DE19860952C2 - Vorrichtung zur effizienz- und/oder selektivitätsgesteigerten Sortierzentrifugation oder Sortierdurchflußzentrifugation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Zentrifugation ist ein Trennverfahren, das zur Auf­ trennung von Gemischen oder Suspensionen der Art festflüssig, flüssig/flüssig, fest/gasförmig, gasförmig/gas­ förmig eingesetzt wird. Dabei findet bei der konventionellen Zentrifugation eine Auftrennung in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften (Dichte, Größe) der jeweiligen Bestandteile statt. Eine Auftrennung der Bestandteile erfolgt innerhalb einer Trennkammer oder eines Gefäßes in Sedi­ ment und Überstand, wobei das Sediment zwar eine Schich­ tung unterschiedlicher Fraktionen erkennen lassen kann, ohne jedoch eine substanzspezifische Selektivität innerhalb dieser Schichten zu erzielen. Reinfraktionen können aus den Schichten des Sedimentes in der Regel nicht abgeschöpft werden. Jedoch läßt sich eine Abtrennung von Sediment und Überstand erreichen. Als Beispiel kann die Zentrifugation von Vollblut erwähnt werden, durch die ohne Schwierigkeiten eine Trennung des Vollblutes in sedimentierte Blutkörper­ chen und Blutplasma erzielt werden kann. Beide Fraktionen lassen sich leicht voneinander abtrennen. Eine Auftrennung der verschiedenen Blutkörperchen im Sediment gelingt hin­ gegen nicht, da sich die verschiedenen weißen Blutkörper­ chen in einer nur 1-2 mm dicken Schicht (buffy coat) oberhalb der roten Blutkörperchen absetzen. Zur Fraktio­ nierung dieser verschiedenen Schichten eines Sedimentes werden in der Industrie Dekanterzentrifugen bzw. Separa­ toren, in der Medizin Zellseparatoren eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Zentrifugen, die nach dem Durchflußprinzip arbeiten, d. h. die zu trennenden Bestand­ teile werden während der Zentrifugation in die Separations­ kammer einer entsprechenden Zentrifuge geleitet. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft findet eine Auftrennung der Bestandteile durch Aufschichtung statt. In weiteren Schritten werden die gewünschten Bestandteile durch unterschied­ liche Verfahren, z. B. nach dem Überlaufprinzip abgeerntet und in separate Behälter geleitet. Dabei ist in der Regel eine erhebliche Verunreinigung durch Bestandteile angrenzender Schichten nicht zu vermeiden. Beim Einsatz im Bereich der Blutzellseparation wird antikoaguliertes Blut während der Zentrifugation in einen mit einem NaCl-/Antikoagulanz­ gemisch vorgefüllten Zellseparator geleitet und dort wie beschrieben aufgeteilt. Hierbei werden geschlossene steri­ lisierte Separationssets eingesetzt. Eine ausreichende zell­ spezifische Selektivität wird durch dieses Trennverfahren nicht erzielt, lediglich eine Anreicherung. In der Industrie werden Rohstoffe, Zwischenprodukte oder Abfallstoffe gegebenenfalls nach einer Vorbehandlung (Reinigung, Zer­ kleinerung) in einer entsprechenden Trennflüssigkeit (Wasser, Alkohol- oder Estergemische für die Kunststoff­ trennung) suspendiert und in einer Dekanterzentrifuge oder einem Separator wie beschrieben aufgeteilt. Eine aus­ reichende substanzspezifische Selektivität wird nicht erzielt, lediglich eine Anreicherung. Die Ultrazentrifugation ermöglicht zwar die Sedimentation und Anreicherung kleinster Partikel (subzelluläre Bestandteile, Proteine, Viren) in flüssigen Trennmedien oder aber die Anreicherung von radioaktiven Isotopen in entsprechenden Gaszentrifugen, eine substanzspezifische Selektivität wird jedoch nicht erzielt.

Mit der aus der DE 196 34 413 C2 oder der WO 98/08611 A1 bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung zur Sortierzentri­ fugation oder Sortierdurchflußzentrifugation ist während eines Zentrifugationsschrittes eine Auftrennung von ver­ schiedenen Bestandteilen eines Gemisches oder einer Suspension in verschiedene Auffangbehälter möglich, sofern diese eine unterschiedliche Sedimentationsgeschwindigkeit aufweisen. Dies wird erzielt durch eine zirkulär rotierende Ablenkvorrichtung innerhalb des Zentrifugenrotorsystems, die kontinuierlich und gerichtet auf einen peripheren Fix­ punkt einströmende Bestandteile unterschiedlicher Sedimen­ tationsgeschwindigkeit in unterschiedliche Auffangbehälter leitet. Anwendungen dieses Verfahrens ergeben sich als Industriezentrifuge im Bereich der Produktion und als Zellseparator.

