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Die
Erfindung betrifft ein Probennahmesystem für fluide Proben
und ein Ventil für ein solches Probennahmesystem.
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Die
Beprobung von Reaktionen oder Verfahrensabläufen in fluiden
Medien ist in vielen Prozessen notwendig, um eine ausreichende Charakterisierung
und Überwachung der Reaktionsabläufe zu gewährleisten.
Dies betrifft insbesondere den Bereich der Biotechnologie, Pharma-
und Chemieindustrie, wo häufig Reaktoren wie Rührreaktoren
oder anderweitige Bioreaktoren eingesetzt werden, aus denen in bestimmten,
beispielsweise regelmäßigen Zeitabständen
Proben entnommen werden müssen. Ähnliche Probennahmesysteme
kommen aber auch im Bereich der Umwelttechnik und Umweltanalytik
zum Einsatz. Da der Aufwand für eine automatisierte Beprobung
solcher Reaktionen und Verfahren sehr groß ist, wird eine
solche Beprobung vor allem im Laborbereich meist manuell durchgeführt,
gegebenenfalls auch von wenig geschultem Personal.
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Zur
manuellen Probennahme werden bei Reaktoren beispielsweise Hähne
und Ventile an der Unterseite oder im Boden des Reaktors verwendet. Im
Labormaßstab werden jedoch häufig Reaktoren aus
Glas verwendet, wobei das Vorsehen von Durchlässen für
Hähne und Ventile in Wandungen aus Glas sehr aufwändig
ist. Solche Glasreaktoren werden daher typischerweise am Deckel
beprobt. Eine manuelle Probennahme wird häufig durchgeführt,
indem die Probe mit einer Spritze durch ein Ansaugrohr angesaugt
oder unter Einsatz einer Pumpe aus dem Glasreaktor herausbefördert
wird. Alterna tiv kann die Beprobung mit Hilfe von Tauchrohren durchgeführt
werden, wobei das Tauchrohr in eine Flüssigkeit im Reaktor
eintaucht und das Volumen oberhalb der Flüssigkeit unter
Druck gesetzt wird.
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Diese
Beprobungsverfahren besitzen jedoch erhebliche Nachteile. Zum einen
besitzen solche Ansaug- oder Tauchrohre typischerweise einen Innendurchmesser
von mehr als 3 mm und somit ein großes Volumen, so dass
bei der Probennahme ein großes Totvolumen entsteht. Dies
kann zum einen eine Verfälschung der Probe bewirken, da
in dem Totvolumen chemische Reaktionen möglicherweise nicht oder
nur verzögert stattfinden. Zum anderen bedeutet ein solches
großes Totvolumen einen entsprechend großen Probenverlust
bei jeder Beprobung, was insbesondere bei kleinen Volumina innerhalb
eines Reaktors nachteilig ist. Es ist auch nachteilig, wenn der
Reaktor zur Beprobung geöffnet werden muss. Zudem gewährleisten
solche Probennahmesysteme meist keine unmittelbare Weiterverarbeitung
und Lagerung der entnommenen Probe.
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Bei
jeder manuellen Beprobung stellt sich das Problem der Reproduzierbarkeit
beispielsweise bezüglich der Probenmenge. Weiterhin muss
eine Kontamination des Reaktorinhalts durch die Beprobung ausgeschlossen
werden, ebenso wie ein Austreten des Reaktorinhalts in die Umgebung,
um eine Gefährdung des Bedienpersonals auszuschließen. Die
Problematik verstärkt sich, wenn die Probennahme durch
wenig geschultes Personal durchgeführt wird.
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Ein
Probennahmesystem zur manuellen Entnahme kleinvolumiger fluider
Proben ist aus der
WO 2007/042323 bekannt.
Dabei kommen Probenaufnahmegefäße in Form von
evakuierten, kommerziell erhältlichen Proberöhrchen
zum Einsatz, wie sie beispielsweise unter der Bezeichnung Vacutainer
® von der Firma BD-Science vertrieben
werden. Ein solches Probenaufnahmegefäß ist in
8 dargestellt. Es
umfasst ein offenes zylindrisches Glasröhrchen das mit
einem Septum verschlossen ist. Zur Probennahme wird das Septum
3 mit
einer Hohlnadel durchstochen und die Probe in das Probenaufnahmegefäßes
eingebracht. Nach der Probennahme wird die Hohlnadel wieder entfernt,
wobei das Septum das Probenaufnahmegefäß hermetisch
dicht abschließt.
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Gemäß der
WO 2007/042323 wird
das Probenaufnahmegefäß in einem Handstück
gehaltert und anschließend in eine Messsonde eingeführt,
die sich permanent in dem zu beprobenden Reaktor befindet. Die Messsonde
ist am Reaktordeckel befestigt und erstreckt sich senkrecht nach
unten. Am unteren Ende der Messsonde befindet sich ein Ventil mit
einer Hohlnadel, welche das Septum des Probenaufnahmegefäßes
wie oben beschrieben durchstößt. Durch Aufsetzen
des in dem Handstück gehalterten Probenaufnahmegefäßes
auf das Ventil öffnet sich dieses. Durch den im Probenaufnahmegefäß vorliegenden
Unterdruck wird ein definiertes Probevolumen dem Reaktor entnommen.
