DE19852733A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Temperierung eines Flüssigkeitsbades - Google Patents

Abstract

Zur Temperierung eines Flüssigkeitsbades in einem Reaktionsbehälter (10) mit einem Medium, dessen Temperatur mit einem Heizkreislauf (20) und einem Kühlkreislauf (30) einstellbar ist, die jeweils Heiz- oder Kühleinrichtungen (23, 33a, 33b) aufweisen, durchfließt das Medium den Reaktionsbehälter (10) von einem Vorlauf (14) zu einem Rücklauf (15) und vom Rücklauf (15) in Abhängigkeit von der Betätigung von Sperreinrichtungen (22, 35, 36) durch den Heiz- und/oder Kühlkreislauf (20, 30) zum Vorlauf (14), wobei die Heiz- oder Kühleinrichtungen (23, 33a, 33b) und die Sperreinrichtungen (22, 35, 36) so betätigt werden, daß das Medium im Reaktionsbehälter eine vorbestimmte Solltemperatur besitzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperierung eines Flüssigkeitsbades, insbesondere zur Temperierung einer Viel­ zahl von Proben innerhalb eines Reaktionsbehälters, und Vor­ richtungen zur Implementierung eines derartigen Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, mit Temperierungsvorrichtungen in Form von steuerbaren Thermostaten die Temperatur von Proben oder Materialien einzustellen oder entsprechend einem bestimm­ ten Zeitmuster zu regeln oder in einem Probenraum bestimmte thermische Reaktionsbedingungen einzustellen. Ein Thermostat umfaßt in der Regel ein Wasserbad, das mit einer Heiz- und einer Kühleinrichtung in thermischem Kontakt steht und einen Temperaturfühler aufweist. Je nach der Abweichung des mit dem Temperaturfühler gemessenen Temperaturwertes von einem Soll­ wert werden die Heiz- oder Kühleinrichtungen zum Erwärmen oder Abkühlen des Wasserbades betätigt. Der konkrete Aufbau eines Thermostaten hängt von der gewünschten Abwendung ab. In jüng­ ster Zeit sind in der Medizin, Biochemie und Gentechnik neue Anforderungen an die Temperierung von Proben oder dgl. in Be­ zug auf die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Reproduzierbar­ keit der Temperatureinstellung entstanden, die mit herkömmli­ chen Thermostaten nicht mehr erfüllt werden können.

Beispiele für biochemische Reaktionen, deren Ablauf die Ein­ stellung von definierten Temperaturen entsprechen einem be­ stimmten Zeitmuster erfordert, sind die Polymerase- oder Liga­ se-Kettenreaktion (PCR- oder LCR-Prozesse) zur Vervielfälti­ gung einer Nukleinsäuresequenz unter Verwendung bestimmter thermostabiler Enzyme. Diese PCR-Prozesse erfordern insbeson­ dere die zyklische Einstellung bestimmter Probentemperaturen für bestimmte Reaktions- oder Temperierungszeiten.

Gemäß einer bekannten Technik besitzt eine Temperierungsvor­ richtung einen Aufbau mit einem Reaktionsbehälter, einem Heiz­ stab, einer Kühlschlange und einer Vielzahl von Temperaturfüh­ lern, wie er beispielsweise aus WO 90/05329 bekannt ist. Mit diesem temperierbaren Reaktionsbehälter wird zwar durch ein programmierbares Steuersystem ein schnelles Heizen und Kühlen und die zyklische Einstellung eines Temperaturprofils ermög­ licht. Die grundsätzlichen Nachteile herkömmlicher Thermosta­ ten werden damit jedoch nicht überwunden. Diese Nachteile äu­ ßern sich insbesondere darin, daß bei einem großen Volumen (rd. 1 bis 2 l) des Reaktionsbehälters die Temperatureinstel­ lung für zahlreiche biochemische Anwendungen zu langsam und zu ungenau erfolgt und mit der Einstellung eines Temperaturgra­ dienten (inhomogene Temperierung) verbunden ist. Ferner zeich­ nen sich die Reaktionsbehälter durch einen hohen Wasserver­ brauch aus. Wird hingegen zur Erzielung geringerer Einstell­ zeiten das Volumen verkleinert, so wird der Reaktionsbehälter und damit der Probendurchsatz für praktische Anwendungen zu klein. Weitere Nachteile herkömmlicher Temperierungsvorrich­ tungen bestehen in einem hohen Energieverbrauch, einer gerin­ gen Flexibilität und einer unbefriedigenden Reproduzierbarkeit der Temperaturübergänge (Rampenform zwischen zwei Reaktions­ temperaturen, Überschwingen bei der Temperatureinstellung).

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Temperierung eines Flüssigkeitsbades anzugeben, mit dem die Nachteile der herkömmlichen Verfahrensweisen überwunden werden und das einen erweiterten Anwendungsbereich besitzt. Das neue Verfahren soll insbesondere eine schnelle, genaue, reproduzierbare und energiesparende Temperatureinstellung er­ möglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es ferner, verbesser­ te Vorrichtungen zur Implementierung eines derartigen Verfah­ rens anzugeben, mit der die Temperatureinstellung verbessert und/oder der Probendurchsatz erhöht werden kann.

Die genannten Aufgaben werden mit Verfahren bzw. Vorrichtungen mit Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 9 oder 18 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Gemäß einem ersten wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird insbesondere ein Temperierungsverfahren geschaffen, bei dem das energietransportierende Medium direkt mit zwei Medien­ kreisläufen verbunden ist, die zur Einstellung verschiedener Temperaturen eingerichtet sind und beispielsweise einen Heiz- und einen Kühlkreislauf darstellen, wobei die Temperatur in einem Reaktionsbehälter oder einem Bad oder an einem Probenort durch wahlweise betätigbare Sperreinrichtungen und Heiz- oder Kühleinrichtungen in den Medienkreisläufen eingestellt wird. Ein Reaktionsbehälter ist eine mit dem Medium temperierbare Anordnung, die zur Aufnahme mindestens einer Probe eingerich­ tet ist. Mit den Sperreinrichtungen und Heiz- oder Kühlein­ richtungen kann das Medium am Probenort als genau dosierbare Mischung bestimmter Medienmengen mit bestimmten Temperaturen aus den Kreisläufen eingestellt werden.

Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung wird eine neuartige Regelung für ein Temperierungsverfahren angegeben. Die Regelung ist darauf gerichtet, ein Medium, des­ sen Temperatur mit einem Heiz- und einem Kühlkreislauf ein­ stellbar ist, auf eine bestimmte Solltemperatur einzustellen. Hierzu sind insgesamt vier Regler vorgesehen, die in Abhängig­ keit von der Abweichung der Probentemperatur von der Solltem­ peratur betätigt werden. Sie umfassen einen Hauptregler, der zur Betätigung des Heiz- oder des Kühlkreislaufes eingerichtet ist, einen Kühlregler, der zur Reduzierung der Probentempera­ tur während der Regelung eingerichtet ist, einen Heizregler, der zur Erhöhung der Probentemperatur während der Regelung eingerichtet ist, und einen Pumpenregler, mit dem die einen Reaktionsbehälter oder ein Bad oder einen Probenort durchset­ zende Medienmenge eingestellt wird.

