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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Filtration, welche insbesondere zur Filtration von Zellen, z.B. Tumorzellen, aus einer Probe, z.B. einer Blutprobe, geeignet sind. Dabei wird eine Druckdifferenz des Drucks stromaufwärts und stromabwärts von einem Filter ermittelt; und die Druckdifferenz stromaufwärts gegenüber stromabwärts von dem Filter eingestellt, so dass die Druckdifferenz einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
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Für die Früherkennung, Diagnose und Therapiekontrolle von Krebs hat der Nachweis von zirkulierenden Tumorzellen (CTC) im Blut eine immer größer werdende Bedeutung. Dabei ist auf Grund der geringen Zahl an CTCs, die im Bereich von nur 3–5 in einem Milliliter Blut liegen kann und auf Grund des großen Hintergrundes an Leukocyten (6–10 × 106 pro Milliliter) ein Verfahren zu wählen, das CTCs möglichst selektiv anzureichern oder aber vor einem großen Überschuss anderer Blutzellen darzustellen vermag.
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Ein Verfahren zum Nachweis von CTC umfasst das Filtrieren von Blutproben, wobei mittels entsprechender Porengrößen eine Größenselektion der Zellen stattfindet und die Isolierung der Tumorzellen erlaubt. Ein Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Zellen durch den Filtrationsvorgang selbst häufig beschädigt werden und dann nur noch eingeschränkt für weitere Untersuchungen verwendet werden können.
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Zugrundeliegend ist die "Dead-End-Filtration" mit einer teilweise durchlässigen Membran, die treibende Kraft ist ein Druckgradient. Ein Zustrom (Feed) wird durch die Membran filtriert, wobei die Flüssigkeit die Membran durchdringen kann (Permeat) und größere Partikel sich auf der Membran als Filterkuchen ansammeln (Retentat).
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Bei der Dead-End-Filtration ergeben sich verschiedene Probleme:
Es reichert sich ein Filterkuchen (Deckschicht oder Fouling) durch den permanenten Abfluss des Permeats (oder ein Konzentrationsgradient/Konzentrationspolarisation) aus den Retentaten auf der Membran an. Der Filterkuchen erhöht den Filtrationswiderstand und damit den Druckverlust über die Membran.
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Ferner sinkt durch das permanente Anströmen des Feeds der Permeatfluss zunehmend. Durch Reinigungsschritte (z.B. Rückspülen) entsteht ein diskontinuierlicher Feedstrom, der Produktionseinbrüche, Verbrauch von Reinigungsmedien, und zusätzlichen technischen Aufwand verursachen kann.
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Die Veränderungen des Filterkuchens machen eine Berechnung der Filter-Bedingungen nahezu unmöglich.
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Aus technischer Sicht leiten sich damit folgende technische Probleme für die Filtration ab: es bestehen schwankende Druckverhältnisse, ein schwankender Feedstrom, sowie eine unbekannte Zeit bis zum Verstopfen. Die Filtrationseigenschaften ändern sich. Filtrations-Anwendungen, bei denen ein lineares Filterverhalten und wiederholbare Resultate erforderlich sind, leiden unter diesen Problemen. Des Weiteren sind druckempfindliche Membranen, Rententate oder Permeate problematisch, wenn Belastungsgrenzen überschritten werden.
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Bisher versuchte man diese Nachteile zu umgehen, indem mit möglichst niedrigem Druck gegen die Membran gepumpt wird, um die Kompaktierung der zurückgehaltenen Stoffe zu minimieren. Nachteilig hierbei ist, dass eine lange Filtrationsdauer notwendig ist.
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Es ist auch bekannt, den Filterkuchen in regelmäßigen Intervallen durch Rückspülung (Zurückpumpen von bereits abgetrenntem Medium) und chemische Reinigungen zu entfernen und das Filterelement somit zu regenerieren. Es ergibt sich durch das Rückspülen ein "Sägezahnmuster" im Feedstrom. Nachteilig hierbei ist, dass empfindliche Bestandteile des Filterkuchens hierdurch beschädigt werden können.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 15.