Beim Herausziehen des Probenaufnahmegefäßes aus
der Messsonde schließt das Ventil, so dass eine Kontamination
des Reaktorinhaltes oder der Umgebung vermieden wird. Das gefüllte
Probenaufnahmegefäß steht nach Probennahme unmittelbar
zur Weiterverarbeitung, beispielsweise Zentrifugation oder Lagerung,
zur Verfügung. Dieses Probennahmesystem gestattet eine
reproduzierbare Probennahme und weist ein geringes Totvolumen auf.
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Nachteilig
bei dem in der
WO 2007/042323 beschriebenen
Probennahmesystem ist jedoch das nicht unerhebliche Volumen der
Messsonde innerhalb des Reaktorvolumens. In diesem Probennahmesystem
ist das Ventil an der Unterseite der Messsonden angeordnet, was
ein vollständiges Einführen des Probenaufnahmegefäßes
in die Messsonde erfordert. Das Probenaufnahmegefäß besitzt
an der breitesten Stelle, dem Septum
3, einen Durchmesser von
15 mm. Entsprechend besitzt die Messsonde in dem Reaktor einen Außendurchmesser
von 16 mm oder darüber. Hierdurch ist das resultierende,
von der Messsonde beanspruchte Volumen innerhalb des Reaktors jedoch
vor allem für kleine, miniaturisierte Reaktoren mit einem
Füllvolumen von beispielsweise kleiner als 500 ml erheblich.
Neben Platzproblemen stört das innerhalb des Reaktors benötigte
Volumen der Messsonde auch die Prozessabläufe. Ein weiterer
Nachteil ist, dass der Mindestdurchmesser von 16 mm der Messsonde
größer ist als der Durchmesser der Einbaustutzen,
die typischerweise in miniaturisierten Reaktoren verwendet werden.
Dieser liegt beispielsweise bei 12 bis 13 mm. Daher ist die Verwendung
der aus der
WO 2007/042323 bekannten Messsonde
in miniaturisierten Reaktoren nicht oder nur schwer möglich.
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Ein
weiterer Nachteil des beschriebenen Probennahmesystems ist die notwendige
Verwendung eines Handstücks zur Einführung des
Probenaufnahmegefäßes in die Messsonde. Dies stellt
einen zusätzlichen Fertigungs- und Handhabungsaufwand dar.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Probennahmesystem für einen Behälter
mit einem Ventil anzugeben, das eine vereinfachte Handhabung gestattet und
ein verringertes Volumen beansprucht, das dabei jedoch die Verwendung
der bekannten Probenaufnahmegefäße gestattet und
weiterhin eine kontaminationsfreie und reproduzierbare Probennahme bei
geringem Totvolumen gestattet. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung,
ein entsprechendes Ventil und einen entsprechenden Behälter
anzugeben.
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Eine
denkbare Verbesserung des bekannten Probennahmesystems wäre
es, Probenaufnahmegefäße mit verringertem Durchmesser
zu verwenden, was prinzipiell auch die Verwendung einer Messsonde
mit geringerem Durchmesser ermöglicht. Probenaufnahmegefäße
mit solch verringerter Breite sind jedoch kommerziell nicht erhältlich
und würden auch nur eine geringfügige Verringerung
des Durchmessers der Messsonde gestatten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dagegen die Erkenntnis zugrunde, dass
eine geeignete Umgestaltung des aus der
WO 2007/042323 bekannten Ventils
die Verwendung eines Probenentnahmerohrs mit erheblicher Länge
möglich wird. Der Ort der Probennahme, der sich an einer
ersten Öffnung an einem ersten Ende des Probenentnahmerohrs
befindet, und der Ort der Befüllung eines Probenaufnahmegefäßes,
der sich an einer zweiten Öffnung beispielsweise in der
Nähe eines zweiten Endes des Probenentnahmerohrs befindet,
können somit weit voneinander entfernt vorgesehen werden.
Dieser zusätzliche Freiheitsgrad bei der Ausgestaltung
des Probennahmesystems gestattet es, dessen Platzbedarf vor allem
im Inneren eines zu beprobenden Behälters zu minimieren.
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Das
erfindungsgemäße Ventil zur Entnahme von fluiden
Proben umfasst einen Ventilkörper, ein Probenentnahmerohr
und eine im Inneren des Ventilkörpers angeordnete Verschlussvorrichtung.
