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Die Erfindung betrifft eine neuartige Anordnung für einen Inkubator für die automatisierbare Zell- und Gewebekultur, mit einem rotierbaren Träger für mehrere Racks zur Aufnahme von Kulturgefäßen.
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Temperierte Inkubatorschränke zur Aufnahme und Lagerung einer Vielzahl von Kulturplatten oder Kulturgefäßen in der automatisierbaren Zell- und Gewebekultur sind bekannt. Darin werden die einzelnen Kulturgefäße oder Kulturplatten in Halterungen oder Gestellen, sogenannten Racks systematisch gestapelt. Diese Racks sind in einem Karussell in dem Inkubator angeordnet, sodass eine automatisierbare Beschickung und Entnahme, insbesondere an einem Übergabeport am Gehäuse des Inkubators ermöglicht wird. Die rotierbare Anordnung der Racks ermöglicht vereinfacht auch die mechanische Ausgestaltung der Robotik (Handhabungsroboter) für das automatische Handling der Kulturgefäße. Außerdem begünstigt eine anhaltende Rotation während der Inkubation eine gewisse Vergleichmäßigung der Temperierung und Begasung der kultivierten Zellen und Gewebe innerhalb des temperierten Inkubatorgehäuses.
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Nachteilig bei solchen Inkubatoren mit Rackkarussellen ist aber, dass eine in der Zell- und Gewebekulturpraxis regelmäßig erforderliche Reinigung, Dekontaminierung und Sterilisierung der Apparatur durch bekannte Karussellanordnungen erschwert oder teilweise unmöglich ist. Besonders kann gerade im unteren Abschnitt des Inkubators, wo sich in bekannten Inkubatoren die „schwere“ Karussellmechanik erwartungsgemäß befindet, eine Kontamination nicht gut beseitigt werden, wobei gerade am Boden die Kontamination durch sich absetzende Schwebstoffe, auslaufende Kulturgefäße oder Kondenswasser besonders hoch ist. Daneben hat sich herausgestellt, dass solchen Inkubatoren mit Rackkarussellen die Zirkulation der Atemgase zur Begasung der Kulturgefäße häufig unbefriedigend und ungleichmäßig ist, da sich trotz der ständigen Rotation der Racks in der Inkubatorkammer Totzonen ausbilden, die schlechter ventiliert sind. An schlecht ventilierten Zonen kommt es außerdem zu Wärmestauphänomenen oder einer lokal niedrigeren oder höheren Luftfeuchtigkeit, sodass auch eine gleichmäßige Temperierung aller Kulturgefäße nicht gewährleistet ist.
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Vor diesem Hintergrund bestand das technische Problem, das der vorliegenden Erfindung zugrunde lag, darin, die Nachteile solcher Inkubatoren zu überwinden und insbesondere mit technisch einfachen und robusten Mitteln sowohl die Gas- und Luftzirkulation in der Inkubatorkammer zu verbessern und besonders auch eine vollständige Dekontaminierung und Sterilisierung der Inkubatorkammer zu verbessern oder eine Wischreinigung überhaupt erst zu ermöglichen.
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Das technische Problem wird gelöst durch die Anordnung für einen Inkubator für die Zell- und Gewebekultur gemäß Anspruch 1, wobei die Anordnung zur Aufnahme einer Vielzahl von Racks für Kulturgefäßen, besonders Zellkulturplatten wie Multiwellplatten, geeignet und ausgebildet ist. Dabei sind die Racks in einem um die vertikale Längsachse des Inkubators rotierbaren Rack-Träger in Form eines mittigen Trägertellers vertikal angeordnet, und zwar in zumindest zwei übereinander liegenden Stockwerken. Erfindungsgemäß ist der Rack-Träger bevorzugt ausschließlich zwischen diesen Stockwerken angeordnet, wobei die Racks des unteren Stockwerks an diesem mittigen Trägerteller frei hängend arretierbar sind. Die Racks des oberen Stockwerks sind auf diesem mittigen Trägerteller frei stehend arretierbar. So wird das neuartige Rackkarussell gebildet.
