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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und ist mit besonderem Vorteil in der Biotechnologie anwendbar. Speziell bezieht sich die Erfindung auf eine Einrichtung, die es erlaubt, ein Fluid mit wechselndem Druck zu beaufschlagen. Dies ist beispielsweise in der Biotechnologie zur Lysatherstellung wichtig, bei der lebende Zellen aufgeschlossen werden, um sie mindestens teilweise in ihre Bestandteile zu zerlegen.
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Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift
DE 101 30 512 A1 eine Vorrichtung zur Druckperfusion für das Züchten und/oder Behandeln von Zellen bekannt. Die dort beschriebene Vorrichtung ist zum Pumpen eines Fluids in einen Bioreaktor eingerichtet. Über eine Ventilanordnung wird ein pulsatiles Pumpen ermöglicht, so dass das Wachstum der Zellen im Bioreaktor gesteigert wird. Es werden verschiedene Mechanismen beschrieben, durch die die Pumpfunktion erreicht werden kann, beispielsweise durch einen Elektromagnet oder durch Druckluft.
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Ferner beschreibt die Offenlegungsschrift
DE 100 19 918 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Zerkleinerung von Mikroorganismen im Klärschlamm einer Kläranlage. Hierbei wird ein die Mikroorganismen enthaltendes Volumen zunächst in einer Druckkammer komprimiert und tritt anschließend nach dem schlagartigen Öffnen einer Auslassöffnung durch diese aus und trifft anschließend auf einen Prallkörper. Dabei treten hohe Zerreiß- und Scherkräfte auf, durch welche die innere Struktur der Mikroorganismen und die Verbindung der Mikroorganismen untereinander aufgelöst wird, um so geeignete Voraussetzungen für einen nachfolgenden Umwandlungsprozess zu schaffen.
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Es sind grundsätzlich verschiedene Zellaufschlussverfahren bekannt. Eines dieser Verfahren, die Hochdruckhomogenisation, sieht vor, dass Zellen in einer Lösung, speziell einer wässrigen Lösung, einem hohen Druck ausgesetzt werden, der sehr schnell verringert wird. Durch diesen Vorgang wird die Zellwand der Zellen des Fluids zerstört, und die Zellbestandteile gehen in die wässrige Lösung über.
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Dieses Verfahren ist bisher unter Laborbedingungen durchführbar, jedoch hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Einrichtung zu schaffen, die den beschriebenen Vorgang vereinfacht und in zuverlässiger Weise kontinuierlich oder periodisch durchzuführen erlaubt. Insbesondere ist es bisher üblich, das Fluid, das die aufzuschließenden Zellen enthält, in eine Presse einzubringen, dort mit wechselndem Druck zu beaufschlagen und danach zu entnehmen. Darauf kann neues Zellmaterial in die Presse eingefüllt werden. Ein solches Fluid wird im Folgenden sowohl vor als auch nach Durchlaufen des Bearbeitungsprozesses Nutzfluid genannt, während das dem Druckaufbau dienende Fluid Hydraulikfluid genannt wird. Beide Fluide sind vorteilhaft weitestgehend inkompressible Flüssigkeiten.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 1. Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf eine Einrichtung zur Beaufschlagung eines Nutzfluids mit wechselndem Druck mit einer Versorgungseinrichtung, die einen Verbindungskanal aufweist, der ein Hydraulikfluid führt, sowie mit Schaltmitteln, die den Verbindungskanal wahlweise mit einem ersten Druckreservoir mit einem ersten Druck oder mit einem zweiten Druckreservoir mit einem zweiten Druck verbinden, und mit einer Arbeitseinrichtung, die eine Arbeitskammer zur Aufnahme des Fluids, einen in der Arbeitskammer mündenden, durch eine erste Verschlussvorrichtung verschließbaren Zuleitungskanal für das Nutzfluid und einen in der Arbeitskammer mündenden, durch eine zweite Verschlussvorrichtung verschließbaren Ableitungskanal aufweist, wobei die Arbeitskammer durch einen Kammerkolben auf der Sekundärseite einer Kolbenanordnung druckbeaufschlagbar ist, deren Primärseite einer Druckkraft entsprechend dem in dem Verbindungskanal herrschenden Druck ausgesetzt ist.
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Die Einrichtung weist demnach zunächst eine Versorgungseinrichtung auf, welche ihrerseits einen Verbindungskanal aufweist, der durch die Schaltmittel mit einem Hydraulikfluid unter einem ersten Druck oder einem zweiten Druck beaufschlagt werden kann. Werden die Schaltmittel betätigt, so kann der Druck im Verbindungskanal entsprechend vom ersten Druck zum zweiten Druck oder umgekehrt geändert werden. Die Versorgungseinrichtung arbeitet vorteilhaft mit einer inkompressiblen Flüssigkeit als Hydraulikfluid, und die Schaltmittel können beispielsweise durch Ventile, insbesondere Hydraulikventile, gebildet sein, so dass beim Betätigen der Schaltmittel der Druck in dem Verbindungskanal sehr schnell geändert werden kann. Der Verbindungskanal weist vorzugsweise eine wenigstens einen geraden und bezüglich seines Querschnitts konstanten Abschnitt auf.