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Es wird vorgeschlagen, für Filtrations-Anwendungen, bei denen ein lineares Filterverhalten und wiederholbare Resultate erforderlich sind, eine oder mehrere folgender Maßnahmen zu ergreifen:
- • Vorsehen einer Regelung, mittels derer die Druckdifferenz oder der Feedstrom auf einen konstanten Wert geregelt werden kann. Das Verhalten der Filterung bleibt vorhersehbar.
- • optional Erhöhen der nutzbaren Filterfläche derart, daß das Retentat während des betrachteten Filtervorgangs nicht signifikant zu veränderten Filtereigenschaften (Extremfall: Verstopfung) führen kann. Rückspülung und Reinigung entfällt.
- • optional Erhöhen der Hohlraum- oder Porendichte derart, daß das Retentat während des betrachteten Filtervorgangs nicht signifikant zu veränderten Filtereigenschaften (Extremfall: Verstopfung) führen kann. Rückspülung und Reinigung entfällt.
- • optional Vereinfachung der Filtermembran derart, daß die Sickerströmungsgleichungen für die Regelung modelliert werden kann. Unerwartete oder unbekannte Zustände des Filterkuchens können so weitgehend ausgeschlossen werden.
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Bei einem Filtrationsvorgang im Sinne der Erfindung wird eine Suspension durch ein Filter, z.B. eine Filtermembran, filtriert. Dabei wird Permeat durch den Filter gedrückt und Retentat auf der Filteroberfläche (oder auch in den Poren und Hohlräumen des Filters) zurückgehalten. Bei dem Filtriervorgang gibt es daher eine vorherrschende Strömungsrichtung des Permeats durch den Filter, so dass man von einem Bereich stromaufwärts von dem Filter sprechen kann, in welchem das Retentat zurückgehalten wird, und einem Bereich stromabwärts, in welchen das Permeat durchgedrückt wird und z.b. dort gesammelt werden kann. Unabhängig von dieser vorherrschenden Strömungsrichtung kann in Ausnahmefällen die Strömungsrichtung auch umgekehrt werden, z.B. bei einer Rückspülung des Filters. Der Begriff des Durchdrückens definiert auch die vorherrschende Richtung der Druckdifferenz: positive Druckdifferenz von Stromaufwärts zu Stromabwärts. Im genannten Ausnahmefall wäre die Druckdifferenz negativ, man könnte dies entsprechend dem allgemeinen Sprachgebrauch als Sog bezeichnen.
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Um das Permeat durch den Filter zu drücken, kann eine Druckdifferenz erzeugt werden, wobei dann stromaufwärts von dem Filter ein höherer Druck vorliegt als Stromabwärts. Dies kann erreicht werden durch Anlegen eines Überdrucks stromaufwärts von dem Filter, Anlegen eines Unterdurcks stromabwärts oder einer Kombination aus beiden. Um den Permeatfluss durch den Filter zu stoppen (auf Null zu reduzieren), kann eine Druckdifferenz von Null eingestellt werden. Dies ist unabhängig von der Orientierung des Filters im Raum. Für den Sonderfall, dass die Strömungsrichtung am Filter vertikal verläuft oder eine vertikale Komponente (also in Richtung oder entgegen der Erdanziehungskraft) verläuft, ist ferner zu berücksichtigen, dass die Wassersäule auf dem Filter zur Druckkdifferenz beiträgt.
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Für manche Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es bevorzugt, dass die strömungsrichtung der Filtration am Filter im Wesentlichen in Richtung der Erdanziehungskraft verläuft. Dadurch kommt zurückgehaltenes Retentat auf der Oberfläche des Filters zu liegen, was z.b. eine einfache Weiterverarbeitung des Retenats ermöglicht.