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Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass der Träger der Racks zwischen den beiden Stockwerken, das heißt somit also etwa in der Mitte der Inkubatorkammer angeordnet ist. Dabei ist erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen, dass dieser mittige Trägerteller der einzige Rack-Träger der Anordnung ist und folglich der Inkubator nur diesen einen mittigen Trägerteller zur Aufnahme der oberen und der unteren Racks besitzt. Es sind dabei also keine weiteren Träger, insbesondere nicht am Boden des Inkubators und/oder an der Decke des Inkubators vorgesehen. Da sich erfindungsgemäß so zumindest die unteren Racks von dem mittigen Trägerteller zum Boden der Inkubatorkammer hin frei von Einbauten und Hindernissen, besonders weiteren Halterungen erstrecken können, ist der Boden des Inkubators vorteilhafterweise frei zugänglich. Dies erlaubt zum einen eine deutliche Verbesserung der Reinigbarkeit des Inkubators. Zum anderen wird durch die freie Aufhängung insbesondere der unteren Racks die Gaszirkulation und Wärmekonvektion an den Racks in der Inkubatorkammer signifikant verbessert.
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Besonders ist auch vorgesehen, die oberen Racks frei auf die Oberseite dieses mittigen Trägers zu stellen, sodass auch zur Decke des Inkubators hin der Raum frei von Einbauten oder Hindernissen, besonders weiteren Halterungen bleibt, was die Reinigung auch des oberen Bereichs der Inkubatorkammer erleichtert und insgesamt die Zirkulation und Wärmekonvektion im gesamten Inkubatorraum signifikant verbessert.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist dieser, insbesondere einzige, mittige Trägerteller als Vollkreisscheibe ausgebildet und insbesondere über eine vertikale zentrale Achswelle rotierbar gelagert. In einer alternativen und bevorzugten Ausgestaltung ist der Trägerteller als Vollkreisring ausgebildet und, um seinen Mittelpunkt, einer zentralen vertikalen Achse, rotierend gelagert. Dies erfolgt über zumindest einen bevorzugt von radial außen, das heißt von der Gehäusewand des Inkubators feststehenden Lagerarm, der in diesen Ring hereinragt. In einer ersten Variante davon ist der kreisringförmige Trägerteller an dem mindestens einen Lagerarm über ein zentrales Ringlager gelagert. In einer anderen bevorzugten Variante sind zumindest drei vom äußeren Umfang des Kreisrings radial nach zentral verlaufende feststehende Lagerarme vorgesehen, worauf der ringförmige Trägerteller mit einer Lagerfläche oder -schiene aufliegt oder woran er hängt. Dabei ist der Kreisring an den Kontaktstellen zu den Lagerarmen insbesondere über Gleit- oder Rollenlagern gelagert. Alternativ oder zusätzlich sind Kugel-, Magnet und/oder Luftlager vorgesehen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht bei den rollenden oder gleitenden Lagern, wobei insbesondere der ringförmige Trägerteller mit einer Lagerfläche oder -schiene auf den Gegenlagern der Lagerarme aufliegt, eine mechanische Strukturierung der Roll- oder Gleitfläche an zumindest einem, bevorzugt dem oberen Trägerring des Trägertellers vor, nämlich eine, insbesondere sinusoidale, Höhenprofilierung in Form einer Nockenbahn. Bei Rotation rollt oder gleitet der Trägerteller an den Lagerarmen auf dieser höhenprofilierten Nockenbahn und vollzieht dabei wiederkehrende, periodische Höhenbewegungen in axialer Richtung der Rotation. Deren Amplitude ist primär von dem Ausmaß der Höhenprofilierung, deren Frequenz primär von der Rotationsgeschwindigkeit