Eine erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung besteht ent­ sprechend dem obengenannten Prinzip der Dosierung des energie­ transportierenden Mediums aus einstellbaren Anteilen aus Medienkreisläufen verschiedener Temperatur insbesondere aus einem Reaktionsbehälter mit einem Vorlauf und einem Rücklauf als Teil eines der beiden Medienkreisläufe mit Sperreinrich­ tungen und einer Heiz- oder Kühleinrichtung, wobei der Vorlauf und der Rücklauf jeweils über weitere Sperreinrichtungen mit dem zweiten Medienkreislauf in Verbindung stehen. Vorzugsweise ist der erste Medienkreislauf ein Heizkreislauf, der also vom Vorlauf über den Reaktionsbehälter, den Rücklauf, eine Pump­ einrichtung, eine Sperreinrichtung und eine Heizeinrichtung wieder zum Vorlauf führt. Der zweite Medienkreislauf ist dann ein Kühlkreislauf, der in sich eine Pumpeinrichtung und eine Kühleinrichtung enthält und über Sperreinrichtungen mit dem Vor- bzw. Rücklauf verbunden werden kann. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Vielmehr ist auch eine Gestaltung möglich, bei der der erste Medienkreis­ lauf der Kühlkreislauf und der zweite Medienkreislauf der Heizkreislauf ist.

Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung betrifft den Reaktionsbehälter an sich. Der Reaktionsbehälter umfaßt eine Wanne und einen Wärmetauscher und ist zum Anschluß an ei­ nen zirkulierenden Medienumlauf (z. B. an die obengenannten Me­ dienkreisläufe) mit einem Vorlauf und einem Rücklauf versehen und im Inneren für einen Medienumlauf mit Umkehr der Strö­ mungsrichtung eingerichtet. Das Medium wird vom Vorlauf zum Rücklauf zunächst in einer ersten Richtung an den Proben vor­ beigeleitet, dann in einem Umlenkbereich umgelenkt und schließlich in umgekehrter Richtung wieder an den Proben vor­ beigeleitet. Dadurch wird das Medium, das mit einer bestimmten Abweichung von der Solltemperatur am Vorlauf eintritt und nach thermischem Kontakt mit den Proben mit einer entgegengesetzten Abweichung am Rücklauf austritt, im Mittel auf die Proben eine im wesentlichen ausgeglichene und homogene Temperierungswir­ kung ausüben. Ist beispielsweise die Probentemperatur zu niedrig, so wird Medium mit erhöhter Temperatur zugeführt. Die Proben in der Nähe des Vorlaufs werden stärker erwärmt als die Proben mit Abstand vom Vorlauf (z. B. am Umlenkbereich), wobei jedoch beim Rückfließen zum Rücklauf die Proben mit Abstand vom Vorlauf wegen der dann noch höheren Medientemperatur stär­ ker erwärmt werden, als die Proben am Vorlauf. Damit wird die ausgleichende Wirkung des erfindungsgemäßen Strömungsprinzips erzielt.

Eine Temperierungsvorrichtung zur Implementierung einer derar­ tigen Strömungsführung ist vorzugsweise als Düsenstockwärme­ tauscher in einem Reaktionsbehälter ausgeführt, dessen Lei­ tungssystem simultan zur Führung des Mediums und zur Proben­ halterung dient.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Es wird erstma­ lig ein Reaktionsbehälter mit einem deutlich erhöhten Volumen (bis zu 8 l) geschaffen, der eine Temperierung von Proben ent­ sprechend den in der Biochemie, Medizin und Gentechnik ge­ stellten Anforderungen in Bezug auf die Genauigkeit, Reprodu­ zierbarkeit und Geschwindigkeit der Temperatureinstellung er­ füllt. Es wird eine hohe Energiewirtschaftlichkeit (Vermeidung gerätebedingter Vorlaufzeiten), Flexibilität und Geschwindig­ keit beim Anfahren von bestimmten Temperaturhaltepunkten er­ reicht. Durch die Geschwindigkeit der Temperatureinstellung erfolgt die Probentemperierung besonders schonend, da die Zeit, während derer die Probe nahe der gewünschten Reaktions­ temperatur ist und ggf. bereits erste Reaktionen unreprodu­ zierbar oder unerwünscht ablaufen, verkürzt wird. Beim Abfah­ ren bestimmter zeitlicher Temperaturprofile können die Proben im Reaktionsbehälter bleiben. Überschwingerscheinungen bei der Temperatureinstellung werden vermieden. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Anwendungen beschränkt. Es ist eine Anpas­ sung verschiedener Probenarten oder eine Anwendung in anderen technischen Gebieten (z. B. Werkstoffprüfung, bei denen es z. B. auf schnelle Temperaturänderungen ankommt, möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einfach bedient und gewartet werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer erfindungsgemäßen Temperierungsvorrichtung,

Fig. 2 eine Blockdarstellung zur Illustration der erfin­ dungsgemäßen Regelung,

Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Illustration eines Temperie­ rungsvorganges,

Fig. 4 eine Kurvendarstellung zur Illustration der Temperatureinstellung bei einem Temperierungsvorgang gemäß Fig. 3, und

Fig. 5 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Düsenstockwärmetauschers.

Eine erfindungsgemäße Temperierungsvorrichtung besteht gemäß Fig. 1 aus einem Reaktionsbehälter 10, der Teil eines Heiz­ kreislaufes 20 ist und in Verbindung mit einem Kühlkreislauf 30 steht. Der Reaktionsbehälter 10 umfaßt eine Wanne 11, in der ein Wärmetauscher 12 (Einzelheiten s. Fig. 5) mit Proben­ aufnahmen 13 angeordnet und die mit einer Füllstandsmeßein­ richtung 19 verbunden ist. Der einlaßseitige Anschluß des Wär­ metauschers 12 und der auslaßseitige Anschluß der Wanne 11 bilden den Vorlauf 14 bzw. den Rücklauf 15 des Reaktionsbehäl­ ters 10. Am Reaktionsbehälter 10 sind mehrere Temperaturfühler vorgesehen. Diese umfassen den Vorlauffühler 16, den Proben­ fühler 17 und den Rücklauffühler 18. Die Fühler (oder: Senso­ ren) sind z. B. Widerstands-Temperaturfühler (z. B. PT 100), können aber auch Thermoelemente sein oder auf anderen Meßprin­ zipien basieren. Die Vor- und Rücklauffühler erfassen die Medientemperatur jeweils im Vor- oder Rücklauf mit einem Ab­ stand von rd. 3 bis 5 cm vom Reaktionsbehälter 10. Die Erfin­ dung ist nicht auf die hier beschriebene Form des Reaktionsbe­ hälters 10 mit eingesetztem Wärmetauscher 12 beschränkt, son­ dern kann auch mit anders gestalteten Reaktionsbehältern, z. B. in Form einer Durchflußwanne oder eines geschlossenen Wärme­ tauschers, bei dem die Proben nicht mit dem energieübertragen­ den Medium in Kontakt kommen, realisiert werden.

Der Heizkreislauf 20 (Umlauf in Pfeilrichtung) umfaßt den Reaktionsbehälter 10, eine dynamische Pumpe 21, eine Sperrein­ richtung, die durch ein erstes Magnetventil 22 (MV 2) gebildet wird, und eine Heizeinrichtung in Form eines Durchlauferhit­ zers 23 mit einem Heiztemperaturbegrenzer 24. Die dynamische Pumpe 21 ist eine Zirkulationspumpe, die zur stufenlosen Dreh­ zahleinstellung, z. B. im Bereich von 0 bis 3000 U/min. einge­ richtet ist. Zum Betrieb der dynamischen Pumpe 21, des Durch­ lauferhitzers 23 und des ersten Magnetventils 22 sind jeweils ein Pumpenregler 54, ein Heizregler 55 und ein Kühlregler 56 (Freigabe des ersten Magnetventils 22) vorgesehen, deren Funk­ tionen unter Bezug auf Fig. 2 erläutert wird.