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Die Einrichtung weist zudem eine Arbeitseinrichtung auf, in deren Arbeitskammer das zu bearbeitende Nutzfluid, beispielsweise in Form von Zellmaterial, angeordnet ist, wobei die Arbeitskammer mittels einer Kolbenanordnung druckbeaufschlagbar ist, die sekundärseitig auf der Seite der Arbeitskammer einen Kammerkolben aufweist, wobei durch die Kolbenanordnung der jeweils im Verbindungskanal wirkende Druck auf den Kammerkolben und damit die Arbeitskammer übertragbar ist. Somit erlaubt die Einrichtung einen sehr schnellen Wechsel des Drucks in der Arbeitskammer mittels der Betätigung der Schaltmittel der Versorgungseinrichtung.
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Zudem weist die Arbeitskammer einen Zuleitungskanal auf, über den das zu bearbeitende Nutzfluid zugeführt werden kann, sowie einen Ableitungskanal, über den das bearbeitete Nutzfluid, also beispielsweise das Lysat, entsprechend dem aufgeschlossenen Zellmaterial ableitbar ist. Der Zuleitungskanal und der Ableitungskanal durch eine erste und zweite Verschlussvorrichtung verschließbar, so dass der Druck in der Arbeitskammer zeitweise geändert, insbesondere erhöht und schlagartig verringert werden kann, ohne den Druck im Zuleitungskanal und im Ableitungskanal zu beeinflussen. Auf diese Weise ist sukzessive die Bearbeitung des durch den Zuleitungskanal der Arbeitskammer zugeführten Materials mittels einer Druckerhöhung und einer Druckverringerung möglich, wobei in einfacher Weise regelmäßig neues Material in Form des zu bearbeitenden Fluids zugeführt und durch die Einrichtung durchgeschleust werden kann. Auf diese Weise erlaubt die Einrichtung eine weitgehend automatisierbare, zuverlässige und effiziente Bearbeitung eines Fluids mit hohem Durchsatz.
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Sowohl die Schaltmittel der Versorgungseinrichtung als auch die Verschlussvorrichtungen der Arbeitseinrichtung können vorteilhaft mittels einer Steuereinrichtung angesteuert werden. Zudem kann vorteilhaft eine Pumpvorrichtung vorgesehen sein, die regelmäßig weiteres Nutzfluid durch den Zuleitungskanal in die Arbeitskammer pumpt und dort das bearbeitete Nutzfluid verdrängt, so dass das bearbeitete Nutzfluid, also beispielsweise das Lysat, durch den Ableitungskanal abgeführt wird. Der Zuleitungskanal kann vorteilhaft in ein Zuleitungsreservoir für wässrig gelöstes Zellmaterial münden, während der Ableitungskanal in ein Ableitungsreservoir für Lysat münden kann.
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Die Erfindung sieht vor, dass die erste Verschlussvorrichtung und die zweite Verschlussvorrichtung jeweils durch einen Überdruck oberhalb einer Verschlussdruckschwelle in der Arbeitskammer verschließbar sind und verschlossen gehalten werden. Die Erfindung lässt zu, dass durch die Schaltmittel der Verbindungskanal mit einem niedrigeren Druckniveau verbunden wird, so dass die erste und zweite Verschlussvorrichtung sich öffnen. Dieser Schaltdruck kann beispielsweise bei 3 bar Überdruck liegen.
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Sind die Verschlussvorrichtungen geöffnet, so kann unbearbeitetes Nutzfluid in die Arbeitskammer transportiert werden. Darauf wird der Verbindungskanal mittels der Schaltmittel mit einem Druckreservoir höheren Drucks verbunden, der Druck steigt schlagartig an, und hierdurch werden selbsttätig die Verschlussvorrichtungen verschlossen und verschlossen gehalten, so dass der entsprechende höhere Druck auch in der Arbeitskammer eingestellt werden kann. Wird darauf der Druck im Verbindungskanal schlagartig gesenkt, so teilt sich über den Verbindungskanal und die Kolbenanordnung der schlagartig gesenkte Druck dem Kammerkolben mit, der sich entsprechend bewegt und eine Entspannung in der Arbeitskammer bewirkt. Handelt es sich bei den Hydraulikfluiden in den Kanälen und bei dem zu bearbeitenden Nutzfluid um inkompressible Flüssigkeiten, so sind nur minimale Bewegungen der entsprechenden Kolben und Kolbenanordnungen notwendig, um den Druck zu erhöhen oder zu verringern.