und der Zahl der Perioden der Nockenprofile der Gleit- oder Rollbahn an dem Trägerteller abhängig. Die Höhenbewegung kann, je nach Anordnung der Lagerpunkte und geometrischer Ausführung der Höhenprofilierung, als im Wesentlichen reine axiale Hubbewegung ausgeführt sein, bevorzugt aber als Taumelbewegung, die sich ergibt, wenn phasengleiche Profilpunkte einer insbesondere sinusoidalen Nockenbahn jeweils phasenversschoben, bevorzugt im Wesentlichen gegenphasig, an den jeweiligen Lagerpunkten der Lagerarme, die auf der Nockenbahn gleiten oder rollen, auflaufen. Eine verschiebliche Position mindestens eines Lagerpunktes erlaubt in einer besonderen Ausgestaltung den Wechsel zwischen reiner Höhenbewegung und Taumelbewegung des Trägertellers. So kann vorteilhaft und automatisch bei der Rotation eine Vibrationsbewegung des Trägertellers erzielt werden, welche sich auf die daran fixierten Racks und auf darin gelagerte Kulturgefäße übertragen kann. Eine solche Bewegung ist insbesondere bei Suspensionskulturen von Vorteil. Eine aktive Dämpfung ist bevorzugt vorgesehen, die ein resonanzbedingtes Aufschaukeln der rotierenden Anordnung, beispielsweise bei kritischen Beladungszuständen oder Rotationsgeschwindigkeiten verhindert. Diese ist bevorzugt durch Dämpfungselemente an den Lagerpunkten der Lagerarme realisiert.
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Eine zum Zwecke der mechanischen Bewegung der Kulturgefäße in den Racks zu dieser höhenprofilierten „Berg- und Talbahn“ alternative oder zusätzliche Ausgestaltung sieht vor, dass die Gegenlager in den Lagerarmen, worauf die Lagerflächen des Trägertellers gleiten oder rollen, in den Lagerarmen selbst, insbesondere periodisch, höhenverschoben werden. In einer Variante davon sind in die Lagerarme rotierende exzentrische Nocken eingesetzt, welche die Lagerpunkte wie Stößel periodisch in der Auflagehöhe verändern. Eine alternative Variante ist die Höhenverschiebung der Lagerpunkte in den Lagerarmen durch pneumatische Aktoren oder hydraulische Aktoren. Letztere erlauben insbesondere auch aperiodische Bewegungen, vor allem eine gesteuerte und insbesondere amplitudenund/oder frequenzgeregelte Vibration, die sich an der aktuellen Beladung der Racks an dem Trägerteller und damit an dem zum bewegenden Masse-Feder-System orientiert.
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Die Ausgestaltung des Trägertellers in Form eines Kreisrings ermöglicht einen zentralen vertikalen Kamin, der die Gaszirkulation und den Wärmetransport wesentlich verbessert. Das Gasmedium wird in dem zentralen Kamin zwangsgeführt. Vorteilhaft ist dabei besonders, dass am Boden des Inkubatorraums keine Einbauten vorhanden sein brauchen, die dem Entstehen dieser Kaminwirkung entgegenwirken, da die unteren Racks allein an dem mittigen Tellerring hängen und nach unten hin frei bleiben können.
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Zum Antrieb des Trägers, das heißt zu dessen aktiver Rotation, ist in einer ersten Variante an dem äußeren Umfang des scheiben- oder ringförmigen Trägertellers, besonders an dem inneren oder an dem äußeren Rand des Kreisrings, ein Zahnkranz ausgebildet, der mit mindestens einem Stirnrad, welches wiederrum motorisch antreibbar ist, in Eingriff steht. Der motorische Antrieb des oder der Stirnräder erfolgt bevorzugt von außerhalb der Inkubatorkammer, wobei die vertikale oder horizontale Stirnradwelle durch die Inkubatorgehäusewand durchtritt. Dies erleichtert zusätzlich die Reinigung und verbessert die Betriebssicherheit des Inkubators.