Der Kühlkreislauf 30 besitzt simultan die Funktion einer Küh­ lung und eines Pufferreservoirs und umfaßt eine statische Pum­ pe 31, die zur dauerhaften Zirkulation des Mediums im Kühl­ kreislauf 30 eingerichtet ist, einen Filter 32 (Partikelfil­ ter), mindestens einen Pufferspeicher 37 und zwei Kältemaschi­ nen 33a, 33b, die als Kühleinrichtungen wirken. Der Kühlkreis­ lauf 30 weist ferner zwischen der statischen Pumpe 31 und der ersten Kühleinrichtung 33a einen Verzweigungspunkt auf, von dem über ein zweites Magnetventil 35 (MV 1) eine Verbindung mit einem Verzweigungspunkt zwischen dem Durchlauferhitzer 23 und dem Vorlauf 14 im Heizkreislauf besteht. Außerdem ist zwi­ schen der zweiten Kühleinrichtung 33b und der statischen Pumpe 31 im Kühlkreislauf 30 ein weiterer Verzweigungspunkt vorgese­ hen, von dem eine Verbindung über ein drittes Magnetventil 36 (MV 2) mit dem Heizkreislauf 20 an einem Verzweigungspunkt zwischen der dynamischen Pumpe 21 und dem ersten Magnetventil 22 besteht.

Die Kühleinrichtungen 33a, 33b (Kältemaschinen) sind jeweils mit einem Thermostaten 34a, 34b ausgestattet. Die Thermostaten 34a, 34b erfassen mit Fühlern im umlaufenden Medium dessen Temperatur und betätigen die Kühleinrichtungen 33a, 33b zur Einstellung einer vorbestimmten, festen Temperatur.

Das gesamte in Fig. 1 gezeigte System ist mit einem energie­ transportierenden Medium gefüllt. Dieses Medium ist vorzugs­ weise Wasser, kann aber auch anwendungsabhängig durch eine ge­ eignete Salzlösung (Verringerung von Kalkniederschlägen, Ver­ besserung der Wärmeleitung) oder durch ein Leichtöl oder ein Transformatoröl gebildet werden. Die Systembefüllung erfolgt z. B. durch eine externe Befüllung der Wanne 11 bei geöffnetem dritten Magnetventil 36, laufenden Pumpen 21, 31 und geschlos­ senen ersten und zweiten Magnetventilen 22, 35, bis am Entlüf­ tungsstutzen der Pufferspeicher 37 Wasser austritt;
oder über einen gesonderten Speiseanschluß (nicht dargestellt).

Die Leistungsparameter der Heiz- und Kühlkreisläufe, zu denen insbesondere die Volumina des umlaufenden Mediums und die Heiz- bzw. Kühlleistungen der Heiz- oder Kühleinrichtungen zählen, werden anwendungsabhängig gewählt. Für die unten er­ läuterte Anwendung beim PCR-Prozeß mit einer 7.5 l-Wanne 11 können beispielsweise der Heizkreislauf 20 für rd. 4.5 l Warm­ wasser mit einer Heizleistung mit rd. 12 kW und der Kühlkreis­ lauf 30 für rd. 60 l Kühlwasser (im wesentlichen Speicher- oder Puffervolumen des Pufferspeichers 37) mit einer Kühllei­ stung von 2.1 kW Kühlleistung vorgesehen sein. Abweichend von der Darstellung gemäß Fig. 1 können die Kühleinrichtungen 33a, 33b auch durch eine einzelne Kühleinrichtung mit entspre­ chend höherer Kühlleistung ersetzt werden, was jedoch gegebe­ nenfalls in Bezug auf den Energieverbrauch und die Betriebssi­ cherheit nachteilig sein kann.

Fig. 1 zeigt ferner einen zusätzlichen Ventilationskühler 40, der zur unmittelbaren Kühlung des Durchlauferhitzers 23 durch Aufnahme von Oberflächenwärme vorgesehen ist. Als Venti­ lationseinrichtung 40 ist jeder geeignete Lüfter mit genügen­ der Leistung (z. B. ein Schaltschranklüfter) verwendbar.

Schließlich zeigt Fig. 1 auch schematisch eine Steuereinrich­ tung 50 mit einer Ablaufsteuerung 51, einer Schützsteuerung 52, einen Hauptregler 53 (sogenannter ECO-Regler), dem Pumpen­ regler 54, dem Heizregler 55, dem Kühlregler 56, Betätigungs­ elementen 57 und einer Anzeige 58. Die Elemente der Steuerein­ richtung 50 werden im folgenden unter Bezug auf Fig. 2 erläu­ tert.

Ein erfindungsgemäßer Temperierungsvorgang wird von der Ab­ laufsteuerung 51 und der Schützsteuerung 52 in Zusammenwirkung mit den Reglern 53 bis 56 entsprechend den in Fig. 2 gezeigten Verknüpfungen realisiert. Die Ablaufsteuerung 51 stellt die Steuersignale bereit, die den konkreten Ablauf eines Temperie­ rungsvorganges repräsentieren. Dementsprechend besitzt die Ab­ laufsteuerung 51 einen Eingang 51i, über den Prozeßparameter wie z. B. eine Folge von Solltemperaturen T_S,n, die für bestimm­ te Temperierungszeiten t_n gegebenenfalls mit N Zyklen wieder­ holt eingestellt werden sollen, und die Probentemperatur T_P vom Probenfühler 17 (s. Fig. 1) eingegeben werden. Am Ausgang 51o gibt die Ablaufsteuerung 51 dementsprechend Sollgrößen x_S an die Regler und ein Aus-Signal an die Schützsteuerung 52.

Die Schützsteuerung 52 erhält am Eingang 52i eine Reihe von betriebsrelevanten Schaltsignalen, die den Aggregatezustand, die Systembefüllung, eine Not-Abschaltung und dergleichen be­ treffen, und das Aus-Signal der Ablaufsteuerung 51. Mit dem Ausgang 52o der Schützsteuerung 52 sind erstens die stationäre Pumpe 31 des Kühlkreislaufes 30 (s. Fig. 1) und zweitens zum Empfang eines Ein-Signals die Regler Hauptregler 53 und Pum­ penregler 54 verbunden.

Der Hauptregler 53 erhält als Freigabe das Ein-Signal von der Schützsteuerung 52, und am Eingang 53i den aktuellen Sollwert xs und die aktuelle Probentemperatur T_P. Der Hauptregler 53 ist dazu eingerichtet, über den Ausgang 53o in Abhängigkeit vom Wert der Probentemperatur T_P in Relation zur Solltemperatur T_S die Heiz- oder Kühlregler 55, 56 einzuschalten oder eine Null­ stellung einzunehmen.

Der Pumpenregler 54 erhält als Freigabe das Ein-Signal von der Schützsteuerung 52, und am Eingang 54i den aktuellen Sollwert x_S und die aktuelle Rücklauftemperatur T_RL. Der Pumpenregler 54 stellt am Ausgang 54o ein Spannungssignal (z. B. im Bereich von 0 bis 10 Volt) bereit, das als Eingangssignal an einen Fre­ quenzumrichter 54a angelegt wird, mit dem die dynamische Pumpe 21 (s. Fig. 1) angesteuert wird. Falls die Soll- und Istwerte am Pumpenregler 54 übereinstimmen, stellt der Frequenzumrich­ ter 54a anwendungsabhängig eine vorbestimmte Festdrehzahl an der dynamischen Pumpe 21 ein.

