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Die Erfindung betrifft Bioreaktoren zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien als Objekte.
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Durch die Druckschrift
DE 199 19 241 A1 ist ein 3D Zellträgersystem für Zell-, Gewebe- und Organkulturen aus porösen Materialien bekannt. Das Zellträgersystem besteht aus Segmenten, die untereinander oder mit semipermeablen Membranen zu den Zellträgern kombinierbar sind. Dadurch ist es möglich, Bindegewebe mehrlagig und damit dreidimensional zu züchten. Die Versorgung der Zellen mit Nährlösung und Sauerstoff erfolgt über eine poröse und damit mikrostrukturierte Oberfläche. Dadurch ist ein kontinuierlicher Ab- und Zufluss von Nährstoffen, Stoffwechselprodukten, Sauerstoff und Wachstumsfaktoren zu den Zellgeweben gewährleistbar.
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Die Druckschrift
DE 199 64 113 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Züchtung und zur Nutzung von Hautzellen. Die Vorrichtung besteht dazu aus einem Außengehäuse und einem inneren Bereich, wobei im Inneren Membransysteme einen mehrschichtigen Aufbau bilden. Diese Schichten bilden übereinander angeordnete Kammern, welche separat mit Medium perfundiert werden und/oder die Zellen der Haut aufnehmen können. Die Kammern sind so ausgestaltbar, dass die Membransysteme Beutel ausbilden können, welche aus der Vorrichtung entnehmbar sind. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kammern in der Vorrichtung von Flachmembranen gebildet. Die Zellen werden auf den Flachmembranen kultiviert und dabei in den Kammern mit Nährstoffen und Sauerstoff versorgt.
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Eine bestimmte Menge an Nährstoffen ist nicht ohne weiteres in diese Systeme einbringbar. Dazu ist eine gesteuerte Zuführung einschließlich entsprechender Sensoren notwendig.
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Durch die Druckschrift
US 5 597 731 A ist eine Vorrichtung zur Zell- und Gewebekultivierung mit einem wannenförmigen Grundkörper mit mindestens einem Ein- und Auslass in den Seitenwänden zur Verbindung mit einem Nährmediumreservoir und einem plattenförmigen Träger als Deckel der Wanne bekannt. Der Träger ist ein Träger für separate und jeweils eine Membran aufweisende Behältnisse für das zu kultivierende Objekt ausgebildet, die dazu in den Träger zu platzieren sind. Zur Regulierung des Flüssigkeitspegels in der Wanne können Überströmbarrieren angeordnet sein. Eine untere Membran in der Wanne befindet sich im Nährmedium. Jeder der Behältnisse kann mit einer Membran abgeschlossen sein, die einen Gasaustausch zulässt und einen Abschluss gegenüber Mikroorganismen darstellt. Die Behältnisse sind separate Einrichtungen, die sich einzeln in dem Träger befinden. Ein überstehender Rand in Verbindung mit einer Öffnung im Träger gewährleistet die Platzierung der Behältnisse im Träger.
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Durch die Druckschrift
DE 698 06 527 T2 ist eine Wachstumsvorrichtung und ein Verfahren für seine Anwendung bekannt. Die Vorrichtung besteht dazu aus einer Testplatte mit einzelnen Wannen mit Öffnungen zur Aufnahme von Gewebekulturmedien oder Zellenkultureinsätzen, einer aufrecht stehenden Seitenwand und einem von der Platte entfernbaren Deckel. An Letzterem sind entfernbare gasundurchlässige Filme angebracht. Die Wannen sind separat im Träger zu platzierende Gegenstände.
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Die Druckschrift
US 6 475 777 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Zellkultivierung mit zylindrischen Vertiefungen in einer Grundplatte und einer Deckplatte mit Wänden, so dass zwischen Grund- und Deckplatte wenigstens ein Hohlraum als Kammer für Nährmedium vorhanden ist. Die Wand und damit die Kammer sind mit einem Propfen verschlossen. Außerhalb und neben der Wände der Kammern befinden sich Septen. Barrieren für das Nährmedium sind nicht vorgesehen. Die Zellen können nur schräg durch die Septen auf einen Verschluss abgesetzt werden.
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Die Druckschrift
DE 298 15 276 U1 beinhaltet eine Kulturkammer zum Expandieren von Zellen in Monolayer. Der Füllstand des Nährmediums wird durch die Höhe des Ablaufes der Zellkulturkammer gegenüber deren Boden bestimmt. Das Gleiche erfolgt mit der durch die Druckschrift
FR 2 470 159 A1 bekannt gewordenen Einrichtung zur Fermentation von Biomasse.
