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Dokumentenidentifikation DE69915691T2 17.03.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001144094
Titel ULTRAFILTRATIONS-VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG
Anmelder Orbital Biosciences, L.L.C., Topsfield, Mass., US
Erfinder BOWERS, F., William, Topsfield, US;
YANKOPOULOS, Basil, Peabody, US;
TOWLE, Timothy, Lee, US
Vertreter Grosse, Bockhorni, Schumacher, 81476 München
DE-Aktenzeichen 69915691
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 03.12.1999
EP-Aktenzeichen 999641020
WO-Anmeldetag 03.12.1999
PCT-Aktenzeichen PCT/US99/28757
WO-Veröffentlichungsnummer 0000035565
WO-Veröffentlichungsdatum 22.06.2000
EP-Offenlegungsdatum 17.10.2001
EP date of grant 17.03.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.03.2005
IPC-Hauptklasse B01D 61/18
IPC-Nebenklasse G01N 1/28   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

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.

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.

Daher besteht Bedarf an einer zentrifugalen Ultrafiltrationsvorrichtung, die auf zuverlässige Weise hergestellt und benutzt werden kann.

Es besteht auch Bedarf an einer Trennungstechnik, die schnell, effektiv und für eine automatisierte Implementation geeignet ist.

Es besteht auch Bedarf an verbesserten Verfahren für die Herstellung oder Montage von Filtrations- oder Konzentrationsgefäßen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Ultrafiltrationsgefäß nach Anspruch 1 bereitgestellt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden eines Ultrafiltrationsgefäßes nach Anspruch 13 bereitgestellt.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese sowie weitere Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Erläuterung und Illustration von repräsentativen Ausgestaltungen in den Zeichnungen besser verständlich. Dabei zeigt:

1 einen geformten Filtermembranbogen, der für das Gefäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;

2 eine alternative Form für die in der Erfindung verwendete Filtermembran;

2A und 2B Schnittmuster zum Erhalten der Membran von 1 bzw. 2 von großen fortlaufenden Bögen;

3 eine erste Ausgestaltung eines Trenngefäßes gemäß der Erfindung;

4 das Einfügen eines Filters in das Gefäß von 3;

5 einen weiteren Schritt zum Zusammensetzen des Gefäßes von 3;

6 eine Ausgestaltung eines Wärmeschweißeinsetzwerkzeugs zum Durchführen des Schrittes von 5;

7 ein fertiges Trenngefäß mit einem quadratischen Flansch;

8 ein Band oder eine Patronenanordnung von Trenngefäßen gemäß einer weiteren Ausgestaltung;

9 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Gefäßes, wobei eine Filtermembran distal von der Auslassöffnung verläuft;

10A10D Schritte zur Herstellung und Verwendung einer Bandanordnungsausgestaltung wie der von 8;

11A11D eine weitere Ausgestaltung eines Konzentratorgefäßes und Filters der Erfindung;

12A12C den Druckablassvorgang der Ausgestaltung der 11A11D;

13A13F Werkzeuge für eine weitere Herstellungsmethode und ihre Implementation; und

14 Schritte des Verfahrens.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 10A10D 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Die Anmelderin befasst sich mit diesen Einschränkungen in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die in den 12A12C 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 11A11C 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.

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.

Die Verschlussstreifen 215a215d 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 12A12C 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.

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.

Ein geeigneter Satz Werkzeuge für ein solches Wärmeschweißen des Filters an das Gefäß und die Schritte dieses Vorgangs sind in den 13A13F 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.

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.

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.

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.

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.

Diese Schritte sind in den 13C13F 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.

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.

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.

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.

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 10A10C angewendet werden. In diesem Fall, bei Anwendung auf die mehreren Halbgefäßschalen der 10A10C, 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.


Anspruch[de]
  1. Ultrafiltrationsgefäß, das einen hohlen, glatten, ununterbrochenen Fluidhaltekörper (30) mit einer Länge, einem proximalen Einlassende (32), einem geschlossenen distalen Ende (37) und einem im Wesentlichen konischen Abschnitt aufweist, der sich zu dem distalen Ende erstreckt;

    gekennzeichnet durch eine Öffnung (38), die in dem im Wesentlichen konischen Bereich (34) in der Nähe des geschlossenen distalen Endes (37) angeordnet ist, und

    eine Filtermembran (10), die um das Innere des Gefäßes herum und über der Öffnung (38) abgedichtet ist, wobei die Filtermembran (10) einen Abschnit aufweist, der sich etwas distal zu der Öffnung erstreckt und einen hydrostatischen festen Anschlag bildet,

    so dass

    Fluid und gelöste Stoffe eines vorherbestimmten relativen Molekülmassebereiches bei Zentrifugieren unter vorherbestimmten Bedingungen durch die Filtermembran (10) gelangen und aus der Öffnung (38) austreten, und

