterials
in diesen Bereichen deutlich zu sehen.
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Dieses
Herstellungsverfahren hat große
Vorteile dahingehend, dass die thermisch wirksame Masse des Übertragungselementes 250 und
des Heizstabes 260 präzise
ermittelt werden, und ihre Anfangstemperaturen und die Aufenthaltszeit
des Heizstabes im Wärmeübertragungselement 250 können so
eingestellt werden, dass präzise
geregelte Wärmemengen
auf den Filter aufgebracht werden, sowohl zum Vorheizen als auch
zum Verschmelzen, während
keine eigentliche Bewegung des Filters oder Scherbewegungen auftreten,
wenn die Baugruppe auf einer hohen Temperatur ist. Der Kühlkörper 240 stellt
einen steilen Wärmegradienten
durch die Wand des Gefäßes her,
so dass der Körper
des Gefäßes 230 intakt
bleibt und eine schnelle Erstarrungszeit gewährleistet wird, während hohe
Druckniveaus aufgebracht werden können, um ein vollständiges Verschmelzen
entlang der schmalen Bondlinien und Haftbereiche des Filters zu
gewährleisten.
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Der
Heizstab 260 kann auf der gewünschten Temperatur gehalten
werden, indem er fest an einem größeren Heizblock, z. B. einem
auf 482°C
(900°F) gehaltenen
Kupferblock montiert wird, und kann beispielsweise mit einem internen
Thermoelement instrumentiert werden, um die Spitzentemperatur auf praktische
Weise zu überwachen
und ihre Aufheiz- oder Aufenthaltszyklen zu regeln. Bei Bedarf kann ein
internes Heizelement in den Heizstab eingebaut werden, um die Wärmerückstellzeiten
zwischen Schweißzyklen
zu verkürzen.
Darüber
hinaus verhütet
der Prozess durch selektives Beseitigen von Wasser von dem zu schweißenden Membranelement
die Entstehung von Blasendefekten in den geschweißten Bereichen
oder ein Ausknicken des Filters, und der relevante Filterbereich
trocknet, ohne dass die Aktivität
des Zellulosematerials des Filtermediums beeinträchtigt wird, das ohne Funktionsverlust
hydriert bleibt.
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Das
Filterbefestigungsverfahren der 13 und 14 kann allgemeiner auf andere
geometrische Konfigurationen wie z. B. flache Fensterfigurkonfigurationen
oder die offene gekrümmte
Bogen- oder Zweischalenkonstruktion der 10A–10C angewendet werden. In
diesem Fall, bei Anwendung auf die mehreren Halbgefäßschalen
der 10A–10C, kann das Übertragungselement
ein bogenähnliches Element
mit einer vorstehenden Kontur sein, die der allgemeinen Form der
Gefäßwand mit
Pressvorsprüngen
zum Durchführen
der gewünschten Schweißungen entsprechen.
Das Wärmeapplikationselement
kann dann, anstatt eines Stabes mit konischer Spitze, entsprechend
gestaltet werden, mit Kontaktbereichen, die der Rückseite
der Filterpressbereiche des Übertragungselementes
entsprechen. In jedem Fall gewährleistet
die Verwendung einer Übertragungsplatte
zum Halten des Gefäßes und
der Filterbaugruppe mit minimaler Bewegung an der Filteroberfläche und
zum Modulieren der Wärmeübertragungscharakteristiken
einer überhitzten
Heizbaugruppe, die zum Einleiten des Druckschweißens vorübergehend in Position bewegt
wird, die Intaktheit des Filters, während gleichförmige und
zuverlässige Bondlinien
zwischen Filter und Gefäßwand gebildet werden.