Dabei werden die zu trennenden Bestandteile während der Zentrifugation oder Ultrazentrifugation kontinuierlich in ein mit flüssigem Medium vorgefülltes Zentrifugenrotorsystem eingeleitet, bei dem optional eine kontinuierliche Ausleitung von Flüssigkeitsüberstand und/oder der aufgetrennten Bestandteile stattfindet. Dabei erfolgt der kontinuierliche Einstrom der zu trennenden Bestandteile in das Zentrifugenrotorsystem im Bereich der zentralen Rota­ tionsachse und optional eine Ausleitung von Flüssigkeits­ überstand und/oder aufgetrennten Bestandteilen aus dem jeweiligen Ort ihrer Anreicherung im Zentrifugenrotor­ system räumlich abgegrenzt ebenso im Bereich der zentra­ len Rotationsachse. Die Flussrichtung der einströmenden zu trennenden Bestandteile wird auf einen peripheren Fixpunkt des rotierenden Zentrifugenrotorsystems gelenkt, sodaß un­ ter der Wirkung der Zentrifugalkraft eine zum peripheren Fixpunkt des rotierenden Zentrifugenrotorsystems gerichtete Sedimentation der zu trennenden Bestandteile im flüssi­ gen Medium stattfindet. Gleichzeitig wird über eine zirku­ lär bewegliche Ablenkvorrichtung innerhalb des Zen­ trifugenrotorsystems eine zirkuläre Ablenkung der gerichtet sedimentierenden Bestandteile erzielt, wobei das Ausmaß der Ablenkung von der Differenz der Winkel­ geschwindigkeiten des Zentrifugenrotorsystems und der zirkulär beweglichen Ablenkvorrichtung und von der Sedi­ mentationsgeschwindigkeit der zu trennenden Bestandteile abhängt, die die Kontaktzeit zwischen Ablenkvorrichtung und den jeweiligen Bestandteilen bestimmt. Die aufge­ trennten Bestandteile werden schließlich in zirkulär hinter­ einander folgende Auffangbehälter im Bereich der peri­ pheren Zirkumferenz des Zentrifugenrotorsystems gelenkt.

Bei der Trennung von hochkonzentrierten, feindispersen Suspensionen kann die Entsuspendierung im flüssigen Medium innerhalb der Ablenkvorrichtung bei verschiedenen Anwendungen unvollständig ablaufen. Im Extremfall tritt eine laminare Strömung der Suspension gegenüber dem Füllmedium in der Ablenkvorrichtung ein. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Suspension ein deutlich höheres spezifisches Gewicht als das Füllmedium aufweist, sodaß sich eine Phasengrenze ausbildet. Abhilfe ist oftmals nur durch hochgradige Verdünnung der Suspension und durch besonders langgestreckte Kanäle der Ablenkvorrichtung möglich. Dies wirkt sich jedoch ungünstig auf die Effizienz (Materialdurchsatz) und auf die Größenausdehnung der Zentrifuge aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur effizienz- und selektivitätsgesteigerten Sortierzentrifuga­ tion oder Sortierdurchflußzentrifugation anzugeben, bei dem die Möglichkeit besteht hochkonzentrierte, feindisperse Suspensionen unverdünnt durch Sortierzentrifugation oder Sortierdurchflußzentrifugation zu trennen, wobei eine Effi­ zienzsteigerung durch die Verarbeitung unverdünnter Sus­ pensionen und eine Selektivitätssteigerung durch Beeinflus­ sung der Sedimentationsgeschwindigkeit der unterschied­ lichen Bestandteile erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unter­ ansprüchen angegeben. Die zu trennenden Bestandteile werden während der Zentrifugation kontinuierlich oder diskontinuierlich entweder durch Pumpensysteme und Schläuche oder über einen zentralen Einfuhrtrichter in das mit flüssigem oder gasförmigen Füllmedium vorgefüllte Zentrifugenrotorsystem eingeleitet, und zwar optimaler­ weise im Bereich der zentralen Rotationsachse. Bei Verwendung eines zentralen Einfuhrtrichters findet ent­ weder eine manuelle Zufuhr in den Einfuhrtrichter oder eine Zufuhr über Dosierer statt. Bei Applikationen, bei denen lediglich eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Zu­ fuhr stattfindet, kann der Zentrifugenüberstand in ein internes oder externes Reservoir abgeleitet werden, während die aufgetrennten Bestandteile in Behälter oder Kavitä­ ten im Bereich der peripheren Zirkumferenz des Zentrifugenrotorsystems gelangen. Alternativ besteht die Möglichkeit ein Durchflussprinzip zu realisieren bei dem der Zentrifugenüberstand und/oder die aufgetrennten Be­ standteile aus dem Zentrifugenrotorsystem kontinuierlich oder diskontinuierlich ausgeleitet werden. Bei Realisierung eines Durchflußprinzipes erfolgt die Einleitung der zu tren­ nenden Bestandteile und die Ausleitung von Zentrifugen­ überstand und/oder aufgetrennten Bestandteilen räumlich abgegrenzt im Bereich der zentralen Rotationsachse, und zwar über Kanäle einer Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung. Diese Kanäle treten entweder über Öffnungen, die durch Gleitdichtungen abgedichtet sind, im Bereich der zentralen Rotationsachse räumlich abgegrenzt in verschiedene zentrale Kompartimente des Zentrifugenrotorsystems ein, und zwar einmal in das zentrale Kompartiment eines radiär gerichteten Einfuhrstutzens und weiterhin in die zentralen Kompartimente von Verbindungsleitungen zu den An­ reicherungsorten der zu trennenden Bestandteile und des Zentrifugenüberstandes. Alternativ können die Kanäle der Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung über gleitdichtungsfreie Verfahren nach dem Prinzip der Omega-Zentrifugation in einem geschlossenem System mit den beschriebenen Kom­ partimenten des Zentrifugenrotorsystems unmittelbar in Verbindung stehen. Bei Realisierung eines Durchflußprin­ zipes mit Gleitdichtungssystemen wird die Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung als kompaktes Rohr angelegt, welches am Zentrifugengehäuse fixiert ist und welches über getrenn­ te Kanäle und räumlich abgegrenzte Öffnungen dieser Kanä­ le für die Ein- und/oder Ausfuhr von Bestandteilen verfügt. Dieses Rohr tritt im Bereich der zentralen Rotationsachse über kreisförmige Öffnungen in die oben genannten zentralen Kompartimente des Zentrifugenrotorsystems ein, die alle über Gleitdichtungen, welche einen dichten Abschluß während der Zentrifugation gewährleisten, gegenüber dem Rohr mit seinen räumlich abgegrenzten Öffnungen separat abgedichtet sind. Am anderen Rohrende stehen die Kanäle für die Ein- und/oder Ausfuhr von Bestandteilen mit Schläuchen in Verbindung, die über Pumpen- und Ventilsysteme geführt werden, deren Zusam­ menwirken den geordneten Einstrom der zu trennenden Bestandteile und Ausstrom der aufgetrennten Bestandteile in unterschiedliche Sammelbeutel gewährleistet. Bei Verwen­ dung gleitdichtungsfreier Verfahren ist die Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung als mehrkanaliger kompakter Schlauch angelegt, der im Bereich der zentralen Rotationsachse gegenseitig zur Antriebsachse in das Zentrifugenrotorsystem eintritt und mit diesem fest in Verbindung steht. Ein Kanal im Schlauch mündet in einen radiär gerichteten Einfuhrstutzen, die anderen Kanäle in die Verbindungsleitungen zu den Anreicherungsorten der zu trennenden Bestandteile und des Zentrifugenüberstandes. Am anderen Schlauchende, daß in der Verlängerung der Rotationsachse am Gehäuse fixiert ist, stehen die Kanäle für die Ein- und/oder Ausfuhr von Be­ standteilen mit Schläuchen in Verbindung, die über Pumpen- und Ventilsysteme geführt werden, deren Zusammenwirken den geordneten Einstrom der zu trennenden Bestandteile und Ausstrom der aufgetrennten Bestandteile in unterschied­ liche Sammelbeutel gewährleistet. Der mehrkanalige kom­ pakte Schlauch wird ausgehend von der Fixierungsstelle am Zentrifugengehäuse außen um das Zentrifugenrotorsystem herumgeführt und tritt nach einer Drehung des Schlauch­ endes um 180 Grad von der Gegenseite im Bereich der zentralen Rotationsachse in das Zentrifugenrotorsystem ein. Über eine separate Vorrichtung wird der Schlauch während der Zentrifugation mit der halben Winkelgeschwindigkeit des Zentrifugenrotorsystems im gleichen Drehsinn um dieses herumgeführt. Dies gewährleistet eine stete Entdrillung ge­ mäß dem Prinzip der Omega-Zentrifugation. Beim Einsatz von Gleitdichtungen, bei der gleitdichtungsfreien Vorrich­ tung und bei Einfuhr über einen Einfuhrtrichter findet die Einfuhr der zu trennenden Bestandteile in das rotierende Zentrifugenrotorsystem im Bereich der zentralen Rotationsachse statt. Die zu trennenden Bestandteile ge­ langen dabei in einen radiär umgelenkten Einfuhrstutzen und werden gerichtet auf einen Fixpunkt im Bereich der Peripherie des Zentrifugenrotorsystems, der der Rotations­ bewegung des Zentrifugenrotorsystems folgt, radiärwärts eingeleitet. Unter der Wirkung der Zentrifugalkraft tritt im Füllmedium eine zum peripheren Fixpunkt des rotierenden Zentrifugenrotorsystems gerichtete Sedimentation der zu trennenden Bestandteile mit substanzspezifischer Sedimen­ tationsgeschwindigkeit ein. Gleichzeitig bewirkt eine sich zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung innerhalb des Zen­ trifugenrotorsystems, die über das flüssige Füllmedium indirekt mit den zu trennenden Bestandteilen in Kontakt tritt oder aber deren Elemente unmittelbar mit den zu trennenden Bestandteilen in Kontakt treten, eine zirkuläre Ablenkung der gerichtet sedimentierenden Bestandteile. Die Ablenkvorrich­ tung nimmt im Zentrifugenrotorsystem optimalerweise eine konzentrische Anordnung ein, sodaß ihre innere Begrenzung an der Öffnung des radiär umgelenkten Einfuhrstutzens vorbeizirkuliert. Die Ablenkvorrichtung besteht z. B. aus je einer ringförmigen konzentrischen Grund- und Deckplatte, wobei zwischen Grund- und Deckplatte poröses, faserartiges oder netzartiges Material angeordnet ist, daß wie beschrie­ ben direkt oder indirekt mit den zu trennenden Bestandteilen in Kontakt tritt. Die Materialien können dabei in austausch­ baren Hülsen abgepackt sein, die in die Ablenkvorrichtung eingesetzt werden können. Dies gewährleistet eine Adapta­ tion an unterschiedliche Trennvorgänge durch einfachen Ma­ terial- bzw. Hülsenwechsel. Die Materialien beeinflussen das Sedimentationsverhalten der zu trennenden Bestandteile