Der Heizregler 55 erhält als Freigabe das Ein-Signal von der Schützsteuerung 52, und am Eingang 55i ein Freigabesignal vom Hauptregler 53, die aktuelle Sollgröße x_S und die aktuelle Vor­ lauftemperatur T_VL. Falls im Betriebszustand (Schützsteuerung 52: Ein) mit dem Hauptregler 53 durch das Freigabesignal der Heizregler 55 betätigt wird, gibt dieser am Ausgang 55o ein Spannungssignal an einen pulsmodulierten Thyristorsteller 55a, mit dem der Durchlauferhitzer 23 (s. Fig. 1) betätigt wird. Das Ausgangssignal des Heizreglers 55 kann beispielsweise ein Spannungssignal im Bereich von 0 bis 10 Volt sein. Je nach dem Spannungssignal wird eine hohe Pulsrate zur Erzielung einer hohen Heizleistung oder eine niedrige Pulsrate zur Erzielung einer kleinen Heizleistung erzeugt. Falls die Soll- und Ist­ werte am Heizregler 55 übereinstimmen, so unterbricht der Heizregler 55 sein eigenes Ausgangssignal über einen internen Schalter (Öffner).

Der Kühlregler 56 erhält als Freigabe wiederum entsprechend das Ein-Signal von der Schützsteuerung 52, und am Eingang 56i das Freigabesignal vom Hauptregler 53, die aktuelle Sollgröße xs und vom Rücklauffühler 18 (s. Fig. 1) die aktuelle Rücklauf­ temperatur TRL. Am Ausgang 56o des Kühlreglers 56 ist eine Ver­ bindung mit der Ventilationseinrichtung 40 (s. Fig. 1) und ei­ ne Verbindung mit den Magnetventilen 22, 35 und 36 vorgesehen. Bei kleinen Abweichungen zwischen Soll- und Istwerten von z. B. 0.5 bis 1°, wird als Kühlung lediglich die Ventilationsein­ richtung eingeschaltet. Bei höheren Temperaturunterschieden zwischen Soll- und Istwerten werden die Magnetventile betä­ tigt, wie dies unten im einzelnen erläutert wird.

Fig. 2 zeigt außerdem die Anzeigeeinrichtung 58, die zur An­ zeige der Zyklenzahl N, des aktuellen Sollwerte x_S und/oder der aktuellen Probentemperatur T_P eingerichtet ist und hierzu mit der Ablaufsteuerung 51 und dem Probenfühler 17 (bzw. dem ent­ sprechenden Eingang des Hauptreglers 53) verbunden ist. Die Betätigungselemente 57 der Steuereinrichtung 50 (s. Fig. 1) werden in Fig. 2 entsprechend durch die Schaltung 57 repräsen­ tiert und illustrieren übliche Schalter, wie sie an der Tempe­ rierungsvorrichtung vorgesehen sind und insbesondere einen Hauptschalter "Ein/Aus" und einen Not-Ausschalter umfassen. Bei Freigabe der Betätigungselemente 57 werden auch die Kühl­ maschinen 33a, 33b eingeschaltet.

Im folgenden wird der Ablauf der Temperaturreglung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 erläu­ tert.

Bei einem Vorbereitungsschritt wird die Vorrichtung zunächst durch Befüllen des Reaktionsbehälters 10 und der Kreisläufe 20, 30 und die Vorgabe der Temperatursollwerte T_S,n, die Tempe­ rierungszeiten t_n und die Zyklenzahl N an der Ablaufsteuerung 51 in einen betriebsbereiten Zustand gebracht. Die Pumpe 31 ist aktiviert, so daß das Wasser im Kühlkreislauf 30 zirku­ liert. Nach Abfrage aller Sicherheitsbedingungen über die Be­ tätigungselemente 57 bzw. die Schützsteuerung 52 (keine Über­ temperatur, kein Wassermangel, Deckel des Reaktionsbehälters verriegelt) und Betätigung einer Starttaste (Betätigungsele­ mente 57) wird die Wassertemperatur Kühlkreislauf 30 zunächst auf 20°C eingestellt. Sobald dieser hier beispielhaft gegebene Startwert erreicht ist, wird der eigentliche Temperierungsvor­ gang gestartet und die Pumpe 21 in Betrieb gesetzt. Die Tempe­ ratur im Wasserbad des Reaktionsbehälters, in dem sich die Proben befinden, wird entsprechend einem bestimmten, anwen­ dungsabhängigen zeitlichen Temperaturprogramm (Beispiel s. un­ ten) eingestellt. Nach Beendigung des Programmablaufs erfolgt eine Rückschaltung der Vorrichtung in einen Zustand der Be­ triebsbereitschaft.

Zur Temperaturreglung während des Programmablaufs wirken die obengenannten Regler wie folgt zusammen. Alle Regler sind als Proportionalregler ausgebildet und zur Verarbeitung des glei­ chen aktuellen Sollwerts x_S eingerichtet, der einer der Soll­ temperaturen T_S,n entspricht. Der aktuelle Sollwert wird am Hauptregler 53 mit der Probentemperatur vom Probenfühler 17, am Pumpenregler 54 mit der Rücklauftemperatur vom Rücklauffüh­ ler 18, am Heizregler 55 mit der Vorlauftemperatur vom Vor­ lauffühler 16 und schließlich am Kühlregler 56 wiederum mit der Rücklauftemperatur verglichen.

Falls die Probentemperatur unterhalb der Solltemperatur liegt (Heizfall), gibt der in der Reglerhierarchie an erster Stelle stehende Hauptregler 53 das Freigabesignal an den Heizregler 55. Der nicht freigegebene Kühlregler bleibt im Zustand der Betriebsbereitschaft, wobei der Soll-Ist-Wertvergleich fort­ laufend durchgeführt wird. Im Heizfall wird nun das Ausgangs­ signal (z. B. im Bereich von 0 bis 10 Volt Gleichspannung) des Heizreglers 55 auf den pulsmodulierten Thyristorsteller 55a aufgeschaltet, der dementsprechend den Durchlauferhitzer 23 ansteuert. Bei steigender Sollwert-Istwert-Abweichung (x_W) wird eine hohe Pulsrate und somit eine hohe Heizleistung und bei fallender Abweichung x_W eine kleine Pulsrate bzw. eine kleine Heizleistung eingestellt. Bei verschwindendem x_W wird das Aus­ gangssignal des Heizreglers 55 intern abgeschaltet. Falls die Probentemperatur oberhalb der Solltemperatur liegt (Kühlfall) wird vom Hauptregler 53 das Freigabesignal an den Kühlregler 56 gegeben, wobei nun entsprechend der Heizregler 55 im Zu­ stand der Betriebsbereitschaft (fortlaufender Soll-Ist- Wertvergleich) verbleibt. Im Kühlfall schaltet der Kühlregler 56 bei kleiner Abweichung x_W (< 0.5 bis 1°C) die Ventilations­ einrichtung 40 ein. Bei größerer Abweichung x_W werden das zwei­ te und dritte Magnetventil 35, 36 freigegeben und das erste Magnetventil 22 geschlossen. Die Freigabe des zweiten und dritten Magnetventils 35, 36 erfolgt wiederum in Abhängigkeit von der Stärke der Abweichung x_W durch entsprechende Freigabe- oder Taktzeiten, wodurch vorteilhafterweise eine besondere Stetigkeit des Reglers gewährleistet wird.