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Die erste und zweite Verschlussvorrichtung können beispielsweise Federelemente aufweisen, die die Verschlussvorrichtungen offen halten, solange der Druck in der Arbeitskammer kleiner ist als eine Verschlussdruckschwelle. Diese Konstruktion stellt eine besonders einfache Ausführungsform der selbsttätigen Steuerung der Verschlussvorrichtungen dar.
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Die Verschlussvorrichtungen können Öffnungs- und Schließelemente aufweisen, insbesondere auf Basis von Ventilen.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Verschlussvorrichtungen schwenkbar gelagerte Klappen aufweisen und dass diese insbesondere gegen die Mündungsöffnungen des Zuleitungskanals und des Ableitungskanals in der Arbeitskammer pressbar sind.
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Die Mündungsöffnungen des Zuleitungskanals und des Ableitungskanals in der Arbeitskammer können beispielsweise Öffnungen in der Wand der Arbeitskammer sein, beispielsweise runde Bohrungen. In diesem Fall können die Klappen der Verschlussvorrichtungen am Rand der Öffnungen dichten.
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Es kann auch ein die jeweiligen Mündungsöffnungen umgebender erhöhter Rand in der Art einer Dichtlippe vorgesehen sein, der aus dem Material der Arbeitskammer oder auch aus einem Elastomermaterial besteht. Hierdurch kann die Dichtung der Verschlussvorrichtungen an dem Zuleitungs- und dem Ableitungskanal wesentlich verbessert werden.
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Anstelle der beschriebenen schwenkbaren Klappen können im Bereich der Zuleitung und der Ableitung auch druckgesteuerte Ventile vorgesehen werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Kolbenanordnung einen in einem Zylinder der Arbeitseinrichtung geführten Kammerkolben sowie einen in dem Verbindungskanal geführten Antriebskolben aufweist. In diesem Fall ist die Kolbenanordnung derart aufgeteilt, dass sie wenigstens zwei Kolben aufweist, die jeweils dichtend in einem Zylinder geführt sein können. Wichtig ist, dass die Kolbenanordnung eine derartige Kopplung zwischen dem Antriebskolben und dem Kammerkolben vorsieht, dass die Druckerhöhung und die Druckverringerung im Verbindungskanal sich unmittelbar auf den Kammerkolben auswirken. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kammerkolben an dem Antriebskolben stirnseitig anliegt. Eine Erhöhung des Drucks im Verbindungskanal hat damit eine Verschiebung des Arbeitskolbens und unmittelbar auch eine entsprechende Verschiebung des Kammerkolbens zur Folge. Wird der Druck im Verbindungskanal schlagartig verringert, so bewegt sich der Arbeitskolben in den Verbindungskanal hinein von der Arbeitskammer weg, so dass die Gegenkraft für den Kammerkolben entfällt und dieser durch den Überdruck in der Arbeitskammer getrieben werden kann, so dass auch in der Arbeitskammer der Druck schlagartig abfällt. Eine entsprechende Bewegung des Kammerkolbens kann durch eine Federvorspannung unterstützt werden, die in Richtung einer Druckverringerung der Arbeitskammer wirkt und den Kammerkolben gegen den Antriebskolben drückt. Der Zylinder, in dem der Kammerkolben geführt ist, kann mit gleichem Querschnitt in den Verbindungskanal übergehen. Arbeitskolben und Kammerkolben haben dann denselben Querschnitt, Arbeitskolben und Kammerkolben können jedoch auch unterschiedlichen Querschnitt haben.
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Eine derartige Kopplung der Kolbenanordnung bzw. des Kammerkolbens einerseits und des Arbeitskolbens andererseits erlaubt ein leichtes Trennen des Kammerkolbens vom Antriebskolben, so dass der Kammerkolben bei einem Austausch, einer Wartung oder anderweitigen Entfernung der Arbeitseinrichtung von der Versorgungseinrichtung in der Arbeitseinrichtung verbleiben kann, während der Arbeitskolben in der Versorgungseinrichtung verbleibt. Der Arbeitskolben kann dann zuverlässig den Verbindungskanal verschließen, so dass dort kein Hydraulikfluid austreten kann. Beim neuerlichen Zusammensetzen der gesamten Einrichtung muss lediglich die Versorgungseinrichtung derart gegenüber der Arbeitsrichtung ausgerichtet werden, dass die Kolbenanordnung funktioniert, dadurch, dass der Arbeitskolben und der Kammerkolben fluchtend zueinander ausgerichtet werden.