    sich ein Rückstand mit einer relativen Molekülmasse, die größer ist als die vorherbestimmte relative Molekülmasse, in einem Bereich ansammelt, der sich von dem geschlossenen distalen Ende (37) zu dem festen Anschlag erstreckt.
  2. Gefäß nach Anspruch 1, wobei der Filter (10) um seinen Umfang herum zu einer Wand des konischen Bereichs hin und über der Öffnung (38) abgedichtet ist, so dass er einen Zwischenraum abgrenzt, der in Kommunikation mit der Öffnung zwischen der Wand und dem Filter steht, so dass Material, das durch den Filter geleitet wird, über den Zwischenraum aus der Öffnung (38) austritt.
  3. Gefäß nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, das ein Trennsystem bildet und des Weiteren einen passenden Aufnahmeschacht (140) umfasst, in dem das Ultrafiltrationsgefäß (130) derart angeordnet ist, dass das Lösungsmittel und die gelösten Stoffe, die aus der Öffnung (38) austreten, in den passenden Aufnahmeschacht (140) gelangen.
  4. Gefäß nach Anspruch 3, wobei der Aufnahmeschacht ein Zentrifugenrohr (140) ist, das mit einem Deckel (141) verschlossen ist, und des Weiteren einen Überdruckdurchgang (212) umfasst, der intern Druck zwischen dem Zentrifugenrohr (140) und dem Fluidhaltekörper (130) ablässt.
  5. Gefäß nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, das des Weiteren ein Überdruckventil, wie beispielsweise ein verformbares Element (134a) umfasst, das als Reaktion auf erhöhten Druck im Zentrifugenrohr selektiv öffnet, um Druck zwischen dem Zentrifugenrohr (140) und dem Fluidhaltekörper (130) intern abzulassen.
  6. Gefäß nach Anspruch 1, wobei

    i) das geschlossene distale Ende (37) ein Aufnahmevolumen von weniger als zwei Prozent des Volumens des Fluidhaltekörpers (30) aufweist,

    ii) das Verhältnis des Bereichs der Filtermembran (10) zum Volumen des Fluidhaltekörpers (30) größer ist als 0,75/cm und

    iii) das Volumen des Fluidhaltekörpers (30) zwischen etwa einem halben und zweihundert Kubikzentimeter beträgt.
  7. Gefäß nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das geschlossene distale Ende (37) so angeordnet ist, dass es einen festen Anschlag mit einem Volumen von weniger als etwa 1,0% des Volumens des Fluidhaltekörpers (30) festlegt.
  8. Gefäß nach Anspruch 7, wobei das geschlossene distale Ende (37) so angeordnet ist, dass es einen festen Anschlag mit einem Volumen zwischen etwa 0,04% und 0,3% des Volumens des Fluidhaltekörpers (30) festlegt.
  9. Gefäß nach einem der Ansprüche 1–8, wobei der Filter (10), wenn er abgedichtet ist, einen verkürzten kegelförmigen Aktivfilterbereich bildet.
  10. Gefäß nach Anspruch 1, wobei der Filter (10) einen Bereich von etwa 0,5 bis etwa 120 cm2 aufweist und über 70% davon ein Aktivfilterbereich sind.
  11. Gefäß nach Anspruch 1, wobei die Filtermembran (10) einen Aktivfilterbereich aufweist, der größer ist als etwa 0,5 cm2, und an mehreren separaten Stellen mit der Grenzwand verbunden ist, um eine Trennung aufgrund der während des Zentrifugierens auftretenden Ablösungsgravitationskräfte zu verhindern.
  12. Gefäß nach Anspruch 1, wobei der Filter (10) um seinen Umfang herum zu einer Wand des Fluidhaltekörpers (30) hin und über der Öffnung (38) abgedichtet ist, so dass er einen Zwischenraum zwischen der Wand und dem in Kommunikation mit der Öffnung stehenden Filter abgrenzt, so dass Lösungsmittel und gelöste Stoffe, die durch den Filter laufen, über den Zwischenraum aus der Öffnung austreten.
  13. Verfahren zur Bildung eines Ultrafiltrationsgefäßes, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines hohlen Fluidhaltekörpers (30) mit einer Länge, einem proximalen Einlass und einem im Wesentlichen konischen Abschnitt, der sich zu einem geschlossenen distalen Ende (37) hin erstreckt,

    gekennzeichnet durch eine Öffnung (38), die sich durch eine Wand des Körpers (30) in den im Wesentlichen konischen Abschnitt in der Nähe des geschlossenen distalen Endes (37) erstreckt, und