Neben der genannten Heizung bzw. Kühlung läuft der Pumpenreg­ ler 54 eigenständig parallel. Je nach dem Regelfall (Heiz- oder Kühlfall) wird die Drehzahl der dynamischen Pumpe 21 (s. Fig. 1) entsprechend dem folgenden Schema eingestellt. Im Heizfall wird bei geringen Abweichungen x_W (Beispiel: 0.5°C) eine große Drehzahl und bei großen Abweichungen x_W (Beispiel: 5°C) eine geringe Drehzahl und im Kühlfall bei geringen Ab­ weichungen x_W eine kleine Drehzahl und bei großen Abweichungen x_W eine große Drehzahl der Pumpe 21 eingestellt. Bei verschwin­ dender Abweichung x_W läuft die dynamische Pumpe 21 bei einer vorbestimmten Festdrehzahl (z. B. 3000 U/min). Bei dieser Fest­ drehzahl beträgt die Durchflußmenge durch die Pumpe z. B. 25 l/min.

Während des Betriebes wird die erfindungsgemäße Vorrichtung laufend über eine Sicherheitsregelkette in Bezug auf Medien- Übertemperatur, Wassermangel und die Deckelverriegelung über­ wacht. Treten kritische Betriebszustände auf, so schaltet die Vorrichtung selbsttätig ab. Ein erneuter Start erfolgt erst nach manuelle Betätigung der Starttaste. Die Regelung des Füllstandes im Reaktionsbehälter 10 erfolgt nach dem folgenden Prinzip.

Der Füllstand im Reaktionsbehälter 10 wird mit einer Füll­ standsmeßeinrichtung 19 (s. Fig. 1) gemessen, die eine Schwim­ merschaltereinrichtung (z. B. mit zwei Schaltern) umfaßt. Die Schwimmerschaltereinrichtung steht mit den Magnetventilen 22, 35 und 36 in Verbindung. Im Heiz- oder Kühlfall wird ein unzu­ lässig hoher Füllstand durch ein zeitweiliges Öffnen des drit­ ten Magnetventils 36 bei geschlossenem zweiten Magnetventil 35 und geschlossenem ersten Magnetventil 22 abgebaut. Ein Ein­ speisen erfolgt über ein zeitweiliges Öffnen des zweiten Ma­ gnetventils 35 bei geschlossenem dritten Magnetventil 36 und geöffnetem ersten Magnetventil 22.

Um Fehlfunktionen der Füllstandsmeßeinrichtung 19 aufgrund von wellenförmigen Füllstandsschwankungen im Reaktionsbehälter 10 durch pulsförmige Betätigung der jeweiligen Sperreinrichtungen (Magnetventile) zu vermeiden, ist die Füllstandsmeßeinrichtung 19 vorzugsweise als mit dem Reaktionsbehälter 10 kommunizie­ rendes Gefäß ausgebildet. Der Schwimmerschalter befindet sich in dem Zusatzgefäß, das vom eigentlichen Reaktionsbehälter durch eine Verbindungsleitung oder eine Trennwand mit einer Öffnung (dargestellt) getrennt ist. Durch diese Vorkehrung werden Wellenerscheinungen im Reaktionsbehälter in dem Zusatz­ gefäß nur schwach auftreten, so daß die Füllstandsmessung feh­ lerfrei erfolgen kann.

Die Reglung gemäß Fig. 2 kann zur Glättung des Reglungsverhal­ tens mit elektrischen Filtern für die Temperaturfühler ausge­ stattet sein. Die elektrischen Filter sind zur Rundung oder zum Abschneiden der 1/100-Grad-Stelle der Temperatursignale der Fühler eingerichtet.

Im folgenden wird unter Bezug auf Fig. 3 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Temperierung, wie sie beim PCR-Prozeß auf­ tritt, beispielhaft erläutert. Das Ziel der Temperierung be­ steht in der zyklisch wiederholten aufeinanderfolgenden Ein­ stellung von drei verschiedenen Temperatursollwerten. Nach Er­ reichen des jeweiligen Sollwertes soll die Temperatur für eine vorbestimmte Zeit t konstant gehalten werden. Die Einstellung der drei Temperaturen bildet einen Zyklus. Dieser Zyklus soll anwendungsabhängig beliebig oft wiederholt werden. Bei der PCR-Reaktion betragen die Solltemperaturen beispielsweise T_S,1 = 95°C, T_S,1 = 65°C, T_S,1 = 65°C und T_S,3 = 72°C. Die Temperierungszeiten t sollen jeweils z. B. 1 Minute betragen, wobei beim ersten Heizzyklus die Temperierungszeit t₁ der ersten Solltemperatur T_S,1 4 Minuten betragen soll, um eine möglichst umfassende DNA- Denaturierung bei der anfangs noch geringen DNA-Konzentration zu erzielen. Außerdem sollen die Einstellzeiten (Übergangszei­ ten zwischen den Solltemperaturen) im Minutenbereich (rd. 2 bis 3 Minuten) liegen.

Nach Beschickung der Probenaufnahmen 13 (s. Fig. 1), wie dies im einzelnen unten unter Bezug auf Fig. 5 erläutert wird, wird beim erfindungsgemäßen Temperierungsvorgang gemäß Fig. 3 nach dem Start 300 zunächst eine Abfrage nach Erfüllung der Start­ bedingungen durchgeführt (Schritt 301). Dies umfaßt insbeson­ dere die Frage, ob etwa der Not-Ausschalter ausgelöst ist oder die Stop-Taste gedrückt ist, ob der Füllstand im Reaktionsbe­ hälter vorbestimmten Werten entspricht, ob der Deckel verrie­ gelt ist, ob etwa eine Übertemperatur gegeben ist und ob die gewünschten Sollwerte T_S,1 bis T_S,3 und die Zyklenzahl und die Temperierungszeiten eingegeben sind. Anschließend wird von der Ablaufsteuerung 51 (s. Fig. 2) bei Schritt 302 der erste Soll­ wert T_S,1 = 95°C an die Regler gegeben, an denen jeweils der Soll-Ist-Vergleich 303 durchgeführt und ein Heiz- oder Kühl­ vorgang ausgelöst wird. Sobald die Solltemperatur erreicht ist, erfolgt eine Abfrage der Zyklennummer (Schritt 304), um in der Ablaufsteuerung 51 eine Zeitgeberschaltung entsprechend dem obengenannten Beispiel auf 4 min (für den ersten Zyklus) oder auf 1 min (für jeden weiteren Zyklus) zu setzen. Bei Schritt 304 wird die in der Zeitgeberschaltung eingestellte Zeit t₁ abgefragt und, solange die Zeit läuft, der Soll-Ist- Vergleich 303 laufend wiederholt.

Wenn die Temperierungszeit t₁ abgelaufen ist (Abfrage bei Schritt 305), wird von der Ablaufsteuerung 51 die zweite Soll­ temperatur T_S,2 = 65°C eingegeben (Schritt 306). Die folgenden Schritte Soll-Ist-Vergleich (307) und Abfrage der Zeitgeber­ schaltung (308) erfolgen analog zur Regelung der ersten Soll­ temperatur, wobei hier eine Unterscheidung der Zyklennummer nicht erfolgt. Während der zweiten Phase (T_S,2) wird die beim ersten Schritt denaturierte DNA vermehrt. Bei der dritten Reaktionstemperatur (T_S,3) erfolgt die Zusammensetzung der ver­ mehrten DNA zu einem neuen Strang. Hierzu werden im wesentli­ chen die Schritte 309 bis 311 mit den Schritten 306 bis 308 wiederholt. Nach Ablauf der dritten Temperierungszeit wird die Zyklenzahl N dekrementiert und abgefragt, ob die aktuelle Zyklenzahl N* gleich Null ist (Schritt 312). Ist N* ungleich Null, so erfolgt ein Rücksprung zu Schritt 302 (Eingabe der ersten Solltemperatur). Andernfalls wird das Programm gestoppt (Schritt 313).