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Zudem ist zur Kraftübertragung auch eine lösbare Verbindung zwischen dem Arbeitskolben und dem Kammerkolben, beispielsweise in Form einer Schraubverbindung oder einer Bajonettverbindung, denkbar.
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Die Kraftübertragung kann aber auch ausschließlich durch eine Hydraulikflüssigkeit erfolgen, die zwischen dem Arbeitskolben und dem Kammerkolben eingeschlossen ist.
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Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Arbeitseinrichtung mit dem Kammerkolben von der Versorgungseinrichtung trennbar, insbesondere gegenüber dieser senkrecht zur Wirkrichtung der Kolbenanordnung verschiebbar ist. Beispielsweise kann die Arbeitseinrichtung in Schienen geführt sein, so dass das Entfernen von der Versorgungseinrichtung einerseits leicht möglich ist und andererseits das Einführen der Arbeitseinrichtung und die Ausrichtung gegenüber der Versorgungseinrichtung durch die Schienenführung erleichtert ist.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Schaltmittel der Versorgungseinrichtung eine antreibbare Welle aufweisen, die quer zum Verbindungskanal verläuft und diesen an einem Ende begrenzt und in einem ersten Drehwinkelbereich den Verbindungskanal mittels einer in der Welle vorgesehenen ersten Öffnung mit einem ersten Druckreservoir verbindet, in einem zweiten Drehwinkelbereich den Verbindungskanal mittels einer zweiten in der Welle vorgesehenen Öffnung mit dem zweiten Druckreservoir verbindet und den Verbindungskanal in einem dritten Drehwinkelbereich endseitig fluiddicht abschließt.
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Die beschriebene Ausführung der Schaltmittel stellt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dar. Grundsätzlich können die Schaltmittel auch durch ein kombiniertes Ventil oder zwei getrennte, steuerbare Ventile gebildet sein, die den Verbindungskanal wahlweise mit einem ersten Druckreservoir oder einem zweiten Druckreservoir verbinden. Das zweite Druckreservoir kann ein Behälter unter Atmosphärendruck sein. Die Lösung mit einer Welle, die den Verbindungskanal stirnseitig begrenzt und wenigstens in einem dritten Drehwinkelbereich fluiddicht abschließt, ist konstruktiv besonders einfach und lässt in einfacher Weise durch Drehung der Welle ein Umschalten zwischen dem vollständigen Verschluss des Verbindungskanals, der Verbindung mit dem ersten Druckreservoir und der Verbindung mit dem zweiten Druckreservoir zu. Durch kontinuierliche Drehung der Welle mit konstanter Drehgeschwindigkeit kann somit der Druck im Verbindungskanal periodisch erhöht und schlagartig abgesenkt werden. Es ist jedoch auch der Antrieb der Welle mittels eines steuerbaren Motors, beispielsweise eines Stepmotors, denkbar, so dass die Welle mit veränderbarer Drehgeschwindigkeit und auch mit Stillstandsphasen angetrieben werden kann.
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Typischerweise ist der Verbindungskanal in einen massiven Block, beispielsweise aus einem Metall, eingebracht, in dem die Welle quer zum Verbindungskanal gelagert sein kann. Die Welle dichtet dann an dem Material, das den Verbindungskanal umgibt.
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Der Antrieb der Welle kann mittels einer Steuereinrichtung in Abstimmung mit der Öffnung und dem Verschluss der Verschlusseinrichtungen der Arbeitskammer angesteuert werden. Die Verschlusseinrichtungen der Arbeitskammer können jedoch auch selbsttätig bei Überdruck schließen, so dass dort eine eigene Steuerung nicht notwendig ist. In diesem Fall kann ausschließlich die Welle der Versorgungseinrichtung angesteuert werden, wobei die Frequenz der Erhöhung und Verringerung des Drucks ausreichende Zwischenzeiten zulässt, in denen Zellmaterial bei geöffneten Verschlussvorrichtungen in die Arbeitskammer eingebracht und das bearbeitete Nutzfluid/Lysat ausgeleitet werden kann.
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Besonders vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Öffnung in der Welle eine die Welle durchsetzende Durchgangsbohrung ist. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die erste und/oder die zweite Öffnung in der Welle eine Ausnehmung an der Mantelfläche der Welle ist.
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Eine solche Ausnehmung an der Mantelfläche der Welle endet in der entsprechenden Stellung der Welle in dem Bereich, in dem der Verbindungskanal an die Welle anstößt, so dass durch die Ausnehmung der Verbindungskanal mit einem Druckreservoir verbunden werden kann, das seinerseits in dem Block, der den Verbindungskanal enthält, mit der Ausnehmung an der Mantelfläche der Welle verbunden ist. Die Ausnehmung an der Mantelfläche der Welle kann beispielsweise als eine in Axialrichtung verlaufende Nut ausgebildet sein.