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Alternativ ist der Trägerteller über Reibrad, Riemen oder Kette angetrieben. Alternativ ist auch ein Linearmotorantrieb.
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In einer alternativen Variante des Antriebs sind der Trägerteller sowie die Lagerarme an den Lagerflächen mit elektromechanischen Wirkelementen zur Ausbildung eines Linearmotorantriebs ausgestattet. Diese umfassen in einer bevorzugten Ausgestaltung sektorierte Permanentmagnete auf Seiten des rotierenden Trägertellers und, insbesondere gas- und flüssigkeitsdicht vergossene Elektromagnetspulen auf Seiten der feststehenden Lagerarme. Durch entsprechende elektrische Ansteuerung der Magnetspulen ist eine kontaktlose und insbesondere wartungsfreie elektromotorische Rotation des Trägertellers möglich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des mittigen Trägertellers ist dieser als Doppelscheibe, insbesondere als Doppelring mit zwei übereinander liegenden zueinander beabstandeten Kreisringen ausgebildet. Diese stehen insbesondere im Bereich des inneren Umfangs der Kreisringe über Koppelelemente miteinander mechanisch fest in Verbindung und bilden so zusammen den rotierbaren Trägerteller. Im Bereich des mittleren bis äußeren Umfangs der beiden Kreisringe greift zwischen diese von radial der mindestens eine feststehende Lagerarm ein, sodass zwei kreisringförmige Tellerflächen, jeweils oberhalb und unterhalb dieses Lagerarms gebildet werden. Die Tellerflächen des Trägertellers weisen jeweils Arretierelemente auf, die mit einem Rack in bevorzugt formschlüssigen Eingriff gebracht werden können. In die untere Tellerfläche des mittigen Trägertellers können die unteren Racks eingehängt werden; in die obere Tellerfläche oberen Kreisring des mittigen Trägertellers können die oberen Racks eingesetzt werden.
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Diese besondere Konstruktion vermeidet weitere komplexe Einbauten und reduziert den Rackkarussellaufbau als solchen auf ein Minimum.
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Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, die beiden gekoppelten Trägertellerflächen unabhängig voneinander drehbar zu gestalten. Dies könnte ein einfaches und schnelles Umlagern oder Auslagern der in den anhängenden Racks gelagerten Kulturgefäße oder Kulturplatten erleichtern: Beim Umlagern von dem oberen Teller auf den unteren können mit den beiden getrennt drehbaren Tellerringen des Trägertellers günstige Positionen übereinander gebracht werden, sodass nach Aufnahme der Platte aus einem oberen Rack ein Roboterarm nur eine Z-Bewegung durchführen muss, um diese Platte in ein – zum Bespiel durch unabhängiges Drehen des unteren Tellers – unmittelbar darunter positioniertes unteres Rack zu befördern. Entsprechend können beim Auslagern oder Beschicken obere und untere Racks unabhängig voneinander so positioniert werden, dass der Roboterarm allein durch Ausführen einer Z-Bewegung die gewünschten Zellkulturgefäße oder Platten an den Übergabeport transportieren kann. Spezifisch ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass der gesamte Trägerteller auf Lagerarmen aufliegt oder an diesen hängt und damit wie hierin beschrieben drehbar ist, aber die Kopplung zwischen oberer und unterer Trägerfläche nicht starr, sondern selbst, beispielsweise durch ein Ringlager, ausgestaltet ist, sodass innerhalb des an sich gelagerten Trägertellers die beiden oberen und unteren Trägerflächen gegeneinander verdrehbar sind. In einer alternativen Ausgestaltung sind obere und untere Trägerfläche des Trägertellers jeweils separat an dem mindestens einen gemeinsamen Lagerarm drehbar gelagert.