    Bereitstellen eines Filters (10) und Abdichten des Filters zum Inneren des Körpers hin und über der Öffnung (38), wobei der Filter einen Abschnitt aufweist, der sich etwas distal zu der Öffnung erstreckt und einen hydrostatischen festen Anschlag bildet,

    so dass bei Zentrifugieren unter vorherbestimmten Bedingungen Material mit einer relativen Molekülmasse, die kleiner ist als eine vorherbestimmte relative Molekülmasse, durch einen breiten Bereich des Filters läuft und die Wand entlang fließt, um aus der Öffnung (38) auszutreten, und

    gelöste Stoffe mit einer relativen Molekülmasse, die größer ist als die vorherbestimmte relative Molekülmasse, von dem Filter in dem Rohr zurückgehalten werden und sich in einem Bereich ansammeln, der sich von dem geschlossenen Ende zu dem festen Anschlag erstreckt.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Filtermembran (10) einen Aktivfilterbereich aufweist, der größer ist als etwa 0,5 cm2, und an mehreren separaten Stellen mit der Grenzwand verbunden ist, um eine Trennung aufgrund der während des Zentrifugierens auftretenden Ablösungsgravitationskräfte zu verhindern.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei

    i) das geschlossene distale Ende (37) ein Aufnahmevolumen von weniger als zwei Prozent des Volumens des Fluidhaltekörpers (30) aufweist,

    ii) das Verhältnis des Bereichs der Filtermembran (10) zum Volumen des Fluidhaltekörpers (30) größer ist als 0,75/cm und

    iii) das Volumen des Fluidhaltekörpers (30) zwischen etwa einem halben und zweihundert Kubikzentimeter beträgt.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das geschlossene distale Ende (37) so angeordnet ist, dass es einen festen Anschlag mit einem Volumen von weniger als etwa 1,0% des Volumens des Körpers (30) festlegt.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das geschlossene distale Ende (37) so angeordnet ist, dass es einen festen Anschlag mit einem Volumen zwischen etwa 0,3% und 1,0% des Volumens des Körpers (30) festlegt.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Filter (10), wenn er abgedichtet ist, einen verkürzten kegelförmigen Aktivfilterbereich bildet.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt des Bereitstellens eines über der Öffnung (38) abgedichteten Filters (10) das Abdichten des Filters (10) entlang einer Axiallöserichtung in Schmalbandsegmenten umfasst, die eine Filterung durch einen überwiegenden Anteil des Oberflächenbereichs des Filters (10) zu der Öffnung (38) hin ermöglichen, wenn der Filter von der Wand des Körpers (30) gestützt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Filter einen Bereich von etwa 0,5 bis etwa 120 cm2 aufweist und so befestigt ist, dass über 70% seines Bereiches ein Aktivfilterbereich sind.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, wobei bei Zentrifugieren unter vorherbestimmten Bedingungen Material mit einer relativen Molekülmasse, die kleiner ist als eine vorherbestimmte relative Molekülmasse, durch einen breiten Bereich des Filters (10) läuft und die Wand entlang fließt, um aus der Öffnung (38) auszutreten.
  22. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Abdichtens in Phasen durchgeführt wird, um zuerst Feuchtigkeit aus einem Abdichtbereich des Filters (10) herauszuleiten und daraufhin den Abdichtbereich und das Gefäß zu verschmelzen.
  23. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schritte des Bereitstellens eines hohlen Fluidhaltekörpers (30) und des Bereitstellens und Abdichtens eines Filters (10) folgende Schritte umfassen:

    Bereitstellen mehrerer Körperhälften mit mehreren Kammerbereichen, wobei jeder Kammerbereich eine Öffnung (38) und einen dazu distalen Abschnitt aufweist,

    Bereitstellen eines Filterbogens (10), um mindestens die Öffnung (38) jedes Kammerbereiches abzudecken, und

    Abdichten der mehreren Körperhälften gegeneinander und gegen den Membranfilter (10), um mehrere hohle Fluidhaltekörper als eine Anordnung von Kammern (80) zu bilden, wobei der Filterbogen (10) die Öffnungen (38) vollständig bedeckt und die distalen Abschnitte geschlossene distale Enden der Kammern bilden,

    so dass bei Zentrifugieren der Anordnung (80) Fluid in den Kammern durch den Bogen gefiltert wird und aus den Öffnungen (80) austritt, so dass jede Kammer eine vorherbestimmte Menge Rückstand in ihrem geschlossenen distalen Ende isoliert.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Filterbogen (10) in jeder Kammer einen Bereich von etwa ein bis drei cm2 aufweist, wovon über 70% ein Aktivfilterbereich sind.
  25. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Kammern durch einen oder mehrere der folgenden Schritte gebildet werden: Ziehen über eine Form, Wärmeschweißen, Vibrationsschweißen, Lösungsmittelverklebung oder Klebstoffverklebung oder HF-Schweißen.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die abgedichteten Filter paarweise angeordnete, axial halbierte zylindrische und/oder kegelstumpfförmige Aktivfilterbereiche bilden, wenn sie abgedichtet in den Kammern angeordnet sind.
  27. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Gefäß (130) zur Einführung in ein Zentrifugenrohr (140) konfiguriert ist, und das Verfahren des Weiteren den folgenden Schritt umfasst:

    Bereitstellen eines Überdruckdurchgangs (212) in einem Flansch des Fluidhaltekörpers zum Ablassen zwischen dem Inneren des Fluidhaltekörpers und dem Zentrifugenrohr.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Zentrifugenrohr (140) durch einen Deckel (141) verschlossen ist und das Verfahren des Weiteren den folgenden Schritt umfasst: Bereistellen eines Überdruckventils zum Ablassen über den Ablassdurchgang, wobei das Überdruckventil als Reaktion auf erhöhten Druck im Zentrifugenrohr selektiv öffnet, um Druck aus dem Zentrifugenrohr intern abzulassen.
  29. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bereitstellens und Abdichtens eines Filters den folgenden Schritt umfasst: Bereitstellen des Filters (210) als geformtes Stück Filter (210) und Einführen des geformten Stücks Filter (210) derart, dass eine Seitenkante eine erhöhte Rippe (231) in der Wand berührt, um das geformte Stück (210) in Ausrichtung zu führen, wenn es eingeführt wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bereitstellens und Abdichtens eines Filters folgenden Schritt umfasst: Einführen des Filters, so dass er von einer Leiste (234) in der Wand festgehalten wird.
  31. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bereitstellens und Abdichtens eines Filters folgende Schritte umfasst:

    Anordnen des Filters (210) und eines Werkstücks (230) zusammen zwischen einem Druckelement (250) und einem Kühlkörper (240),

    Berühren des Druckelements (250) für eine definierte Zeitspanne mit einem überhitzten Element (260), wobei das überhitzte Element (260) eine Temperatur oberhalb einer Schmelztemperatur aufweist, und

    Entfernen des überhitzten Elements (260) nach der begrenzten Zeitspanne und dadurch Kontrollieren der Wärme, die durch das Druckelement (250) übertragen wird, so dass die Wärme und der Druck ausgeübt werden, um einen Bereich der Filtermembran (210) und des Werkstücks (230) zu verschmelzen, ohne den Filter zu beschädigen.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Druckelement (250) für eine Bewegung entlang einer axialen Richtung zwischen einer Teilkontaktposition und einer Position der vollständigen Wärmeübertragung ausgelegt ist, um das Ablassen von Dampf in der Teilkontaktposition vor dem Verschmelzen in der Position der vollständigen Wärmeübertragung zu ermöglichen.
  33. Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Schritt des Positionierens das Klemmen des Filters und des Fluidhaltekörpers zwischen den Kühlkörper (240) und das Druckelement (250) umfasst und das Verfahren des Weiteren folgende Schritte umfasst:

    Berühren des Druckelements (250) mit einem überhitzten Kontaktheizelement (260) für eine Zeitspanne, die ausreicht, um das Druckelement (250) zu erwärmen und den Filter (210) und den Körper (230) zu verschmelzen, und

    Zurückziehen des überhitzten Kontaktheizelements von dem Erwärmungskontakt, ohne das Druckelement (250) zu bewegen, so dass der Körper schnell abkühlt, wodurch die Freigabe des Kühlkörpers (240) und des Druckelements (250) ermöglicht wird, ohne den Filter (210) zu beschädigen oder das Werkstück (230) zu verformen.
  34. Verfahren nach Anspruch 32, wobei der Schritt des Berührens mit einem überhitzten Körper (260) ausgeführt wird, indem

    zuerst das Übertragungselement in einer ersten Position oder mit einem ersten Druck berührt wird, um einen Betriebsparameter zu erreichen, und

    danach eine stärkere Kompression ausgeübt wird, um die endgültige Verschweißung zu erreichen.
  35. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Schritt des ersten Berührens für eine Zeitspanne ausgeführt wird, die ausreicht, um selektiv Dampf abzuleiten.
  36. Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Schritt des nachfolgenden Ausübens einer größeren Kompression ausgeführt wird, um Bindelinien (215a, 215b, 215c, 215d), die den Filter (210) befestigen, zu komprimieren und zu verschmelzen.
  37. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Druckelement ein Wärmeübertragungsfingerhutrohr (252) mit äußeren Oberflächenunebenheiten, um von der Gefäßwand beabstandet zu sein, sowie mit vorstehenden Oberflächeneigenschaften (252a, 252b, 252c, 252d), die in Entsprechung zu den Bindebereichen (215a, 215b, 215c, 215d) angeordnet sind, umfasst.
Es folgen 13 Blatt Zeichnungen






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