Die Zyklenzahl ist anwendungsabhängig frei wählbar und kann beim gewählten Beispiel rd. 40 bis 50 betragen. Fig. 4 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf der Probentemperatur für insgesamt drei Zyklen. Jeder Einstellvorgang in Bezug auf eine Solltemperatur umfaßt eine Einstellzeit zur Einstellung der Solltemperatur (gemäß den Schritten 303, 307 und 310 in Fig. 3) und die eigentliche Temperierungszeit t. Die Einstellzeit ist insbesondere vom Medium, von den Medienvolumina zum Heizen bzw. Kühlen und von der thermischen Last (Probenmenge) abhän­ gig. Die Kurven A und B zeigen entsprechend die Wassertempera­ tur und die Probentemperatur, deren Verlauf gegenüber der Was­ sertemperatur durch die Verzögerung bei der Einstellung des thermischen Gleichgewichts verzögert ist. Fig. 4 zeigt einen entscheidenden Vorteil der Erfindung in Bezug auf die Ge­ schwindigkeit und Konstanz der Einstellung der Medientempera­ tur.

Einzelheiten des Reaktionsbehälters 10 (s. Fig. 1) werden im folgenden unter Bezug auf Fig. 5 erläutert. Es wird betont, daß die Gestaltung des Wärmetauschers als Probenhalterung einen unabhängigen Gesichtspunkt der Erfindung darstellt, der vorzugsweise in Kombination mit dem oben erläuterten Rege­ lungsprinzip implementiert wird, jedoch auch davon unabhängig zur Probentemperatureinstellung unter Verwendung herkömmlicher Thermostaten verwendet werden kann.

Fig. 5 zeigt den Reaktionsbehälter 10 mit der Wanne 11 und der als Wärmetauscher 12 funktionierenden Probenhalterung, wo­ bei aus Übersichtlichkeitsgründen die vordere Wand der Wanne 11 nicht gezeigt ist.

Die Wanne 11 besitzt die Gestalt eines an sich aus Laboranwen­ dungen bekannten Gefäßes, dessen Form vorzugsweise an die Ge­ stalt des Wärmetauschers 12 angepaßt ist. Beim dargestellten Beispiel besitzt die Wanne 11 einen rechteckigen Grundriß. An einer der schmalen Wannenseite entsprechenden Seitenwand ist der Rücklauf 15 als Verbindungsansatz zwischen dem Wanneninne­ ren und der Rohrverbindung zum Heizkreislauf 20 (s. Fig. 1) vorgesehen. An der oberen Kante der Seitenwände der Wanne 11 ist eine umlaufende Auflage 111 als Träger für einen Deckel (nicht dargestellt) angebracht. Das Aufliegen oder die Verriegelung des Deckels kann durch einen Sensor erfaßt und bei der Schützsteuerung 52 (s. Fig. 2) berücksichtigt werden. Der Wärmetauscher 12 ist von einer Ummantelung 112 umgeben, die strömungstechnischen Unterstützung und der Wärmeisolierung gegenüber der Umwelt dient und beispielsweise aus Neopren be­ steht. Das Wannenvolumen liegt im Bereich von 5 bis 8 l (z. B. 7.5 l) bei einer Grundfläche von rd. 135 mm.460 mm bei einer Höhe von 120 mm. Die Erfindung ist nicht auf die Realisierung dieser Größenverhältnisse beschränkt.

Der Wärmetauscher 12 (Düsenstockwärmetauscher) dient simultan als Probenhalterung oder Tragegestell für die zu temperieren­ den Proben. Dementsprechend ist die Gestaltung des Wärmetau­ schers 12 anwendungsabhängig an das Probenformat angepaßt, wo­ bei für biochemische und gentechnische Anwendungen eine Anpas­ sung an das Format von Mikrotiterplatten bevorzugt wird (hier wird eine Mikrotiterplatte als eine Probe bezeichnet). Der Wärmetauscher 12 besteht aus dem Gestell 121, einem Verteiler 122, einem Einlaßanschluß 123 und Austrittsdüsen 124.

Das Gestell 121 besteht zumindest teilweise aus Bauelementen, die innere Medienleitungen in Form von Kanälen, Hohlräumen, Schächten oder dgl. enthalten. Die Bauelemente sind so ange­ ordnet, daß Aufnahmen 13 für die Proben (z. B. Mikrotiterplat­ ten) gebildet werden, wobei die Führung der inneren Medienlei­ tungen derart erfolgt, daß ein guter thermischer Kontakt zwi­ schen dem die Bauelemente durchsetzenden Medium und den in den Aufnahmen befindlichen Proben gewährleistet ist. Beim darge­ stellten Ausführungsbeispiel besitzt das Gestell 121 die Form eines Regals mit im Betriebszustand horizontal ausgerichteten Böden 125 und dazu senkrecht ausgerichteten Stützelementen 126. Damit wird eine Matrixanordnung von 7.5 Aufnahmen für die Proben entsprechend in sieben Ebenen und fünf Stapeln (I-V) bereitgestellt.

Gemäß einer bevorzugten Gestaltung der Erfindung wird der Pro­ bentemperaturfühler 17 (s. Fig. 1) oder allgemein mindestens ein Temperaturfühler in einer Probenaufnahme in einer der Pro­ bengestalt möglichst genau entsprechenden Form angeordnet. Es ist beispielsweise vorgesehen, eine Fühler-Mikrotiterplatte in eine der Aufnahmen einzusetzen, die keine Substanzen, sondern lediglich den Temperaturfühler enthält. In diesem Fall werden vom Reaktionsbehälter 10 entsprechend 34 Proben aufgenommen. Diese Anbringung des Probenfühlers ist kein zwingendes Merkmal der Erfindung. Er kann auch an anderen Orten im Probenbehälter angeordnet oder sogar ganz fortgelassen werden (s. unten).

Die Böden 125 sind Hohlelemente, die in jeder Ebene eine schachtförmige, flächige Medienleitung vom Verteiler 122 zu den Austrittsdüsen 124 bilden. Damit wird eine gleichmäßige Temperierung der Böden und somit der auf den Böden aufliegen­ den Proben in den Aufnahmen gewährleistet.