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Für bestimmte Anwendungen kann es bevorzugt sein, nicht in Richtung der Erdanziehungskraft, sondern entgegen der Erdanziehungskraft zu Filtrieren, z.B. wenn das Retentat aufschwimmt.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Filtrierung einer Suspension, aufweisend folgende Schritte:
- – Zuführen der Suspension zu einem Filter;
- – Ermitteln einer Druckdifferenz des Drucks stromaufwärts und stromabwärts von dem Filter; und
- – Einstellen einer Druckdifferenz stromaufwärts gegenüber stromabwärts von dem Filter und dadurch Durchdrücken von Permeat durch den Filter, wobei die Druckdifferenz einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
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Eine Suspension ist eine Flüssigkeit, welche darin suspendierte Feststoffe enthält, die filtriert werden sollen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Druckdifferenz einen Wert von 50 mbar, bevorzugt 10 mbar, nicht überschreitet. In manchen Fällen kann ein Oberwert der Druckdifferenz von 5 mbar, 1 mbar oder weniger bevorzugt sein.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass bei der Auswahl des vorbestimmten Werts der Druckdifferenz der Druck durch die Wassersäule mit berücksichtigt wird und wobei gilt 1 cm Wassersäule entspricht ca. 1 mbar. Die Wassersäule entspricht der Füllstandshöhe der Suspension über dem Filter bei einer im wesentlichen horizontalen Anordnung der Filters, wobei von oben nach unten gefiltert wird.
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Die Auswahl des vorbestimmten Werts der Druckdifferenz hängt neben der Lage relativ zur Erdanziehung noch von mehreren Faktoren ab:
- – Druckempfindlichkeit des Retentats,
- – bei vertikaler Strömungsrichtung durch den Filter von der Höhe der Wassersäule über dem Filter,
- – Beschaffenheit des Filters, insbesondere Porengröße und Porendichte: bei Filtern mit vielen Poren und / oder großen Poren ist relativ eine geringere Druckdifferenz notwendig, um in der gleichen Zeit das gleiche Volumen zu filtrieren, als bei Filtern mit kleineren oder weniger Poren,
- – Oberflächenspannung der Suspension
- – Viskosität der Suspension
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass beim Zuführen der Suspension die Höhe der Wassersäule über dem Filter überwacht wird und auf einen vorbestimmten Bruchteil, z.b. 1/2, 1/4, oder bevorzugt auf 1/10 der Druckdifferenz begrenzt wird. Ein Bruchteil von 1/10 entspräche z.B. bei einer Druckdifferenz von 10 mbar einem Beitrag durch die Wassersäule von 1 mbar, was einer Füllstandshöhe von 1 cm über dem Filter entspricht, und einem Beitrag z.B. durch einen Unterdruck stromabwärts vom Filter von 9 mbar.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass stromaufwärts von dem Filter ein Überdruck angelegt wird.
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Gemäß einem alternativen Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass stromabwärts von dem Filter ein Unterdruck angelegt wird.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Einstellen der Druckdifferenz während des Durchdrückens von Permeat durch den Filter durch Regeln auf einen konstanten Wert oder auf einen Wert, der innerhalb eines vorbestimmten Bereich liegt, erfolgt.
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Dies kann durch einen entsprechenden einfachen Regelkreis gewährleistet werden. Dieser kann einen Drucksteller umfassen. Der Drucksteller kann z.B. als Ventil ausgeführt sein, das eine Verbindung zu einem Überdruckreservoir oder einem Unterdruckreservoir selektiv öffnen und schließen kann.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Volumen des durch den Filter gelangten Permeats bestimmt wird. Dazu ist es möglich, den Zustrom (Feed) zu messen, die Füllstandshöhe über dem Filter zu messen, stromabwärts vom Filter in einem Auffangbehälter eine Füllstandshöhe oder ein durch Permeat verdrängtes Gasvolumen zu messen.
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Insbesondere ist es gemäß einem Aspekt der Erfindung bevorzugt, das Volumen des durch den Filter gelangten Permeats anhand eines bei Anlegen eines Überdrucks zugeführten Gasvolumens oder anhand eines bei Anlegen eines Unterdrucks abgeführten Gasvolumens zu bestimmen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Suspension eine Suspension von Zellen in einer wässrigen Lösung ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet zur Filtration und Untersuchung von zirkulierenden Tumorzellen (CTC) in Flüssigkeitsproben, z.B. Blutproben. Es ist möglich die Zellen so schonend zu filtrieren, dass an den am Filter zurückgehaltenen Zellen noch funktionelle Untersuchungen durch geführt werden können, weil die Zellen am Leben erhalten werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Filter eine Membran mit Poren aufweist, deren Porenrichtung ausschließlich senkrecht zur Oberfläche der Membran verläuft.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Membran eine Track Etched Membrane aus Polycarbonat ist.