und verstärken die Auftrennung. Je nach Beschaffenheit der Ma­ terialien wird eine primäre Auflagerung der zu trennenden Bestandteile auf die Materialien stattfinden, bevor die Bestandteile durch sie hindurch sedimentieren. Zudem ver­ meiden die Materialien laminare oder turbulente Flüssigkeits­ ströme der Füllmedien oder eventueller Trägermedien der zu trennenden Bestandteile innerhalb der Ablenkvorrichtung. Bei der Blutzellseparation hat sich ein poröses Material bestehend aus gepackten Mikrokugeln bewährt. Diese Mikro­ kugeln müssen aus einer biokompatiblen Substanz bestehen und sollten optimalerweise einen Durchmesser zwischen 0,15-0,6 mm haben. Falls eine Herstellung von Blutprodukten zum Zwecke der Transfusion vorgesehen ist, sind sie steril einzusetzen. Lamellen, die zwischen Grund- und Deckplatte angeordnet sind und die radiäre Richtungskomponenten beinhalten, verbessern die Effizienz der Ablenkvorrichtung, da sie zirkuläres Abdriften innerhalb der Ablenkvorrichtung vermeiden. Alternativ können Kanäle oder Kapillaren mit radiären Richtungskomponenten in einer Ablenkvorrichtung zirkulär hintereinanderfolgend angeordnet sein und eine Füllung mit den genannten Materialien beinhalten. Die Kanäle sollten an der inneren Begrenzung der Ablenkvorrichtung unmittelbar aneinander angrenzen. Weiter sollten sie konisch zulaufen und sich von innen nach außen hin verjüngen. Darüberhinaus kann die gesamte Ablenkvorrichtung an ihrer inneren Begrenzung konisch aufgeweitet sein. Dies gewährleistet, daß über den Einfuhrstutzen radiärwärts eingeleitete Bestandteile in die Ablenkvorrichtung gelangen und nicht etwa vorbeiströmen. Das Ausmaß der Ablenkung der zu trennenden Bestandteile, bzw. ihr Ablenkwinkel, der in Bezug zur Verbindungslinie von Rotationsachse und Fixpunkt erzielt wird, ist abhängig von der relativen Drehgeschwindigkeit der Ablenkvorrichtung gegenüber dem Zentrifugenrotorsystem und von der Verweildauer der verschiedenen Bestandteile innerhalb der Ablenkvorrich­ tung. Die Verweildauer wird wiederum von der Sedimen­ tationsgeschwindigkeit der zu trennenden Bestandteile be­ stimmt und ist u. a. abhängig von ihrer Dichte und Größe und ihrer Wechselwirkung mit den Materialien innerhalb der Ablenkvorrichtung. Der Zusatzantrieb der Ablenkvor­ richtung könnte z. B. aus einem Schrittmotor oder einem Getriebemotor bestehen. Dieser kann unmittelbar im Zen­ trifugenrotorsystem installiert sein, und zwar coaxial zur Antriebsachse des Zentrifugenrotorsystems oder aber exzentrisch unmittelbar benachbart zur inneren Begrenzung der Ablenkvorrichtung. Dabei besteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Ablenkvorrichtung und dem Zu­ satzantrieb. Bei coaxialem Zusatzantrieb ist die Ablenk­ vorrichtung über eine direkte Verbindung zum Zusatz­ antrieb kraftschlüssig verbunden, bei exzentrischem Zusatz­ antrieb findet eine kraftschlüssige Verbindung z. B. über ein Zahnrad an der Drehachse des Zusatzantriebes und einen konzentrischen Zahnkranz an der Ablenkvorrichtung statt. Bei exzentrischem Zusatzantrieb muß die Ablenkvorrich­ tung weiter von einer konzentrischen Lagervorrichtung geführt werden, bestehend aus Lager am Zentrifugen­ rotorsystem und Gegenlager an der Ablenkvorrichtung. Bei coaxialen Zusatzantrieb dient der Zusatzantrieb gleichzeitig als Lagervorrichtung. Der Zusatzantrieb der Ablenkvorrich­ tung kann aber auch außen am Zentrifugenrotorsystem installiert sein. Dabei kann er in gleicher Weise wie der interne Zusatzantrieb coaxial oder exzentrisch lokalisiert sein. Die Drehachse des Zusatzantriebes der Ablenkvor­ richtung tritt dann über eine Gleitdichtung in das Zentri­ fugenrotorsystem ein. Hier tritt sie wie für den internen Zusatzantrieb beschrieben in kraftschlüssiger Verbindung zur Ablenkvorrichtung. Die coaxiale Drehachse des Zusatz­ antriebes wird dabei gleichzeitig als Lagervorrichtung dienen. Ein externer coaxialer Zusatzantrieb der Ablenk­ vorrichtung kann entweder nach dem Achse-/Hohl­ achsenprinzip funktionieren, d. h. die Hohlachse treibt das Zentrifugenrotorsystem an, die Achse tritt über eine Gleitdichtung in das Zentrifugenrotorsystem ein und treibt die Ablenkvorrichtung an. Alternativ kann ein externer coaxialer Zusatzantrieb für die Ablenkvorrichtung jedoch auch mit auf der Antriebsachse des Zentrifugenrotorsystems platziert werden. Dabei könnte das Gehäuse des Zusatzantriebes der Ablenkvorrichtung gleichzeitig als ver­ längerte Antriebsachse des Zentrifugenantriebs fungieren. Das Gehäuse des Zusatzantriebes der Ablenkvorrichtung steht dann axial in kraftschlüssiger Verbindung zum Zentrifugenrotorsystem. Die Drehachse des Zusatzantriebes der Ablenkvorrichtung tritt coaxial über eine Gleitdichtung in das Zentrifugenrotorsystem ein und steht in kraftschlüssi­ ger Verbindung zur Ablenkvorrichtung. Die Energieversor­ gung des Zusatzantriebes der Ablenkvorrichtung kann über einen Akkumulator stattfinden, der am oder