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Durch die Druckschrift
US 5 837 115 A ist eine Sortiereinrichtung für Mikrostrukturen bekannt. Die dabei zum Einsatz kommende Grundplatte zeigt Erhöhungen, wodurch Kanäle für die Mikrostrukturen vorhanden sind.
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Die Druckschrift
DE 693 19 983 T2 beinhaltet einen Zellkutureinsatz mit einer Einrichtung zum Begrenzen der Bewegung des Zellkultureinsatzes.
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Durch die Druckschrift
US 5 202 254 A ist ein Bioreaktor in Verbindung mit einem Reservoir und einer Pumpe jeweils für Nährmedium bekannt.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen Bioreaktor zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Bioreaktoren zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien als Objekte zeichnen sich insbesondere durch ihren einfachen Aufbau bei gleichzeitiger einfacher Handhabbarkeit aus.
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Dazu besitzt der Bioreaktor einen wannenförmigen Grundkörper mit jeweils wenigstens einem Einlass und einem Auslass in einer der Seitenwände in Verbindung mit einem Reservoir mit Nährmedium und mindestens eine waagerecht angeordnete Barriere im wannenförmigen Grundkörper oder als Bestandteil des wannenförmigen Grundkörpers oder als ein Bereich der Seitenwand mit dem Auslass des wannenförmigen Grundkörpers, wobei der Abstand des Auslasses zum Boden des wannenförmigen Grundkörpers die Höhe der Barriere ist und dieser Abstand die Höhe der Oberfläche des Nährmediums im wannenförmigen Grundkörper bestimmt. Weiterhin weist der Bioreaktor einen plattenförmigen Träger mit eine Membran aufweisenden Behältnissen für die Objekte als Bestandteile des plattenförmigen Trägers im wannenförmigen Grundkörper auf, wobei der plattenförmige Träger als Behältnisse von einer Wand umgebenden Bereiche aufweist, der Bereich bis auf einen Teilbereich einen Durchbruch besitzt, der Teilbereich korrespondierend zu dem Septum angeordnet ist und sich in dem Bereich die Membran befindet. Darüber hinaus ist ein mit dem wannenförmigen Grundkörper lösbar dicht verbundener Deckel mit Septen für eine in sich abgeschlossene Einrichtung vorhanden. Dabei sind der Einlass und der Auslass so angeordnet, dass die Höhe der Barriere die Höhe der Oberfläche des Nährmediums im wannenförmigen Grundkörper bestimmt. Darüber hinaus befindet sich wenigstens die Membran des Behältnisses im Nährmedium des wannenförmigen Grundkörpers.
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Das zu kultivierende Objekt ist über das Septum einfach im Behältnis des Bioreaktors platzierbar. Dazu muss diese nicht geöffnet werden. Über die Membran wird das im Behältnis platzierte Objekt mit Nährmedium aus dem Grundkörper versorgt. Dabei ist durch die Barriere sichergestellt, dass bei Zuführung von Nährmedium dessen Stand in der Einrichtung immer gleich ist. Überschüssiges Nährmedium läuft einfach über die Barriere und gelangt über den Auslass nach außen. Damit ist gewährleistet, dass das Behältnis in das Nährmedium eintaucht und das Objekt über die Membran des Behältnisses ständig mit Nährmedium versorgt wird. Bei der Nutzung muss dazu nur die Zuführung von Nährmedium sichergestellt sein. Kontrolleinrichtungen für das Nährmedium innerhalb des Bioreaktors sind nicht notwendig.
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Der plattenförmige Träger weist als Behältnisse von einer Wand umgebende Bereiche auf. Die Wand umschließt einen Raum, der der Aufnahme des Objekts dient. Damit ist eine eindeutige Platzierung des Objektes in diesem Raum möglich. Der Teilbereich dient vorteilhafterweise als Sperre für die das Objekt einbringende Vorrichtung beispielsweise in Form einer Kanüle. Damit wird das Einbringen des Objektes in das Nährmedium im Grundkörper verhindert. Das Objekt ist damit einfach in den Bioreaktor einbringbar.
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Das ist ein sehr einfacher und ökonomischer Bioreaktor, der insbesondere durch den in sich abgeschlossenen Aufbau steril ausführbar ist. Nach Gebrauch kann die Einrichtung einfach entsorgt werden.
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Im einfachsten Fall kann das Reservoir mit Nährmedium ein Behälter mit Nährmedium sein, der über dem Bioreaktor angeordnet ist, so dass die kinetische Energie des fließenden Nährmediums zur Versorgung des Bioreaktors und damit des Objektes mit Nährmedium genutzt wird. Das je Zeiteinheit zuzuführende Nährmedium kann beispielsweise über den Querschnitt der Verbindung zwischen Behälter und Bioreaktor eingestellt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 12 angegeben.