Im Betriebszustand ist der Vorlauf 14 (s. Fig. 1) am Kuppel­ element 127 des Einlaßanschlusses 123 angebracht. Das Kuppel­ element 127 ist vorzugsweise eine lösbare Schnellkopplung, die ein Entnehmen des Wärmetauschers 12 aus der Wanne 11 ohne wei­ tere Änderungen des Gesamtsystems ermöglicht. Der Einlaßan­ schluß 123 besteht aus einem flexiblen Schlauch. Das zur Tem­ perierung verwendeten Medium (z. B. Wasser) läuft vom Vorlauf 17 durch den Einlaßanschluß 123 zum Verteiler 122, wo eine Verteilung auf die Böden der einzelnen Ebenen des Gestells 121 erfolgt. Vom Verteiler 122, der sich an der Schmalseite des Gestells befindet, fließt das Medium in Längsrichtung durch die Böden vom Stapel I in Richtung des Stapels V. Am dem Ver­ teiler 122 entgegengesetzten Ende des Gestells 121 sind an den Enden der Böden die Austrittsdüsen 124 vorgesehen, aus denen das Medium in die Wanne 11 fließt. Da die Gestalt des Wärme­ tauschers 12 an die Form der Wanne 11 angepaßt ist, befinden sich die Austrittsdüsen 124 in unmittelbarer Nähe einer Sei­ tenwand der Wanne 11. Das am zum Verteiler 122 entgegengesetz­ te Ende des Wärmetauschers 12 austretende Medium kann frei in die Wanne 11 fließen, erfährt jedoch im wesentlichen aufgrund der angrenzenden Wannenwand eine Umkehr der Strömungsrichtung. Die Austrittsdüsen 124 bilden somit mit der angrenzenden Wan­ nenwand einen Umlenkbereich, von dem ein Rückfluß des Mediums durch die Wanne 11 durch das Gestell 121 über dessen Oberflä­ che und die Proben entlang der Stapel V bis I hin zum Rücklauf 15 erfolgt. Die Rückströmung erfolgt somit nicht innerhalb der hohlen Bauelemente des Gestells 121, sondern außerhalb von diesen, so daß die Proben in den Probenaufnahmen unmittelbar vom Medium umspült werden.

Der regelmäßige Aufbau der Probenhalterung gewährleistet eine homogene und gleichmäßige Durchströmung des Probenbehälters 10 entsprechend zwei Strömungsabschnitten. Im ersten Strömungsab­ schnitt erfolgt eine im wesentlichen laminare Durchströmung der Böden vom Verteiler 122 hin zu den Eintrittsdüsen 124. Im zweiten Strömungsabschnitt erfolgt eine ebenfalls homogene, nahezu laminare Rückströmung vom Umlenkbereich (Austrittsdüsen 124) hin zum Rücklauf 15. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Laminarität der Strömung eine äußerst gleichmäßige Wärmeverteilung vom Medium auf die Proben ermög­ licht. So strömt beispielsweise im Heizfall zunächst das Medi­ um vom Einlaßanschluß 123, die in den Aufnahmen auf den Böden 125 liegenden Proben erwärmend mit stetig fallender Temperatur durch die Böden zu den Austrittsdüsen 124. Die Rückströmung unter Wirkung der dynamischen Pumpe 21 erfolgt im wesentlichen jeweils oberhalb der Proben in den Aufnahmen. Es wird wiederum ein Wärmeaustausch bewirkt, wobei nun die beim ersten Strö­ mungsabschnitt stärker erwärmten Proben (Stapel I) relativ we­ niger und die im ersten Strömungsabschnitt weniger erwärmten Proben (z. B. Stapel V) stärker erwärmt werden. Somit werden die einlaßseitig ersten Proben von ihrer Unterseite her mit der höchsten Temperatur und von ihrer Oberseite her mit der geringsten Temperatur beaufschlagt, wohingegen Proben in der Nähe der Austrittsdüsen 124 von der Ober- und Unterseite her mit im wesentlichen ähnlichen Temperaturen beaufschlagt wer­ den. Durch dieses Strömungsprinzip wird allen Proben in der Summe die gleiche Energie zugeführt.

Der Einsatz des beschriebenen Reaktionsbehälters gemäß Fig. 5 erfolgt derart, daß zunächst das Gestell 121 mit den Proben (Mikrotiterplatten) bestückt wird. Anschließend erfolgt am Kupplungselement 127 der Anschluß des Vorlaufs 14, das Einset­ zen des Wärmetauschers 12 in die Wanne 11 und die Abdeckung und Befüllung des Systems (s. oben). Mit der dynamischen Pumpe 21 wird das Medium, nachdem es den Verteiler 122 gefüllt hat, in die Böden 125 und durch die Austrittsdüsen 124 in die Wanne gepreßt und aus dieser aufgrund der Differenzdrucks zwischen Vorlauf und Rücklauf über den Rücklauf 15 in den übrigen Medienkreislauf gesogen.

Nach Durchführung des Temperierungsvorgangs, wie er beispiels­ weise oben beschrieben wurde, erfolgt die Entnahme der Proben­ halterung (Wärmetauscher 12) aus der Wanne, wobei nach Lösung des Kupplungselements 127 sämtliche Proben als Block zum Ort der weiteren Verarbeitung transportiert werden können.

Teile der Füllstandsmeßeinrichtung 19 (s. Fig. 1) sind in Fig. 5 nicht dargestellt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsfor­ men des Regelungsverfahrens bzw. der Temperierungsvorrichtung beschränkt, sondern kann vielmehr anwendungsabhängig modifi­ ziert werden. So ist es beispielsweise möglich, die Zahl der Temperaturfühler am Reaktionsbehälter zu reduzieren. Falls die Temperierung unter verminderten Genauigkeitsanforderungen er­ folgt, so kann der Probenfühler fortgelassen werden und eine Anpassung des Regelungsprinzips dahingehend erfolgen, daß ein Heizen bzw. Kühlen bewirkt wird, bis die Temperaturen am Vor- und Rücklauf gleich sind. Dieser Zustand entspricht dem gewünschten Gleichgewicht, bei dem zwangsläufig auch die Pro­ bentemperatur mit den Vorlauf- und Rücklauftemperaturen über­ einstimmt. Es können ferner die dargestellten Ventile durch andere Sperreinrichtungen, z. B. durch Drei-Wege-Ventile, er­ setzt werden, insbesondere falls an die Geschwindigkeit der Temperatureinstellung verringerte Anforderungen gestellt wer­ den. Weitere mögliche Modifikationen beziehen sich auf die Zahl und Art der Heizer oder Kühler, die Gestalt des Reakti­ onsbehälters, die Art der Füllstandsmessung und den Einsatz der Ventilationseinrichtung.

Claims (28)

1. Verfahren zur Temperierung eines Flüssigkeitsbades in einem Reaktionsbehälter (10) mit einem Medium, dessen Temperatur mit einem Heizkreislauf (20) und einem Kühlkreislauf (30) ein­ stellbar ist, die jeweils Heiz- oder Kühleinrichtungen (23, 33a, 33b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium den Reaktionsbehälter (10) von einem Vorlauf (14) zu einem Rücklauf (15) durchfließt und vom Rücklauf (15) in Abhängigkeit von der Betätigung von Sperreinrichtungen (22, 35, 36) durch den Heiz- und/oder Kühlkreislauf (20, 30) zum Vorlauf (14) geleitet wird, wobei die Heiz- oder Kühleinrich­ tungen (23, 33a, 33b) und die Sperreinrichtungen (22, 35, 36) so betätigt werden, daß das Medium im Reaktionsbehälter eine vorbestimmte Solltemperatur besitzt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die aktuelle Temperatur des Mediums im Reaktionsbehälter (10) gemessen wird und, wenn die aktuelle Temperatur kleiner oder größer als die vorbe­ stimmte Solltemperatur ist, mit einem Hauptregler (53) jeweils entsprechend ein Heizregler (55) oder ein Kühlregler (56) be­ tätigt wird, die die Sperreinrichtungen und Heiz- oder Küh­ leinrichtungen der Heiz- und Kühlkreisläufe (20, 30) derart einstellen, daß das Medium jeweils entsprechend mit einer hö­ heren oder niedrigeren Temperatur am Vorlauf (14) in den Reak­ tionsbehälter (10) eintritt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem mit dem Heizregler (55) die Heizleistung der Heizeinrichtung (23) im Heizkreislauf (20) und mit dem Kühlregler (56) die Sperreinrichtungen (35, 36) betätigt werden, über die der Kühlkreislauf (30) mit dem Heizkreislauf (20) verbunden ist, so daß ein vorbestimmter An­ teil des Mediums durch den Kühlkreislauf (30) geleitet wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Vorlauftemperatur des Mediums am Vorlauf (14) und die Rücklauftemperatur des Mediums am Rücklauf (15) gemessen werden und der Heizregler (55) in Abhängigkeit von der Abweichung der Rücklauftemperatur von der vorbestimmten Solltemperatur und der Kühlregler (56) in Abhängigkeit von der Abweichung der Vorlauftemperatur von der vorbestimmten Solltemperatur betätigt werden.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Medium das Flüssigkeitsbad bildet und mit einer dynami­ schen Pumpe (21) durch den Reaktionsbehälter (10) gepumpt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die Leistung der dyna­ mischen Pumpe (21) mit einem Pumpenregler (54) in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur des Mediums am Rücklauf (15) einge­ stellt wird.