im Zentrifugen­ rotorsystem angebracht ist. Alternativ kann die Energiever­ sorgung über Gleitkontakte im Bereich der Rotorachse oder elektromagnetisch nach dem Dynamoprinzip stattfinden. Dabei sind Spulen im Zentrifugenrotorsystem zu platzieren, die während der Zentrifugation an Magneten im Bereich des Zentrifugengehäuses vorbeirotieren. Letztlich kann die Energiezufuhr auch nach dem Prinzip der Omega-Zentrifu­ gation stattfinden. Dabei muß der kompakte Schlauch neben separaten Kanälen für die zu trennenden Bestandteile, die aufgetrennten Bestandteile und den Zentrifugenüberstand auch Kabel für die Energieversorgung und Ansteuerung der Ablenkvorrichtung beinhalten. Im Anschluß an die Passage der Ablenkvorrichtung und der unterschiedlich starken zir­ kulären Ablenkung durch die Ablenkvorrichtung werden die aufgetrennten Bestandteile durch eine Auffangvorrich­ tung in verschiedene Behälter oder Kavitäten geleitet. Auffangvorrichtung und Behälter oder Kavitäten sind entlang der peripheren Zirkumferenz des Zentrifugenrotor­ systems angeordnet. Die Auffangvorrichtung grenzt unmit­ telbar an die äußere Begrenzung der Ablenkvorrichtung an, die idealerweise konzentrisch verläuft. Die Auffangvorrich­ tung besteht aus keil- oder trichterförmig sich nach außen hin verjüngend zulaufenden Elementen, die an ihrer inneren der Ablenkvorrichtung zugewandten Begrenzung unmittel­ bar aneinander angrenzen. Die keil- oder trichterförmig zu­ laufenden Elemente dürfen keine Stoßkanten beinhalten, da sich hier Bestandteile verfangen könnten. Alle Kanten sind abzurunden. Die keil- oder trichterförmig zulaufenden Elemente sollten nicht stumpfwinklig zulaufen, da sonst die Sedimentation in die Behälter oder Kavitäten behindert wird. Nach außen hin verjüngen sich die keil- oder trichterförmigen Elemente und münden entweder direkt in Behälter oder Kavitäten oder münden über eine Rohrleitung in die Behälter oder Kavitäten ein. Diese Rohrleitung kann bedarfsweise eine Diskonnektionsstelle beinhalten. Dabei können abgedichtete Steck- oder Schraubverbindungen in der Rohrleitung den Kontakt zwischen Auffangvorrichtung und Behälter oder Kavitäten herstellen. In die Steck- oder Schraubverbindungen können Ventile integriert sein, die bei Diskonnektion unmittelbar einen dichten Abschluß gewähr­ leisten. Alternativ können vor den Steck- oder Schraubver­ bindungen Absperrhähne angebracht sein, die einen einseiti­ gen oder beidseitigen Verschluß der Diskonnektionsstellen ermöglichen. Dies gewährleistet die Abnahme und gegebe­ nenfalls das Auswechseln von Behältern oder Kavitäten. Die Rohrleitung kann jedoch auch nur über einen Absperrhahn verfügen ohne Diskonnektionsstelle. Hierüber könnte das Zentrifugenrotorsystem verschlossen werden, bevor man die Behälter oder Kavitäten öffnet, entleert und gegebenen­ falls mit Füllmedium wieder auffüllt. Die Behälter und Kavitäten verfügen an Boden, Seite oder Decke über einen Verschlussmechanismus, der eine unkomplizierte Entnahme der aufgetrennten Bestandteile sicherstellt. Der geordnete Ablauf des Separationsvorganges kann bedarfsweise durch eine Zentraleinheit, die die Zentrifugengeschwindigkeit, die Pumpvorgänge und die Ventilbewegungen steuert, sicherge­ stellt werden. Dabei kann die Zentraleinheit über eine Vor­ richtung zur Trübungsmessung oder zur kolorimetrischen Messung, die entweder im Bereich der Ablenkvorrichtung, der Auffangvorrichtung oder der Behälter oder Kavitäten installiert ist, mit Informationen über den Trennvorgang versorgt werden, sodaß eine Prozesskontrolle ermöglicht wird. Dabei könnte alternativ das reflektierte oder das transmittierte Licht gemessen werden, daß von einer Strahlungsquelle in Richtung auf die genannten Kompo­ nenten des Zentrifugenrotorsystems ausgestrahlt wird. Die genannten Komponenten müssten entsprechend über licht­ durchlässige (optische) Fenster verfügen. Zum Vorfüllen des Zentrifugenrotorsystems mit einem jeweils geeigneten Füllmedium könnte falls erforderlich ein Entlüftungs­ mechanismus integriert werden. In aller Regel füllt sich jedoch ein verfahrensgemäßes Zentrifugenrotorsystem, vor­ ausgesetzt das der Füllvorgang bei Rotation erfolgt, selbst­ ständig von außen nach innen hin auf. Die Luft entweicht über den Auslaßkanal für den Zentrifugenüberstand. Ein Teil der Komponenten oder alle Komponenten des Zentrifugen­ rotorsystems können für bestimmte Anwendungen, z. B. im Bereich der Blutzellseparation als Einwegartikel aus biokom­ patiblem Material konfiguriert werden. Sinnvoll erschiene zum Beispiel einen Block aus Separationskammer, Ein- /Ausfuhrvorrichtung, Schläuche, Ablenkvorrichtung, Auf­ fangvorrichtung, Behälter oder Kavitäten als Kunststoffein­ malartikel zu konfigurieren. Die Antriebseinheiten werden dann günstigerweise fest im Zentrifugengehäuse installiert. Der Kunststoffeinwegartikel würde dann vor einem Separa­ tionsvorgang an die Antriebseinheiten fest angeschlossen.