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Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform, bei der eine der Öffnungen in der Welle als eine die Welle durchsetzende Durchgangsbohrung und die zweite Öffnung als eine Ausnehmung an der Mantelfläche der Welle ausgeführt ist.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf eine Einrichtung der beschriebenen Art auch auf ein Verfahren zum Betrieb der Einrichtung, bei dem die Welle der Versorgungseinrichtung kontinuierlich oder intermittierend gedreht wird und bei dem periodisch zu bearbeitendes Nutzfluid über den Zuleitungskanal in die Arbeitskammer sowie bearbeitetes Nutzfluid von der Arbeitskammer durch den Ableitungskanal abgeführt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird in effektiver und effizienter Weise die kontinuierliche Bearbeitung des Fluids durch schlagartige Druckänderung, insbesondere Druckverringerung, möglich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Beaufschlagung eines Fluids mit wechselndem Druck,
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2 eine Seitenansicht einer konkreten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung im Schnitt,
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3 eine dreidimensionale Darstellung einer Versorgungseinrichtung, wobei Teile des Gehäuses im Vordergrund weggelassen oder transparent dargestellt sind,
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4 Teile einer Arbeitseinrichtung in einem Schnitt,
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5 schematisch einen Schnitt durch die Arbeitseinrichtung sowie
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6 die Anordnung aus 2 in einem um 90° gedrehten Schnitt.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung, die im Wesentlichen aus zwei übereinander angeordneten und separierbaren Blöcken, nämlich im oberen Teil der Versorgungseinrichtung 1 und im unteren Teil der Arbeitseinrichtung 2, besteht.
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Bei der Versorgungseinrichtung 1 ist zunächst schematisch ein Hochdruckreservoir 3/erster Druckreservoir sowie eine Niederdruckleitung 4 zu einem nicht gezeigten zweiten Druckreservoir dargestellt, wobei zwischen beiden ein Schaltventil 5 dargestellt ist, das die Schaltmittel der Versorgungseinrichtung bildet und das schematisch einen drehbaren und mit Kanälen versehenen Bolzen repräsentiert. Weiter ist ein Verbindungskanal 6 dargestellt, der je nach Drehstellung des Schaltventils 5 über einen ersten Kanal 7 mit dem Hochdruckreservoir oder über die Niederdruckleitung 4 mit einem nicht näher dargestellten Niederdruckreservoir verbindbar ist. Das Hochdruckreservoir 3 bildet in diesem Fall beispielsweise das erste Druckreservoir, während das Niederdruckreservoir das zweite Druckreservoir bildet.
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In dem Verbindungskanal 6 ist eine Kolbenanordnung vorgesehen, die einen Arbeitskolben/Primärkolben 8 sowie einen Kammerkolben 9 aufweist. Die beiden Kolben 8, 9 sind in der Darstellung direkt stirnseitig aneinanderstoßend dargestellt, wobei die Stoßstelle durch die gestrichelte Linie 10 repräsentiert ist. Eine entsprechende Druckkraft im Verbindungskanal 6 wird über den Primärkolben 8 unmittelbar auf den Kammerkolben 9 übertragen. Die Kolbenanordnung 8, 9 kann sich in dem Verbindungskanal 6 und in dem sich an den Verbindungskanal in der Arbeitseinrichtung 2 anschließenden Fortsetzungskanal 11 bewegen. Es ist jedoch auch denkbar, dass zwischen dem Primärkolben 8 und dem Kammerkolben 9 eine inkompressible Flüssigkeit, also typischerweise Hydraulikflüssigkeit, vorgesehen ist, die den Druck zwischen beiden Kolben überträgt, oder eine Übertragungseinrichtung in Form einer Stange.
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Der in der Zeichnung untere Teil der erfindungsgemäßen Einrichtung, also im Wesentlichen die Arbeitseinrichtung 2, weist eine Arbeitskammer 12 auf, die mit einem in Wasser gelösten Zellmaterial füllbar ist, das in der Arbeitskammer unter Druck gesetzt werden kann. Dies geschieht im Wesentlichen dadurch, dass die Sekundärseite der Kolbenanordnung, gebildet durch den Kammerkolben 9, einen erhöhten Druck des Hochdruckreservoirs 3 über den Verbindungskanal 6 auf die Arbeitskammer 12 überträgt. In der Arbeitskammer sind ein Zuflusskanal 13 sowie ein Abflusskanal 14 vorgesehen, die jeweils in die Arbeitskammer 12 münden. Jeweils an den Mündungsstellen ist ein Ventil vorgesehen, das in 1 nicht dargestellt ist, auf das jedoch weiter unten näher eingegangen wird. Die entsprechenden Ventile erlauben es, die Arbeitskammer 12 fluiddicht abzuschließen, so dass in ihr ein erhöhter Druck aufgebaut werden kann.