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Die Barriere ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 eine beabstandet vor dem Auslass angeordnete Trennwand im wannenförmigen Grundkörper.
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Barrieren sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 sowohl eine beabstandet vor dem Auslass angeordnete erste Trennwand als auch eine beabstandet nach dem Einlass angeordnete zweite Trennwand im wannenförmigen Grundkörper.
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Der Boden des wannenförmigen Grundkörpers weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 wenigstens eine die Strömung des Nährmediums beeinflussende Ausbuchtung und/oder Erhöhung auf. Das Nährmedium wird in der Einrichtung umgewälzt, so dass immer frisches Nährmedium über die Membran dem Objekt zugeführt wird.
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Der plattenförmige Träger weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 wenigstens eine in Richtung des Nährmediums weisende Erhöhung oder Ausbuchtung zur Beeinflussung der Strömung des Nährmediums im Grundkörper auf, so dass Wirbel in der Strömung des Nährmediums vorhanden sind. Es erfolgt damit eine Umwälzung des Nährmediums in der Einrichtung, so dass immer frisches Nährmedium über die Membran dem Objekt zugeführt wird.
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Der Boden des wannenförmigen Grundkörpers besitzt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 eine korrespondierend zum Behältnis angeordnete Vertiefung, so dass zwischen dem Behältnis für das wenigstens eine Objekt und der Vertiefung ein Abstand für das Nährmedium vorhanden ist. Weiterhin ist die Trennwand höher als die Ebene des Bodens mit der Vertiefung.
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Der Raum für das Nährmedium ist in der Einrichtung gleichbleibend begrenzt. Die Vertiefung ist dazu vorzugsweise als Näpfchen ausgeführt.
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In Fortführung besitzt der Boden des wannenförmigen Grundkörpers nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 mehrere korrespondierend zu Behältnissen angeordnete Vertiefungen und die Vertiefungen verbindende Kanäle, wobei die Trennwand höher als die Kanalböden ist. Der Raum für Nährmedium ist weiter eingeschränkt, ohne das die Versorgung der Objekte in den Behältnissen eingeschränkt ist.
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Wenigstens ein Bereich der Trennwand ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 über eine Sollbruchstelle mit dem restlichen Bereich der Trennwand verbunden. Der notwendige Stand des Nährmediums in der Einrichtung ist leicht und einfach festlegbar.
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Zwischen dem Behälter für Nährmedium und dem Bioreaktor ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 wenigstens eine Fördereinrichtung für Nährmedium angeordnet.
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Für einen geschlossenen Kreislauf können entweder der Behälter für Nährmedium über die Fördereinrichtung mit dem Einlass des Bioreaktors und der Auslass des Bioreaktors mit dem Behälter für Nährmedium oder der Behälter für Nährmedium mit dem Einlass des Bioreaktors und der Auslass des Bioreaktors über die Fördereinrichtung mit dem Behälter für Nährmedium verbunden sein. Genutztes Nährmedium wird mit nicht genutztem Nährmedium im Behälter vermischt, so dass dem Objekt über einen längeren Zeitraum nutzbares Nährmedium zugeführt werden kann.
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Der Behälter für Nährmedium ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 mit dem Einlass des Bioreaktors verbunden. Weiterhin ist der Auslass des Bioreaktors mit einem weiteren Behälter für verbrauchtes Nährmedium gekoppelt. Die Einrichtung ist damit in sich geschlossen ausgeführt, so dass diese steril ausgebildet ist.
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In Fortführung befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 in wenigstens einer der Verbindungen eine Fördereinrichtung für Nährmedium. Die Strömung des Nährmediums kann damit gezielt beeinflusst werden.
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Vor dem weiteren Behälter befindet sich nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 vorteilhafterweise ein Behältnis als Zwischenspeicher für verbrauchtes Nährmedium. Durch die Ausbildung des Einlasses, des Auslasses und der Verbindungen verursachte Strömungsschwankungen können damit ausgeglichen werden. Im Bioreaktor kann damit eine gleichmäßige Strömung realisiert werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Einrichtung zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien in Verbindung mit einem Behälter in einem geschlossenen Kreislauf,
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2 eine Einrichtung zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien in Verbindung mit zwei Behältern,
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3 eine weitere Einrichtung zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien mit zwei Behältern und
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4 einen Bioreaktor in einer Explosionsdarstellung.