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Prinzipiell sind bei dem Filter alle Arten von bekannten Membranen einsetzbar (z.B. Flachmembran, Filter-Tüte (= Fläche zweiter Ordnung), Hohlfaseranwendung). Aufgrund des leicht vorhersagbaren Verhaltens und der starken Vereinfachung der Sickerströmungsgleichungen ist eine Flachmembran mit einer oder mehreren der folgenden Eigenschaften besonders vorteilhaft
- • Porenrichtung senkrecht zur Oberfläche (z.B. durch relativ zur Porengröße geringe Membrandicke)
- • Porenstruktur mit geringem Durchmesser-Fehler
- • Porenanzahl und -dichte hinreichend hoch, damit durch das Retentat keine signifikante Veränderung der Eigenschaften auftritt.
- • Inert zu verwendeten Medien und Materialien
- • ggf. zur Weiterverarbeitung des Retentats geeignet.
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Ein Beispiel für eine derartige Membran ist eine Track Etched Membrane aus PolyCarbonat oder aus dem COC mit der Handelsbezeichnung TOPAS (Handelsname).
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Einstellens einer Druckdifferenz für einen vorbestimmten Zeitraum, die so gewählt ist, dass während dieses Zeitraums kein Permeat durch die Membran durchgedrückt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt des Einstellens eines Überdrucks stromabwärts von dem Filter für einen vorbestimmten Zeitraum, wobei der Überdruck mindestens so hoch wie der Druck der Wassersäule über dem Filter ist. Dadurch kann das Retentat permanent flüssigkeitsbedeckt gehalten werden. Bei der Filtration von Zellen ist es möglich, diese in diversen Prozessflüsssigkeiten (z.B. Waschpuffer, Fixierungspuffer, Permeabilisierungspuffer, Färbelösungen etc.) zu inkubieren. Der Filter wird durch einen entsprechenden Überdruck „von unten“ verschlossen, da dieser Überdruck der Wassersäule entgegen wirkt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass das Einstellen einer Druckdifferenz durch eine Regelung erfolgt. Eine Regelung umfasst das Ermitteln einer Regelgröße (Ist-Wert), den Vergleich mit einer Führungsgröße (Soll-Wert) und das Anpassen der Regelgröße an die Führungsgröße.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend:
- – ein Filter;
- – ein Flüssigkeitsreservoir stromaufwärts von dem Filter;
- – ein Flüssigkeitsreservoir stromabwärts von dem Filter;
- – Mittel zum Ermitteln einer Druckdifferenz des Drucks stromaufwärts und stromabwärts von dem Filter; und
- – Mittel zum Einstellen einer Druckdifferenz stromaufwärts gegenüber stromabwärts von dem Filter von dem Filter und dadurch Durchdrücken von Permeat durch den Filter, wobei die Druckdifferenz einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Mittel zum Ermitteln einer Druckdifferenz einen Differenzdrucksensor umfassen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung außerdem Mittel zur Bestimmung der Füllstandshöhe eine Flüssigkeit über dem Filter.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung außerdem eine Regelung zum Regeln der Druckdifferenz während des Durchdrückens von Permeat durch den Filter auf einen konstanten Wert oder innerhalb eines vorbestimmten Wertebereichs.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass eine Steuerung zum Einstellen eines Überdrucks stromabwärts von dem Filter für einen vorbestimmten Zeitraum vorhanden ist, wobei der Überdruck mindestens so hoch wie der Druck der Wassersäule über dem Filter ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung außerdem Mittel zum Bestimmen des Volumens des durch den Filter gedrückten Permeats.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass der Filter eine Membran mit Poren aufweist, deren Porenrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Membran verläuft.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Membran eine Track Etched Membrane aus Polycarbonat ist.
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Die Erfindung wird beispielhaft erläutert anhand der angehängten Zeichnungen und der folgenden Beispiele. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Filtriervorgangs;
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2 eine schematische Darstellung einer Filtriervorrichtung;
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3 eine schematische Darstellung einer Regelung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Filtriervorgangs, wobei ein Zustrom (Feed) über ein Filter geleitet wird, wobei ein Permeat durch den Filter hindurch läuft und ein Retentat zurückgehalten wird.