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Der Zuflusskanal 13 ist mit einer ersten Vorratskammer 15 für in wässriger Losung vorliegendes Zellmaterial verbunden. Es ist eine Pumpvorrichtung 16 vorgesehen, die die Flüssigkeit aus der ersten Vorratskammer in die Arbeitskammer 12 pumpt. Der Abflusskanal 14 ist mit einer zweiten Vorratskammer 17 verbunden, in der nach der Bearbeitung in der Arbeitskammer 12 die bearbeitete Flüssigkeit (Nutzfluid) gespeichert werden kann. Die bearbeitete Flüssigkeit kann der zweiten Vorratskammer 17 durch eine weitere, nicht dargestellte Abflussleitung entnommen werden.
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Die Arbeitseinrichtung 2 kann von der Versorgungseinrichtung 1 separiert werden. Zu diesem Zweck kann entweder der Kammerkolben 9 aus dem Verbindungskanal 6 herausgezogen und die Arbeitseinrichtung 2 senkrecht zur Zeichenebene von der Versorgungseinrichtung 1 wegbewegt werden, oder die Kolbenanordnung 8, 9 wird derart bewegt, dass die Stoßebene 10, in der die beiden Kolben 8, 9 aufeinanderstoßen, mit der Trennebene zwischen der Versorgungseinrichtung 1 und der Arbeitseinrichtung 2 zusammenfällt.
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Die Versorgungseinrichtung 1 weist im Übrigen eine Kühleinrichtung 18 auf, die über Kühlleitungen 19, 20 in einem geschlossenen Kreislauf die Umgebung der Arbeitseinrichtung 2 kühlt. Die Arbeitseinrichtung 2 weist keine gesonderte Kühleinrichtung auf und kann deshalb besonders einfach der erfindungsgemäßen Einrichtung entnommen werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Kühlleitungen 19, 20 der Kühleinrichtung 18 lösbar an eine in dem Block/Gehäuse der Arbeitseinrichtung 2 vorgesehene Kühlleitung anschließbar sind, um die Arbeitseinrichtung zu kühlen.
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Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist derart, dass zunächst über die Pumpeinrichtung 16 das zu bearbeitende Nutzfluid aus der ersten Vorratskammer 15 in die Arbeitskammer 12 transportiert wird, dass danach die Ventile 26, 27 zwischen der Arbeitskammer 12 und dem Zuflusskanal 13 sowie dem Abflusskanal 14 geschlossen werden und dass darauf die Arbeitskammer 12 durch entsprechendes Schalten des Schaltventils 5 einem hohen Druck von einigen hundert Bar ausgesetzt wird. Dann schaltet das Schaltventil 5 weiter, so dass der Druck im Verbindungskanal 6 dadurch schlagartig nachlässt, dass der Verbindungskanal mit der Niederdruckleitung 4 verbunden wird. Durch die Bewegung der Kolbenanordnung 8, 9 und die schlagartige Verringerung des Drucks in der Arbeitskammer 12 wird das Zellmaterial des Nutzfluids verändert; beispielsweise werden Zellwände gesprengt, so dass danach Zellbausteine in entsprechender Lösung in der Arbeitskammer 12 vorliegen. Darauf werden die Ventile 26, 27 der Arbeitskammer 12 geöffnet, und es wird weiteres unbearbeitetes Fluid aus der ersten Vorratskammer 15 nachgepumpt, welches das bearbeitete Fluid aus der Arbeitskammer 12 verdrängt und in die Abflussleitung 14 und weiter in die zweite Vorratskammer 17 drückt. Die Arbeitskammer ist darauf wieder mit unbearbeitetem Nutzfluid gefüllt, so dass nach Schließen der Ventile der Druck erneut erhöht werden kann. Auf diese Weise erlaubt die erfindungsgemäße Einrichtung eine periodische Bearbeitung von Füllungen der Arbeitskammer 12.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Versorgungseinrichtung 1 mit dem ersten Druckreservoir/Hochdruckreservoir 3 und dem Schaltventil 5, das durch eine drehbare Welle gebildet ist. Die Welle weist einerseits eine Durchgangsbohrung 22 auf, die in einer ersten Schaltstellung den Hochdruckkanal 7 auf der einen Seite der Welle 5 mit dem Verbindungskanal 6 auf der anderen Seite der Welle verbindet, in dem sich auch der Kolben 8 bewegt. Die Welle 5 ist in das Material des Blocks, der die Versorgungseinrichtung 1 bildet, passgenau eingepasst, so dass die Mantelfläche der Welle an dem Material des Blocks dichtet und der Durchgangskanal der Welle nur dann freigeschaltet wird, wenn er mit dem Verbindungskanal 6 fluchtet. Ist die Welle 5 gegenüber dieser Schaltstellung verdreht, so ist die Kolbenanordnung 8, 9 nicht mit dem erhöhten Druck des Hochdruckreservoirs 3 beaufschlagt. Das Hochdruckreservoir 3 seinerseits ist mit einer nicht dargestellten Hochdruckquelle verbunden, wobei der Druck durch einen hydraulischen Übersetzer auf ein Niveau von etwa 600 bar noch weiter erhöht sein kann. Der Druck kann allerdings noch deutlich höher sein, 2000 bar sollten das Maximum darstellen.