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch der Inkubator selbst, welcher die hierin beschriebene erfindungsgemäße Anordnung eines Rackkarussells enthält. Eine bevorzugte spezifische Ausführung dieses Inkubators sieht vor, dass die innere Wand der Inkubatorkammer über den gesamten Umfang des kreis- oder kreisringförmigen Trägers im Querschnitt möglichst eng anliegt, um möglichst wenig Totraum zwischen Rackkarussell und Gehäusewand im Inkubatorraum zu erzeugen. Die Vermeidung von Toträumen im Inkubatorraum im Bereich des Umfangs des Rackkarussells verbessert die Zirkulation von Gas sowie die Wärmezirkulation innerhalb der Racks. Ein strömungstechnischer „Nebenschluss“ durch einen Pfad, welcher zwischen dem äußeren Umfang des Rackkarussells und der inneren Wand des Inkubatorraums gebildet werden würde, wird minimiert. Gleichzeitig erlaubt die bevorzugte ringförmige Gestaltung des mittigen Trägers der Anordnung einen zentralen „Kamin“ zur effizienten Strömungsleitung, das heißt zur Zirkulation und Gasaustausch. Im bestückten Zustand der Anordnung wird ein Rackkarussell gebildet, welches eine im Wesentlichen zylindrische Außenform hat. Folglich ist bevorzugt, die innere Wand des Inkubatorraums an die zylindrische Form des Rackkarussells anzunähern. In einer ersten Variante weist daher das Inkubatorgehäuse einen kreisrunden Querschnitt auf. Um eine mechanische Ankopplung und Trägerung von Anbauteilen, beispielsweise Roboterarmen und Übergabeschächten in oder an dem Inkubatorgehäuse zu ermöglichen und insbesondere mechanische Schnittstellen zu benachbarten Apparaten einer automatischen Handhabungskette zu schaffen, ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eine plane Fase an dem ansonsten zylindrischen Inkubatorgehäuse ausgebildet ist. In einer Variante dieser Ausgestaltung ist zumindest der hintere und seitliche Abschnitt des Inkubatorgehäuses im Querschnitt als Vieleck, insbesondere als halben Achteck, und der vordere Abschnitt des Inkubatorgehäuses im Querschnitt als Halbkreis oder als im Querschnitt als Vieleck für eine Türe ausgebildet.
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Die Erfindung wird durch die Figuren spezifischer Ausführungsbeispiele und deren nachfolgender Beschreibung näher erläutert, ohne dass diese beschränkend zu verstehen wären.
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1 zeigt eine schematische Detaildarstellung einer spezifischen Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Rackkarussells für einen Inkubator. Ein kreisringförmiger Trägerteller 10 weist einen oberen Tellerring 14 und einen unteren Tellerring 12 auf, welche über Brückenelemente 18 im Bereich des inneren Umfangs der Ringe 12, 14 miteinander verkoppelt sind. Zwischen die Ringe greifen drei Lagerarme 30. In der dargestellten Ausführung liegt der Trägerteller 10 über eine Lagerfläche an dem oberen Tellering 14 auf jeweiligen Gegenlagern der Lagerarme 30 auf, wird dort geführt und ist damit dort um seinen Mittelpunkt rotierend gelagert. Zum Antrieb des Trägertellers 10 ist an dem oberen Tellerring 14 ein umlaufender Zahnkranz 42 ausgebildet, worin ein angetriebenes Stirnrad (nicht gezeigt) eingreift. An Arretierelementen 16 jeweils des oberen Rings 14 und des unteren Rings 12 sind obere Racks 24 beziehungsweise untere Racks 22 eingerastet beziehungsweise eingehängt. Bevorzugt sind die Racks 22, 24 so orientiert, dass sie jeweils über einen bevorzugt innerhalb des ringförmigen Trägertellers 10 platzierbaren Roboter mit Kulturgefäßen beziehungsweise Zellkulturplatten beschickt werden können.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Inkubators mit der erfindungsgemäßen Anordnung. Der Inkubator 50 besitzt eine Bodenplatte 52 und eine mehrteilige Inkubatorwand 53, 54, 55. Die Inkubatorwand ist in dieser Ausführung eines hinteren Abschnitts 53 mit achteckförmigem Querschnitt und einem vorderen Abschnitt 54 mit halbkreisförmigem Querschnitt und schwenkbare Tür 55 gegliedert. Im Inneren des Inkubators 50 befindet sich die erfindungsgemäße Anordnung mit mittigem kreisringförmigen Träger 10 und erfindungsgemäß daran hängenden unteren Racks 22 sowie mit zusätzlich darauf stehenden oberen Racks 24. Die unteren Racks 22 sind an dem einzigen Träger 10 eingehängt; der Boden 52 des Inkubators 50 bleibt frei von Einbauten. An der Rückseite 53 ist ein Übergabeport ausgebildet, worin im laufenden Betrieb die Kulturgefäße beziehungsweise Zellkulturplatten über eine zentrale Robotik, welche innerhalb des kreisringförmigen Trägertellers 10 oder außerhalb der Inkubatorkammer angeordnet ist, aus den Racks 22, 24 entnommen und zugeführt werden können.