Als Behälter oder Kavitäten könnten z. B. auch sterile Blut­ beutel eingesetzt werden, die über gut zugängliche Kunst­ stoffröhren oder Schläuche an die Auffangvorrichtung ange­ schlossen sind, sodaß sie nach Separationsende steril abgeschweißt oder abgetrennt werden können. Speziell bei Zellseparationsanwendungen am Blutspender oder Patienten ist in den Blutschlauch, der für die Rückgabe des Ausgangs­ stoffes (Blut) oder des Zentrifugenüberstandes (Plasma) be­ stimmt ist, aus sicherheitstechnischen Gründen eine Luftfal­ le, ein Luftdetektor und ein Transfusionsfilter zu integrieren. Die Luftfalle besteht aus einem senkrecht stehenden Zylinder durch den das Blut von oben nach unten durchgeleitet wird. Vorhandene Luftblasen steigen im Zylinder auf und entziehen sich dem Blutstrom. Über dem Blutschlauch oder der Luftfalle ist ein optischer Sensor oder ein Ultraschall­ sensor zu installieren, der Luft im Blutschlauch oder in der Luftfalle registriert und diese Information an die Zentral­ einheit meldet. Ein biokompatibler Transfusionsfilter mit einer Porengröße von etwa 150 µm ist Bestandteil des Blutschlauches. Er verhindert, daß Blutgerinnsel in die Blutzirkulation des Spender oder Patienten gelangen. Falls eine Trennung von subzellulären Strukturen, Proteinge­ mischen, Viren oder allgemein von feinsten Strukturen oder Substanzen (radioaktive Isotopen) vorgenommen werden soll, müssen Ultrazentrifugationsbedingungen erreicht wer­ den. Dazu ist es nötig, daß das Zentrifugengehäuse luftdicht abschließbar ist und über eine Vakuumpumpe evakuiert werden kann. Auf diese Weise werden Luftreibungs­ einflüsse bei hohen Drehzahlen minimiert. Weiter sollten besonders hitzebeständige Gleitdichtungen verwendet wer­ den. Bei den allgemein zur Durchflußzentrifugation verwendeten Silikongleitdichtungen wäre gegebenenfalls eine zusätzliche Kühlvorrichtung, z. B. peltierelement­ gesteuert oder durch Verwendung eines separaten Kühl­ kreislaufes zu gewährleisten, um einer hitzebedingten Zerstörung entgegenzuwirken. Außerdem ist das Zentrifu­ gengehäuse aus sicherheitstechnischen Gründen besonders robust zu konfigurieren, sodaß selbst bei plötzlich eintretendem Rotorschaden bei der Zentrifugation keine Sicherheitsrisiken für die Umgebung entstehen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen in einer hochselektiven Abtrennung der zu trennenden Bestandteile mit höchstmöglicher Trennschärfe.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. I zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Sortierzentri­ fuge, wobei die wesentlichen Bestandteile herausgestellt werden. Auf die Darstellung von Schläuchen, Pumpen und Ventilen wurde bewußt verzichtet.

Fig. II zeigt einen Horizontalschnitt durch eine Sortierzen­ trifuge, wobei die wesentlichen Bestandteile herausgestellt werden. Auf die Darstellung des Gehäuses wurde hierbei der Übersichtlichkeit halber verzichtet.

Fig. III zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Sortierzen­ trifuge im Horizontalschnitt. Hierbei ist der Separationsvor­ gang bei Zentrifugenbetrieb angedeutet.