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Es ist gezeigt, dass die Kolbenanordnung 8, 9 sekundärseitig mit dem Arbeitskolben 9 auf eine Arbeitskammer 12 wirkt, die mit einem Zuleitungskanal 13 und einem Ableitungskanal 14 verbunden ist. Die Arbeitseinrichtung 2 ist in 2 jedoch nur schematisch und nicht detailliert dargestellt. Bei der Versorgungseinrichtung 1 ist zudem eine Antriebseinrichtung 21 für die Welle 5 im äußeren Bereich dargestellt. 6 zeigt die Anordnung aus 2 der Vollständigkeit halber in einer um 90° um die vertikale Achse gedrehten Position.
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3 zeigt in detaillierter Form den inneren Aufbau der Versorgungseinrichtung 1 mit der Welle 5, die eine Durchgangsbohrung 22 aufweist. Die Durchgangsbohrung verläuft gerade und mitten durch die Welle 5 hindurch.
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Zusätzlich zu der Durchgangsbohrung 22 ist an der Mantelfläche der Welle 5 eine Nut vorgesehen, die, wenn sie mit dem Verbindungskanal 6 fluchtet, diesen mit einem seitlich gegenüber dem Verbindungskanal 6 versetzten Kanal in dem Block der Versorgungseinrichtung 1 verbindet. Dieser Kanal bildet eine Niederdruckleitung 4, die einen Überdruck von dem Verbindungskanal 6 in ein Niederdruckreservoir (zweites Druckreservoir) ableitet. Diese Niederdruckleitung 4 ist in 3 durch zwei Kreise 23, 24 repräsentiert, die zwei Schnittflächen der Leitung anzeigen. Der Kanal an der Mantelfläche der Welle 5 selbst ist mit 25 bezeichnet.
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Ist der Hochdruckkanal 7 mit einem Hochdruckreservoir (3) verbunden, so ergibt sich jedes Mal, wenn die Durchgangsbohrung 22 mit dem Verbindungskanal 6 und dem Hochdruckkanal 7 fluchtet, ein Druckanstieg im gesamten Verbindungskanal, der sich auch der Kolbenanordnung 8, 9 mitteilt und zu einer Erhöhung des Drucks in der Arbeitskammer 12 führt. Bewegt sich die Durchgangsbohrung im weiteren Zuge der Drehbewegung der Welle 5 von dem Verbindungskanal 6 weg, so dass keine Überschneidung der Öffnungen mehr stattfindet, so ist der Verbindungskanal gänzlich geschlossen, und der Druck bleibt konstant. In dem Moment, in dem die Nut 25 in den Bereich der Mündung des Verbindungskanals 6 gerät, wird der Überdruck im Verbindungskanal 6 über die Nut 25 und den weiteren Verlauf der Niederdruckleitung 4, 23, 24 sehr schnell abgebaut, so dass es im Verbindungskanal 6 sowie in der Arbeitsdruckkammer 12 zu einem schlagartigen Druckabfall kommt. Dieser ist notwendig für die Bearbeitung des Fluids in der Arbeitskammer und zerstört die Zellwände, so dass in der Arbeitskammer Lysat entsteht. Dreht sich die Welle 5 weiter, so wird der Verbindungskanal 6 wieder geschlossen, und der Druck bleibt sowohl in diesem Teil des Kanals als auch in der Arbeitskammer 12 konstant, bis die Durchgangsbohrung 22 wieder mit dem Verbindungskanal 6 wenigstens teilweise fluchtet und der Druck wieder erhöht wird.
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Die Welle kann entweder mit gleichbleibender Geschwindigkeit, mit periodisch wechselnder Geschwindigkeit oder auch intermittierend in Winkelschritten bewegt werden, um einen regelmäßigen Druckverlauf in der Arbeitskammer mit steigendem und sinkendem Druck zu erreichen.
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4 zeigt in detaillierterer Darstellung einen Teil der Arbeitseinrichtung 2 mit der Arbeitskammer 12 sowie einer ersten Verschlussvorrichtung 26, die ein Einlassventil der Arbeitskammer 12 bildet, und einer zweiten Verschlussvorrichtung 27, die ein Auslassventil für die Arbeitskammer bildet. Die Ventile sind in der Darstellung der 4 als Klappenventile dargestellt, die jeweils als schwenkbare, in einem Scharnier gelagerte Klappen ausgebildet sind. Diese Klappen verschließen den Zuleitungskanal 13 einerseits und den Ableitungskanal 14 andererseits.