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In 2 ist schematisch eine Filtriervorrichtung 1 mit einem Trichter bzw. Zulauf 11 dargestellt. Der Feedstrom 12 wird durch eine Filtriervorrichtung mit Filter-Membran 14 geleitet und hält ein Retentat (sog. Filterkuchen) 13 zurück. Dichtungen 15 schaffen eine dichte Verbindung zwischen Trichter 11 und Membran 14, so dass z.B. ein Überdruck aufgebaut werden kann. In einem Permeatbehälter (Auffangbehälter) wird das Permat 16 gesammelt. Der Auffangbehälter kann auch in einer dichten Verbindung mit der Membran 14 angeordnet sein, so dass z.B. ein Unterdruck aufgebaut werden kann.
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In 3 ist schematisch eine beispielhafte Regelung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Über einen Differenzdrucksensor wird eine Druckdifferenz zwischen Trichter (Zulauf) und Auffang-Behälter (Ablauf) gemessen und mit einem Sollwert verglichen. Ein Regler regelt entsprechend einen Unterdruck im Auffangbehälter („Behälter“), damit der Sollwert eingehalten wird.
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Die technische Ausführung der treibenden Kraft kann durch Druckwirkung auf den Feedstrom, durch Sog am Permeat oder der Kombination realisiert werden. Besonders vorteilhaft ist die im folgenden beschriebene Ausführung:
Stromaufwärts von dem Filter herrscht Normaldruck, ein Reservoir vor dem Filter kann bedarfsweise befüllt werden. In einem Auffangbehälter stromabwärts von dem Filter wird der Arbeitsluft-Unterdruck angelegt. Es entsteht eine Sogwirkung der Luft durch die Membran auf das Medium (die zu filtrierende Suspension). Das entstehende Permeat dringt dann durch den Filter. An geeigneten Ablaufstellen löst sich das Permeat von dem Filter und läuft in den Auffangbehälter. Das verdrängte Luftvolumen kann für weitere Informationen (z.B. Feedstrom-Bestimmung) ausgewertet werden.
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Diese Ausführungsform bietet einige Vorteile: Es entstehen keine mechanischen Scherkräfte auf das Permeat. Es besteht geringste Kontaminationsgefahr, die Druckstufe (z.B. eine Pumpe) kommt nicht in Kontakt mit dem Permeat, das Permeat kommt nicht in Kontakt mit den Pumpenbestandteilen. Im Behälter verbleibt das Permeat und kann weiterverarbeitet werden. Das Verfahren ist prinzipiell lageunabhängig.
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Die technische Ausführung dieser Ausführungsform umfasst in einer ersten Anordnung eine Haltevorrichtung für den Filter, die geometrisch an die Membran, an die Strömungsbedingungen und an die Befüllungstechnik angepasst ist.
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Bevorzugt ist zusätzliche Mikrofluidikstruktur vorhanden, um Kontakt-Oberflächen bei Reaktionen, Verdunstungsflächen, etc. zu optimieren.
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Bevorzugt ist die Haltevorrichtung für den Filter leicht zu reinigen oder als preiswerter Einmal-Artikel, optional in Kombination mit dem Filter selbst, ausgeführt. Bevorzugt liegt die Membran des Filters an vielen, aber kleinen Stützstellen der Haltevorrichtung auf.
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Das Permeat kann sich in einer Kanalstruktur der Haltevorrichtung sammeln. In der Haltevorrichtung sind Ablauflöcher derart vorgesehen, daß der Luft-Unterdruck nicht durch die Membran entweichen kann, sondern nur auf das Permeat wirksam wird.
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Bevorzugt sind Ablaufhilfen an den Ablauflöchern vorgesehen (z.B. als Sammelkanal oder Führungsrohr).
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Für die weitere Verwendung des Retentats muß die Handhabbarkeit sichergestellt werden. Dichtungen sind bevorzugt als Standarddichtungen (z.B. O-Ring) vorgesehen, z.B. mit Vorbelastung (durch Spannfeder-Druck, Gewicht o.ä.).
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Der Auffangbehälter erfordert Dichtheit und hinreichende Druckfestigkeit. An ihm können Anschlüsse für Filter/Membran und Luftdruck vorgesehen sein. Der Auffangbehälter ist bevorzugt leicht zu reinigen oder kann ein preiswerter Einmal-Artikel sein; für die weitere Auswertung des Permeats muß die Handhabbarkeit sichergestellt werden. Attraktiv erscheint ein komplett vormontierter "Reservoir"-Aufbau, bestehend aus den o.g. Komponenten als Click-Kit".