7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Heizeinrichtung (23) im Heizkreislauf (20) ein Durchlauf­ erhitzer ist und bei kleinen Regelabweichungen der aktuellen Temperatur mit einer Ventilationseinrichtung (40) gekühlt wird.

8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem im Reaktionsbehälter (10) eine Füllstandsmessung erfolgt und in Abhängigkeit vom Füllstand und dem Regelzustand die Sperreinrichtungen (22, 35, 36) betätigt werden, um einen vor­ bestimmten Füllstand im Reaktionsbehälter (10) einzustellen.

9. Temperierungsvorrichtung für ein Flüssigkeitsbad in einem Reaktionsbehälter (10), der mit zwei Medienkreisläufen (20, 30) verschiedener Temperatur temperierbar ist, die jeweils Heiz- oder Kühleinrichtungen (23, 33a, 33b) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbehälter (10) einen Vorlauf (14) und einen Rück­ lauf (15) aufweist und Teil von einem der Medienkreisläufe ist und über Sperreinrichtungen (35, 36) mit dem anderen Medien­ kreislauf wahlweise verbunden oder von diesem getrennt werden kann.

10. Temperierungsvorrichtung gemäß Anspruch 9, bei dem die Medienkreisläufe einen Heizkreislauf (20) und einen Kühlkreis­ lauf (30) umfassen und der Reaktionsbehälter (10) Teil des Heizkreislaufs (20) ist.

11. Temperierungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Heizkreislauf (20) vom Vorlauf (14) über den Reaktionsbehälter (10), den Rücklauf (15), eine dynamische Pumpe (21), eine erste Sperreinrichtung (22), die Heizeinrichtung (23) hin zum Vorlauf (14) führt.

12. Temperierungsvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der der Kühlkreislauf (30) eine statische Pumpe (31) und mindestens eine Kühleinrichtung (33a, 33b) umfaßt und über zweite und dritte Sperreinrichtungen (35, 36) mit dem Vorlauf (14) bzw. Rücklauf (15) des Reaktionsbehälters (10) verbunden ist.

13. Temperierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der eine Reglersteuerung (50) vorgesehen ist, die einen Hauptregler (53) zur Einstellung des Heiz- oder Kühl­ kreislaufs (20, 30), einen Heiz- und einen Kühlregler (50, 56) zur Einstellung des Heizkreislaufs (20) bzw. des Kühlkreis­ laufs (30) und einen Pumpenregler (54) zur Einstellung der Zirkulation des Mediums im Heizkreislauf und/oder im Kühl­ kreislauf (30) umfaßt.

14. Temperierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, bei der der Durchlauferhitzer (23) im Heizkreislauf (20) mit einer Ventilationseinrichtung (40) ausgestattet ist.

15. Temperierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, bei der der Reaktionsbehälter (10) eine Füllstandsmeßein­ richtung (19) aufweist.

16. Temperierungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, bei der der Reaktionsbehälter (10) eine Wanne (11) und einen als Probenhalterung (12) wirkenden Wärmetauscher (13) umfaßt.

17. Temperierungsvorrichtung gemäß Anspruch 16, bei der der Wärmetauscher (13) ein Düsenstockwärmetauscher ist.

18. Reaktionsbehälter zur Temperierung einer Vielzahl von Pro­ ben in einem Flüssigkeitsbad, bestehend aus einer Wanne (11) und einem Wärmetauscher (12), der, eine Probenhalterung bildet.

19. Reaktionsbehälter gemäß Anspruch 18, bei dem der Wärmetau­ scher (12) aus einem Einlaßanschluß (123), einem Verteiler (122), einem Gestell (121) mit Aufnahmen für die Proben und Austrittsdüsen (124) besteht, wobei das Gestell (121) einen Durchfluß für ein Medium vom Einlaßanschluß (123) über den Verteiler (122) und das Gestell (121) hin zu den Austrittsdü­ sen (124) bildet.

20. Reaktionsbehälter gemäß Anspruch 19, bei dem das Gestell (121) die Form eines Regals mit im Betriebszustand horizontal ausgerichteten Böden 125 und dazu senkrecht ausgerichteten Stützelementen 126 besitzt, wobei die Böden 125 Hohlelemente sind, die in jeder Ebene eine schachtförmige, flächige Medien­ leitung vom Verteiler (122) zu den Austrittsdüsen (124) bil­ den.

21. Reaktionsbehälter gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Wanne (11) ein Gefäß mit einer inneren Form ist, die an die äußere Gestalt des Wärmetauschers (12) angepaßt ist, und an einer Seitenwand einen Verbindungsansatz zwischen dem Wanneninneren und einer Rohrverbindung mit einem Medienkreis­ lauf 20 besitzt.

22. Reaktionsbehälter gemäß Anspruch 21, bei dem der Wärmetau­ scher (12) so in der Wanne (11) angeordnet ist, daß sich die Austrittsdüsen (124) am dem Verbindungsansatz entgegengesetz­ ten Wannenende befinden.

23. Reaktionsbehälter gemäß Anspruch 22, bei dem die Aus­ trittsdüsen (124) mit der angrenzenden Wannenwand einen Um­ lenkbereich bilden, der für eine Rücklenkung des Mediums von den Austrittsdüsen (124) zum Verbindungsansatz der Wanne (11) eingerichtet ist.

24. Reaktionsbehälter gemäß einem der Ansprüche 18 bis 23, bei dem der Wärmetauscher (12) in die Wanne (11) eingesetzt und aus dieser entnehmbar ist.

25. Reaktionsbehälter gemäß einem der Ansprüche 18 bis 24, der über eine Leitung oder eine Trennwand mit einer Durch­ trittsöffnung mit einer Füllstandsmeßeinrichtung (19) in kom­ munizierender Verbindung steht.

26. Reaktionsbehälter gemäß einem der Ansprüche 18 bis 25, bei dem der Wärmetauscher (12) als Tragegestell für Mikrotiter­ platten ausgelegt ist.

27. Reaktionsbehälter gemäß einem der Ansprüche 18 bis 26, bei dem mindestens eine Probenaufnahme des Gestells (121) einen Temperaturfühler aufweist.

28. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 27 zur Bereitstellung vorbestimmter Temperaturbedingungen bei gentechnischen Reaktionsabläufen.