In Fig. I ist ein zirkulär konfiguriertes Zentrifugenrotor­ system, das eine zirkuläre Separationskammer (5), eine zirku­ lär bewegliche Ablenkvorrichtung (6) innerhalb der Separa­ tionskammer (5), einen radiär umgelenkten Einfuhrstutzen (13), eine Auffangvorrichtung (9), Behälter oder Kavitäten (10) und eine Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung (4) beinhal­ tet, zentral in einem Zentrifugengehäuse (1) installiert. Dabei befindet sich an der Basis des Zentrifugengehäuses (1) der Zentrifugenantrieb (2) mit senkrecht nach oben ausgerich­ teter Antriebsachse (3). Zwischen der Antriebsachse (3) des Zentrifugenantriebes (2) und dem Zentrifugenrotorsystem ist in coaxialer Bauweise ein Zusatzantrieb (7) befestigt, dessen Drehachse (8) über eine axiale Öffnung von der Grundseite her in die Separationskammer (5) des Zentrifugenrotor­ systems eintritt. Eine Gleitdichtung (12) im Bereich dieser Öffnung gewährleistet einen flüssigkeitsdichten Abschluß. Gleichzeitig tritt eine als kompaktes mehrkanaliges Rohr angelegte Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung (4), die mittels einer Befestigung (11) am Zentrifugengehäuse (1) fixiert ist, von der Deckseite her über axiale Öffnungen in räumlich abgegrenzte zentrale Kompartimente der Separationskam­ mer (5) ein. Auch hierbei gewährleisten Gleitdichtungen (12) einen flüssigkeitsdichten Abschluß der Kompartimente ge­ genüber dem Rohr und den räumlich abgegrenzten separa­ ten Öffnungen der Kanäle im Rohr. Ein zentrales Komparti­ ment mündet in einen radiär umgelenkten Einfuhrstutzen (13). Ein zweites Kompartiment bildet der zentrale Bereich der Separationskammer (5), in dem sich der Zentrifugenüber­ stand sammelt. Im Separationskammerbereich ist weiter eine sich zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung (6) in konzen­ trischer Anordnung installiert. Die Ablenkvorrichtung (6) beinhaltet radiär ausgerichtete konisch zulaufende Kanäle, die an der inneren Begrenzung der Ablenkvorrichtung (6) unmittelbar aneinander angrenzen und die sich nach außen hin verjüngen. Die Kanäle sind mit einem porösem Material (14) aufgefüllt. Die innere Begrenzung der Ablenkvorrichtung (6) grenzt an den radiär umgelenkten Einfuhrstutzen (13) an. An der Grundseite ist die Ablenkvorrichtung (6) über Streben mit der Drehachse (8) des Zusatzantriebes (7) verbunden. An der äußeren Begrenzung der Ablenkvorrichtung (6) grenzt in­ nerhalb der Separationskammer (5) die Auffangvorrichtung (9) an. Die Auffangvorrichtung (9) besteht aus keilförmigen sich nach außen hin verjüngend zulaufenden Elementen, die an ihrer inneren der Ablenkvorrichtung (6) zugewandten Begrenzung unmittelbar aneinander angrenzen. Nach außen hin münden die keilförmigen Elemente über Rohrleitungen in Behälter oder Kavitäten (10) ein, die entlang der gesamten peripheren Zirkumferenz des Zentrifugenrotorsystems posi­ tioniert sind.

In Fig. II sind im zentralen Bereich der Separationskammer (5) ein Kanal der Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung (4), das zentrale Kompartiment des radiär umgelenkten Einfuhrstut­ zens (13) und der radiär umgelenkte Einfuhrstutzen (13) horizontal angeschnitten. Nach außen angrenzend befindet sich in einer konzentrischen Anordnung die Ablenkvorrich­ tung (6) mit ihren Kanälen. Die Kanäle sind radiär ausge­ richtet, konisch nach außen hin verjüngend zulaufend und mit porösem Material (14) aufgefüllt. An der äußeren Begren­ zung der Ablenkvorrichtung (6) grenzt innerhalb der Separa­ tionskammer (5) die Auffangvorrichtung (9) an. Die Auffang­ vorrichtung (9) besteht aus keilförmigen sich nach außen hin verjüngend zulaufenden Elementen, die an ihrer inneren der Ablenkvorrichtung (6) zugewandten Begrenzung unmittel­ bar aneinander angrenzen. Nach außen hin münden die keilförmigen Elemente über Rohrleitungen in Behälter oder Kavitäten (10) ein, die entlang der gesamten peripheren Zir­ kumferenz des Zentrifugenrotorsystems positioniert sind.

In Fig. III treten aus dem radiär umgelenkten Einfuhrstutzen (13) die zu trennenden Bestandteile einer Suspension ein, und zwar gerichtet auf einen Fixpunkt, der sich in der Verlängerungslinie des radiär umgelenkten Einfuhrstutzens (13) in der Peripherie des Zentrifugenrotorsystems befindet. Die zu trennenden Bestandteile der Suspension sind als homogene ovale Wolken angedeutet. Die Auftrennung unter der Wirkung der Zentrifugalbeschleunigung und die Vertei­ lung auf die Behälter (10) ist hier in einer Momentaufnahme wiedergegeben. Schnell sedimentierende Bestandteile reichern sich in den Behältern oder Kavitäten (10) nahe zum Fixpunkt an. Langsam sedimentierende Bestandteile gelan­ gen in Behälter oder Kavitäten (10), die weiter entfernt angeordnet sind.