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Es ist bevorzugt, die Füllhöhe über dem Filter derart begrenzen, dass der zusätzliche Druck durch die Schwerkraft vernachlässigt werden kann. Damit bleiben zusätzliche Belastungen des Feedstroms und des Retentats (z.B. Zellen) durch die entstehende Flüssigkeitssäule minimal. Sinnvoll erscheint eine Begrenzung auf 1/10 der Druckdifferenz. Z.B. ist für 10 mBar die Wassersäule von 1 mBar (= 1cm) nicht zu überschreiten.
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Gemäß einer alternativen zweiten Anordnung ist vor dem Filter ein Vorratsbehälter für die zu filtrierende Suspension vorgesehen, welcher unter einen definierten (Über-)Druck gesetzt werden kann, ähnlich z.B. einer Spritze. Der Behälter kann einfach auf Luftdruck gesetzt werden ("offen"). Der definierte Druck kann als Kombination von Volumenänderungen (Spritzen-Prinzip) und angelegtem Druck (Gas, Flüssigkeiten) angelegt werden. Diese Anordnung hat ähnliche Vorteile wie die oben beschriebene erste Anordnung
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Es wird eine Feedstrom- und Druckregelung bei der Filtration benötigt:
Dies wird z.B. ermöglicht durch die Bestimmung der Druckdifferenz an der Membran (Sensoren Ø); Position der Sensoren im Reservoir oder in der Zuleitung bzw. im Luftströmungs-geschütztem Außenraum, beispielsweise durch einen Differenzdrucksensor.
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Für die angestrebten einfachen Anordnungen reicht ein P-Regler mit Stellglied für Druckeinstellung incl. Quelle für Druck, i.A. Über- und Unterdruck. Dies ist beispielhaft und schematisch in 3 dargestellt.
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Ferner kann eine Messung des Filtratflusses durch Permeat-Volumenbestimmung aus dem Regelfehler vorgesehen sein. Durch einstellbare Vorgaben von Druck und Feedstrom, z.B. zur Beschleunigung, wird die Belastungsminimierung von Membran und auf das Filtrationsgut (z.B. Zellen) gewährleistet. Durch Regulierung der Druckdifferenz kann ein vollständiges Anhalten des Feedstroms erreicht werden, wobei die Regelung Einflüsse durch Kapillar-Effekte, Schwerkraft u.dgl. ausgleicht. Dies erlaubt beispielsweise das Einwirken von Reagenzien auf das Retentat, z.B. Färbung von Zellen oder deren Fixierung durch Fixationsreagenzien wie Formaldehyd und dergleichen. Dabei ist auch eine Berücksichtigung und Ausregelung von Kapillarkräften möglich, z.B. aufgrund der Schwerkraft, Dampfdruck aus dem Behälter, thermische Ausdehnung etc..
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Eine Möglichkeit zur Regelung der Druckdifferenz liegt in der Bereitstellung eines Luftspeichers geeigneten Volumens und definiertem Unterdruck. Die Druckdifferenz wird eingestellt durch Berechnung des Luftvolumens zur Einstellung der gewünschten Druckdifferenz, aus Ventilöffnungszeit, Ventilwiderstand und Druckdifferenz (Solldruck minus Luftspeicherdruck).
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Eine vorteilhafte und praxiserprobte Möglichkeit zum Einstellen des Arbeitsdrucks ist die Bereitstellung von hinreichend belastbarem Überdruck- und Unterdruck-Vorräten, aus denen der Arbeitsdruck durch entsprechend gesteuerte Ventile entnommen wird. Im ersten Ventil wird der Überdruck- oder Unterdruck-Vorrat ausgewählt, in einem zweiten Ventil durch Eintasten eine gewisse Luftmenge zwischen dem Behälter und dem Vorrat transferiert. So ergibt sich ein zeitlicher Mittelwert, der den Arbeitsdruck ergibt.