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3 zeigt eine weitere Ansicht des Inkubators 50 nach 2, wobei zur besseren Darstellung die Racks 22, 24 herausgenommen sind. Der mittige Trägerteller 10 wird über eine Achswelle 41 angetrieben. Die Antriebseinheit befindet sich im oberen Abschnitt 56 des Inkubators 50. Der Trägerteller 10 liegt auf Lagerarmen 30 auf, welche mit der Inkubatorwand 53, 54 verbunden sind. Die Türe 55 ist schwenkbar mit dem Gehäusewandabschnitt 54 verbunden. An der Rückseite 53 befindet sich ein Übergabeport 58, über welcher eine zentrale Robotik 60 mit Greiferarm die Kulturgefäße aus den Racks aus dem Inneren des Inkubators 50 übergeben kann.
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4 zeigt eine kombinierte Schnittansicht eines zylindrischen Inkubators 50, geschnitten in der Höhe des mittigen Trägertellers 10. Der ringförmige Trägerteller 10 ist auf drei feststehenden Lagerarmen 30, welche mit der Gehäusewand 53 fest verbunden sind, gleitend gelagert. Die Lagerarme 30 ragen zwischen die oberen und unteren Tellerringe 14 und 12 des Trägers 10. An den Tellerringen 14, 12 sind jeweils Arretierelemente 16 zur jeweiligen Arretierung der Racks 22, 24 ausgebildet. In Zeichnungsabschnitt A ist eine schematische Durchsicht dargestellt: An dem Lagerarm 30 ist ein Gegenlager 36 ausgebildet, auf welchem die Lagerfläche 34 des oberen Tellerrings 14 gleitet. Die Lagerfläche 34 ist hier eine flache Gleitbahn. In einer Variante davon besitzt diese Gleitbahn ein Höhenprofil, so dass in Zusammenwirken mit den Gegenlagern 36 der Lagerarme 30 eine selbsttätige Höhenschwingung bei der Rotation des Trägertellers 10 bewirkt wird, die sich auf die Kulturgefäße in den Racks 22, 24 überträgt.
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5A und 5B zeigen schematische Ansichten der Anordnung gemäß 4: 5A zeigt eine schematische Draufsicht auf den Querschnitt durch den Inkubator 50. Es wird auf die Beschreibung zu 4 verwiesen. An dem oberen Tellerring 14 ist an dessen äußerem Umfang ein Zahnkranz 42 ausgebildet, worin ein Stirnrad 44, welches in der vorliegenden Ausführung in einem der Lagerarme 30 gelagert ist, in Eingriff steht und von diesem angetrieben wird. 5B zeigt eine schematische Frontalansicht des rotierbaren Trägertellers 10 gemäß 5A und Abschnitte der feststehenden Lagerarme 30, welche mit der Inkubatorwand 53 verbunden sind.