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In 4 sind weiterhin der zylindrische Fortsetzungskanal 11 sowie der darin in Axialrichtung bewegliche Kammerkolben 9 gezeigt. Dieser ist mittels einer Vorspannfeder 28 in Richtung zur Versorgungseinrichtung 1 vorgespannt, so dass er bei einer Absenkung des Drucks durch die Feder im Sinne einer Drucksenkung von der Arbeitskammer 12 wegbewegt wird.
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5 zeigt schematisch die Arbeitsweise der ersten Verschlussvorrichtung 26 und der zweiten Verschlussvorrichtung 27, die jeweils analog als Klappen 27a ausgestaltet sind, die mittels je eines Scharniers 27b in einem Halter 27c an der Innenwand der Arbeitskammer 12 schwenkbar gehalten sind, so dass sie im Normalfall durch Federn 27d vor den Mündungen der jeweiligen Kanäle (des Zuleitungskanals 13 einerseits und des Ableitungskanals 14 andererseits) gehalten sind. In diesem, in der 5 dargestellten Zustand kann ein zu bearbeitendes Nutzfluid durch den Zuleitungskanal 13 in die Arbeitskammer 12 eingeleitet werden. Steigt der Druck in der Arbeitskammer 12 durch Bewegung des Kammerkolbens 9 in dem Fortsetzungskanal 11, so werden bei Überschreiten eines bestimmten Schwellendrucks, beispielsweise 3 bar Überdruck, die Federn 27d komprimiert, so dass die Ventile 26, 27 geschlossen werden und durch den Überdruck in der Arbeitskammer 12 auch geschlossen gehalten werden. Es kann kein Fluid aus der Arbeitskammer entweichen, so dass der Druck bis zu einem Arbeitsdruck von einigen hundert Bar weiter gesteigert werden kann. Wird der Druck danach schlagartig abgesenkt, so findet durch die schlagartige Absenkung die Umwandlung des zu bearbeitenden Nutzfluids statt, und bei Unterschreiten des Schwellendrucks von 3 bar öffnen die Verschlussvorrichtungen 26, 27, so dass weiteres Nutzfluid durch den Zuleitungskanal 13 eingeschoben werden kann, welches das bearbeitete Nutzfluid in der Arbeitskammer 12 verdrängt, so dass das bearbeitete Fluid durch den Ableitungskanal 14 entweicht. Nach erneutem Füllen der Arbeitskammer 12 kann der Druck wieder gesteigert werden, so dass der Arbeitszyklus kontinuierlich wiederholt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt auf diese Weise in effizienter Art eine quasi kontinuierliche Bearbeitung von Portionen eines zu bearbeitenden Fluids und damit eine wirtschaftliche Herstellung des entsprechend behandelten/bearbeiteten Fluids.
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In 6 ist zu erkennen, dass das Ventil 5, d. h. die Welle, sich in einer Position befindet, in der mittels des Kanals 22 der Verbindungskanal 6 mit der Niederdruckleitung 4 verbunden ist. Zudem ist zu erkennen, dass die Kolben 8, 9 direkt aneinander im Bereich der Ebene 10 angrenzen, die auch eine Trennungsebene zwischen der Versorgungseinrichtung 1 und der Arbeitseinrichtung 2 darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Versorgungseinrichtung
- 2
- Arbeitseinrichtung
- 3
- Hochdruckreservoir, erstes Druckreservoir
- 4
- Niederdruckleitung zum zweiten Druckreservoir
- 5
- Schaltventil/Welle/Schaltmittel
- 6
- Verbindungskanal
- 7
- Hochdruckkanal
- 8
- Primärkolben/Arbeitskolben
- 9
- Kammerkolben
- 10
- Stoßebene
- 11
- Fortsetzungskanal
- 12
- Arbeitskammer
- 13
- Zuleitungskanal
- 14
- Ableitungskanal
- 15
- erste Vorratskammer
- 16
- Pumpvorrichtung
- 17
- zweite Vorratskammer
- 18
- Kühleinrichtung
- 19, 20
- Kühlleitungen
- 21
- Wellenantrieb
- 22
- Durchgangsbohrung
- 23, 24
- Kreis
- 25
- Kanal/Nut an der Mantelfläche von 5
- 26
- erste Verschlussvorrichtung, Einlassventil
- 27
- zweite Verschlussvorrichtung, Auslassventil
- 27a
- Klappe
- 27b
- Scharnier
- 27c
- Halter
- 27d
- Feder
- 28
- Vorspannfeder