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Eine Einrichtung zur Kultivierung von Hautzellen besteht im Wesentlichen aus einem Biorektor 1 zur Verbindung mit einem Reservoir mit Nährmedium, wobei das Reservoir günstigerweise ein Behälter 3 sein kann.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien in Verbindung mit einem Behälter in einem geschlossenen Kreislauf in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Behälter 3 für Nährmedium ist über eine Fördereinrichtung 2 mit dem Einlass 5 des Bioreaktors 1 verbunden. Die Fördereinrichtung 2 ist eine bekannte Pumpe. Der Auslass 6 der Vorrichtung ist mit dem Behälter 3 für Nährmedium verbunden. Zur Verbindung kommen bekannte Schlauchstücke zum Einsatz.
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In einer Ausführungsform sind der Behälter 3a für Nährmedium über die Fördereinrichtung 2 mit dem Einlass 5 des Bioreaktors 1 und der Auslass 6 der Vorrichtung 1 mit einem weiteren Behälter 3b für verbrauchtes Nährmedium verbunden.
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Die 2 zeigt eine derartige Einrichtung zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien in Verbindung mit zwei Behältern in einer prinzipiellen Darstellung.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der Behälter 3a für Nährmedium über die Fördereinrichtung 2a mit dem Einlass 5 des Bioreaktors 1 und der Auslass 6 des Bioreaktors 1 über eine weitere Fördereinrichtung 2b mit dem weiteren Behälter 3b für verbrauchtes Nährmedium verbunden.
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Die 3 zeigt diese weitere Einrichtung zur Kultivierung von Zellen und Gewebekulturen sowie Hefen und Bakterien in Verbindung mit zwei Behältern in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Bioreaktor 1 besteht im Wesentlichen aus einem wannenförmigen Grundkörper 4, einem plattenförmigen Träger 7 und einem Deckel B.
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Die 4 zeigt einen Bioreaktor 1 in einer prinzipiellen Explosionsdarstellung.
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Der wannenförmige Grundkörper 4 besitzt eine rechteckförmige Grundfläche. Der Einlass 5 und der Auslass 6 für das Nährmedium befinden sich an gegenüberliegenden Seitenwänden des wannenförmigen Grundkörpers 4. Beabstandet vor dem Auslass 6 ist eine Trennwand 9 angeordnet.
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Der plattenförmige Träger 7 befindet sich im wannenförmigen Grundkörper 4. Dieser weist von Wänden 10 umgebende Bereiche auf, die jeweils bis auf einen Teilbereich 11 einen Durchbruch 12 besitzen. Weiterhin befindet sich im Bereich die Membran, die in der 4 nicht dargestellt ist. Die Membranen und die Wände 10 stellen damit ein Behältnis für das Objekt dar.
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Die Membranen aufweisenden Behältnisse sind im Raum zwischen der Seitenwand mit dem Einlass 5 und der Trennwand 9 angeordnet. Die Behältnisse können darüber hinaus auch einzeln platzierte Behältnisse oder Bestandteile des plattenförmigen Trägers 7 sein.
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Der Einlass 5 und der Auslass 6 sind so angeordnet, dass die Höhe der Trennwand 9 die Höhe der Oberfläche des Nährmediums im wannenförmigen Grundkörper 4 bestimmt, wobei sich wenigstens die Membranen der Behältnisse im Nährmedium des wannenförmigen Grundkörpers 4 befinden. Dazu sind der Einlass 5 und der Auslass 6 tiefer als die Trennwand 9 hoch ist angeordnet.
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Der Deckel 8 ist mit Septen 13 ausgestattet. Die Teilbereiche 11 sind korrespondierend zu den Septen 13 angeordnet.
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Der wannenförmige Grundkörper 4 und der Deckel 8 sind lösbar dicht miteinander verbunden. Das wird beispielsweise über mindestens eine umlaufende O-Ringdichtung 14 zwischen Deckel 8 und wannenförmigen Grundkörper 4 gewährleistet.
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Der Boden des wannenförmigen Grundkörpers 4 weist in einer weiteren Ausführungsform wenigstens eine die Strömung des Nährmediums beeinflussende Erhöhung 15 auf, so dass Wirbel in der Strömung des Nährmediums vorhanden sind.
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In einer weiteren Ausführungsform besitzt der Boden des wannenförmigen Grundkörpers 4 korrespondierend zu den Behältnissen angeordnete Vertiefungen, so dass zwischen den Behältnissen für die Objekte und den Vertiefungen ein Abstand für das Nährmedium vorhanden ist. Weiterhin weist der Boden des wannenförmigen Grundkörpers 4 die Vertiefungen verbindende Kanäle auf. Die Trennwand 9 ist dabei höher als die Ebene des Bodens mit den Vertiefungen und höher als die Böden der Kanäle.
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Wenigstens ein Bereich der Trennwand 9 ist in einer weiteren Ausführungsform über eine Sollbruchstelle mit dem restlichen Bereich der Trennwand 9 verbunden.