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur effizienz- und/oder selektivitätsgesteiger­ ten Sortierzentrifugation oder Sortierdurchflußzentrifugation mit einem in einem Zentrifugengehäuse (1) befindlichen Zentrifugenantrieb (2), der einseitig über eine Antriebsachse (3) ein Zentrifugenrotorsystem antreibt, welches eine Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung (4) für die zu trennenden Bestandteile und die aufgetrennten Bestandteile, eine kon­ zentrisch angeordnete Separationskammer (5) mit zirkulär bewegender Ablenkvorrichtung (6), einen Zusatzantrieb (7) für die zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung (6) und eine Auffangvorrichtung (9), Behälter oder Kavitäten (10) für die aufgetrennten Bestandteile beinhaltet, wobei die Ein- und/ oder Ausfuhrvorrichtung (4) über eine Befestigung (11) am Zentrifugengehäuse (1) fixiert ist, wobei die Kanüle der Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung (4) über Schläuche an Pumpensysteme und Ventile angeschlossen sind, wobei die Ein- und/oder Ausfuhrvorrichtung (4) mit ihren Kanälen gegenseitig zur Antriebsachse (3) axial über mit Gleit­ dichtungen (12) versehene Öffnungen in das Zentrifugen­ rotorsystem eintritt, wobei der Einfuhrkanal in einen radiär umgelenkten Einfuhrstutzen (13) einmündet, der im Bereich der Separationskammer (5) unmittelbar an die innere Begrenzung der konzentrisch angeordneten zirkulär bewe­ genden Ablenkvorrichtung (6) angrenzt, wobei der Zusatz­ antrieb (7) der Ablenkvorrichtung (6) über eine motor­ betriebene coaxial zur Antriebsachse (3) des Zentrifugen­ antriebs angeordnete Drehachse (8) verfügt, die über eine Gleitdichtung (12) in das Zentrifugenrotorsystem eintritt und dort in kraftschlüssiger Verbindung zur Ablenkvorrichtung (6) steht, wobei die konzentrisch angeordnete Ablenkvor­ richtung (6) ihrerseits im Bereich der Rotorperipherie an die Auffangvorrichtung (9) angrenzt, die die aufgetrennten Bestandteile aufnimmt und in Behälter oder Kavitäten (10) einleitet, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung (6) ein poröses, faserartiges oder netzartiges Material (14) beinhaltet, wodurch die Sedimen­ tationsgeschwindigkeit der verschiedenen Bestandteile beeinflusst und deren Auftrennung verstärkt wird und/oder wodurch laminare oder turbulente Flüssigkeitsströme der Füll- oder Trägermedien innerhalb der zirkulär bewegenden Ablenkvorrichtung (6) gedrosselt oder vermieden werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung (6) in gleichen Abständen radiär gerichte­ te Lamellen, Kanäle oder Kapillaren bzw. Lamellen, Kanäle oder Kapillaren mit radiären Richtungskomponenten bein­ haltet, die mit dem porösem, faserartigem oder netzartigem Material gefüllt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung (6) in gleichen Abständen konisch zulau­ fende Kanäle mit radiären Richtungskomponenten beinhal­ tet, die sich von innen nach außen hin verjüngen, die an der inneren Begrenzung der Ablenkvorrichtung (6) unmittelbar aneinander angrenzen und die mit dem porösem, faserartigem oder netzartigem Material gefüllt sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse, faserartige oder netzartige Material in separaten Hülsen abgepackt ist, die von ihrer Paßform genau in vorgesehene Bereiche der Ablenkvorrichtung (6) oder der Lamellen oder Kanäle der Ablenkvorrichtung (6) eingesetzt werden können, sodaß auf leichte Weise eine Adaptation an verschiedene Trenn­ vorgänge durch Austausch der materialbefüllten Hülsen erzielt werden kann.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitdichtungen (12) aus hitzebeständigen Materialien bestehen und für Ultrazentrifu­ gationsanwendungen zusätzlich durch ein Kühlsystem ge­ kühlt werden, um einer hitzebedingten Zerstörung entgegen­ zuwirken.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzantrieb (7) für die zirkulär bewegende Ablenkvorrichtung (6) entweder über Akkumulatoren am oder im Zentrifugenrotorsystem, über axiale Schleifkontakte, elektromagnetisch nach dem Dyna­ moprinzip oder über im Zufuhrschlauch integrierte Kabel, die nach dem Prinzip der Omega-Zentrifugation in die rotierende Zentrifuge eingeleitet werden, mit Energie versorgt wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangvorrichtung (9) un­ mittelbar an die äußere Begrenzung der Ablenkvorrichtung (6) angrenzt, daß die Auffangvorrichtung (9) aus keil- oder trichterförmig sich nach außen hin verjüngend zulaufenden Elementen besteht, die an ihrer inneren der Ablenkvorrich­ tung (6) zugewandten Begrenzung aneinander angrenzen und daß die keil- oder trichterförmigen Elemente entweder direkt in Behälter oder Kavitäten (10) einmünden oder über Rohrleitungen in diese einmünden.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Komponenten oder alle Komponenten des Zentrifugenrotorsystems als Einweg­ artikel oder als sterilisiertes geschlossenes Einwegsystem aus biokompatiblen Material ausgelegt sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter oder Kavitäten aus sterilen Blutbeuteln bestehen, die über gut zugängliche Kunststoffröhren oder Schläuche an die Auffangvorrichtung (9) im Zentrifugenrotorsystem angeschlossen sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behälter oder Kavitäten (10) über Rohrleitungen und/oder Steck- bzw. Schraubverbin­ dungen mit der Auffangvorrichtung (9) des Zentrifugenrotor­ systems in Kontakt stehen, wobei in den Steck- bzw. Schraubverbindungen Ventile integriert sind, die bei Dis­ konnektion sofort einen dichten Abschluß gewährleisten oder wobei an den Steck- bzw. Schraubverbindungen Absperrhähne angebracht sind, die einen Verschluß vor Öffnung oder Diskonnektion der Behälter oder Kavitäten (10) ermöglichen oder wobei Rohrleitungen die Behälter oder Kavitäten mit der Auffangvorrichtung (9) verbinden und Absperrhähne in den Rohrleitungen einen Abschluß des Zentrifugenrotorsystems vor Öffnung der Behälter oder Kavitäten (10) ermöglichen.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrifugengehäuse (1) luftdicht verschließbar ist und für Ultrazentrifugenanwendun­ gen durch eine Vakuumpumpe evakuiert werden kann.