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Prinzipiell sind für die Erfindung zur Filtration alle Arten von bekannten Filtern oder Filtermembranen einsetzbar (z.B. Flachmembran, Kaffeefilter-Tüte (= Fläche zweiter Ordnung), Hohlfaseranwendung. Aufgrund des leicht vorhersagbaren Verhaltens und der starken Vereinfachung der Sickerströmungsgleichungen ist eine Flachmembran mit folgenden Eigenschaften besonders vorteilhaft:
- – Porenrichtung senkrecht zur Oberfläche (z.B. durch relativ zur Porengröße geringe Membrandicke),
- – Porenstruktur mit geringem Durchmesser-Fehler,
- – Porenanzahl und -dichte hinreichend hoch, damit durch das Retentat keine signifikante Veränderung der Eigenschaften auftritt,
- – Inert zu verwendeten Medien und Materialien, ggf. zur Weiterverarbeitung des Retentats geeignet. Beispiel: Track Etched Membrane aus PolyCarbonat oder aus TOPAS (Handelsname).
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Mögliche Anwendungen der Erfindung umfassen Zellseparation, z.B. für (zirkulierende) Tumorzellen "CTC" in Blut, Tumorzellen/Urothelzellen in Urin, Epithelzellen in Sputum, etc..
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Dabei erfolgt die Wahl der Filterfläche derart, dass das Retentat während des betrachteten Filtervorgangs nicht signifikant zu veränderten Filtereigenschaften führt: die Anzahl der zurückgehaltenen Zellen ist wesentlich kleiner als die Anzahl der Poren in der Membran; die projizierte Fläche des Retentats (u.a. zurückgehaltene Zellen) ist wesentlich kleiner als die Filterfläche. Dabei ist die Filtermembran bevorzugt eine kreisrunde "Track Etched Membrane" aus PolyCarbonat.
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Der Feedstrom ist durch die Frequenz und das Volumen der aufpipettierten Blutprobe gegeben. Dieser muss nicht konstant sein. Auch der Permeatstrom muss nicht konstant sein. Entscheidend für eine schonende Filtration der CTCs ist eine möglichst geringe mechanische Belastung der Zellen (z.B. durch Scherkräfte), was im Wesentlichen durch eine geringe Druckdifferenz realisiert werden kann. Dies kann durch eine Druckregelung gewährleistet werden.
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Ferner ist es möglich, das jeweilige Permeat sequentiell mit verschiedenen Filtermembranen zu filtrieren, die sich z.B. durch die Größe unterscheiden. Der Einbau einer Heizung kann vorgesehen werden, um Inkubationsschritte bei definierten Temperaturen zu ermöglichen (z.B. für EPISPOT und FISH Färbungen), eventuelle Effekte (Dampfdruck etc.) kann dabei die Regelung ausgleichen.
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Bevorzugt ist eine Füllstandsbestimmung im Trichter und Permeatbehälter durch entsprechende Sensoren und Berücksichtigung in der Regelung vorgesehen, um Trockenfallen bzw. Überlauf zu vermeiden (adaptive Regelung).
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Eine Parallelbearbeitung in mehreren Filteranordnungen ist möglich, da zuverlässige und reproduzierbare Filtrationseigenschaften sichergestellt sind. Dies kann z.B. erfolgen durch Aufteilen des Volumens im Trichter auf zwei oder mehrere Membranen; Druck in den jeweiligen Behältern kann individuell geregelt werden. Dabei können verschiedene Fragestellungen gleichzeitig bearbeitet werden (z.B. verschiedene Porengrößen), Auswechseln einzelner Behälter ohne Änderung des Permeatflusses ist möglich. Alternativ kann dies erfolgen durch Aufteilung des Permeatflusses auf zwei oder mehr Trichter mit jeweils eigener Filtermembran und Behälter. Die Parameter (Permeatfluß als Fuktion der Zeit, Druck, Porengröße, Vorlage von Reagenzien etc.) können individuell eingestellt werden. Vorteilhaft ist die gemeinsame Nutzung von Ressourcen: Druckleitungen, elektrische Verbindungen, Steuer- und Auswertesoftware, Permeatzuführung.
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Eine sequentielle Abarbeitung ist ebenso denkbar: ein Anschluß am Permeatbehälter ermöglicht weitere Filterungen; z.B. durch Umpumpen, Stacking der Anordnung, oder eine vollständige Filteranordnung im Inneren des Permeatbehälters einer ersten Anordnung.