Ventilkörper und Probenentnahmerohr sind fest miteinander
verbunden. Das Probenentnahmerohr ist vorzugsweise ein Kapillarrohr,
wie eine Kanüle oder eine Hohlnadel, mit einer zylindrischen
Wandung und einem innen liegenden Hohlraum. Der Innendurchmesser
des Probenentnahmerohrs liegt zwischen 0,1 und 1,0 mm beispielsweise
0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,8 oder 1,0 mm, wobei die genannten
Einzelwerte Bereichsgrenzen des genannten Bereichs sein können. Das
Probenentnahmerohr ist zumindest teilweise im Inneren des Ventilkörpers
an geordnet und verläuft dort abschnittsweise, vorzugsweise
vollständig geradlinig. Außerhalb des Ventilkörpers
kann das Probenentnahmerohr gebogen oder geradlinig verlaufen. Das
Probenentnahmerohr besitzt ein erstes Ende mit einer ersten Öffnung
und ein zweites Ende, welches vorzugsweise als Spitze ausgebildet
ist. Das Probenentnahmerohr weist im Inneren des Ventilkörpers
eine zweite Öffnung in seiner zylindrischen Wandung auf.
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Weiterhin
umfasst das erfindungsgemäße Ventil eine Verschlussvorrichtung,
welche im Inneren des Ventilkörpers angeordnet ist. Die
Verschlussvorrichtung ist entlang des Abschnitts, in dem das Probenentnahmerohr
im Innern des Ventilkörpers geradlinig verläuft,
in axialer Längsrichtung des Probenentnahmerohrs verschiebbar
und umfasst ein an der Verschlussvorrichtung fest angeordnetes Abdichtmittel,
welches beim axialen Verschieben der Verschlussvorrichtung entlang
des Probenentnahmerohrs verschoben wird. In einer ersten Lage der
Verschlussvorrichtung verschließt das Abdichtmittel die zweite Öffnung
des Probenentnahmerohrs vollständig. Die Verschlussvorrichtung
wird durch eine Ausnehmung im Inneren des Ventilkörpers
geführt und gestattet somit dessen axiale Verschiebung
entlang des Probenentnahmerohrs. Beispielsweise besitzt die Verschlussvorrichtung
eine zylindrische Form und wird in einer zylindrischen Ausnehmung
in dem Ventilkörper verschoben. Das innerhalb des Ventilkörpers
zumindest abschnittsweise geradlinig verlaufende Probenentnahmerohr
bildet dann in diesem Abschnitt die Zylinderachse der zylindrischen
Ausnehmung in dem Ventilkörper.
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Das
Abdichtmittel ist so aufgebaut, dass es die zweite Öffnung
gegenüber einem Fluid abdichten kann. Es besteht beispielsweise
aus einem Elastomer, wie Silikon, und ist vorzugsweise als Scheibe oder
Stopfen ausgebildet. Vorzugsweise ist das Abdichtmittel kreisförmig
oder kreisscheibenförmig aus gebildet, wobei das Probenentnahmerohr
mittig im Abdichtmittel zu liegen kommt. Zum Öffnen und Schließen
der zweiten Öffnung des Probenentnahmerohrs wird das Abdichtmittel
entlang dem Probenentnahmerohr, beispielsweise auf dem Probenentnahmerohr,
axial verschoben. Das erfindungsgemäße Ventil
wird somit durch ein axiales Verschieben des Abdichtmittels geöffnet
und geschlossen. Ist die zweite Öffnung als axiale Öffnung
an dem zweiten Ende des Probenentnahmerohrs ausgebildet, so tritt beim Öffnen
und Schließen des Ventils nur eine geringfügige
Verformung des Abdichtmittels auf, wenn das Abdichtmittel das zweite
Ende überstreicht. Ist die zweite Öffnung als
seitliche Öffnung ausgebildet, die in unmittelbarer Nähe
zum zweiten Ende oder davon entfernt vorgesehen sein kann, während
das zweite Ende axial verschlossen sein kann, so tritt beim Öffnen
und Schließen des Ventils, das heißt beim Öffnen
und Verschließen der zweiten Öffnung, keine Verformung
des Abdichtmittels auf. Dies hat beispielsweise gegenüber
der signifikanten, elastischen Verformung, wie sie beispielsweise
bei Schlauchventilen auftritt, den Vorteil, dass ein geringerer
Verschleiß des Abdichtmittels auftritt und ein entsprechend
zuverlässiges und vollständiges Abdichten der
zweiten Öffnung gewährleistet wird. Die axiale
Abmessung des Abdichtmittels ist so gewählt, dass die zweite Öffnung
in einer ersten Lage vollständig verschlossen wird.
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Der
Aufbau des erfindungsgemäßen Ventils gestattet
ein Öffnen und Schließen der zweiten Öffnung
des Probenentnahmerohrs unabhängig von der Länge
des Probenentnahmerohrs. Entsprechend kann ein Probenentnahmerohr
geeigneter, gegebenenfalls großer Länge vorgesehen
sein. Somit kann der Ort der Probennahme, das heißt der
Ort, an dem sich das erste, offene Ende des Probenentnahmerohrs
befindet, weit entfernt von dem Ort der Befüllung des Probenaufnahmegefäßes,
das heißt dem Ort, an dem sich die zweite Öffnung
in dem Probenentnahmerohrs befindet, vorgesehen werden.
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Beispielsweise
kann sich das außerhalb des Ventilkörpers liegende
Probenentnahmerohr mit dem ersten, offenen Ende zumindest teilweise
innerhalb eines Behälters, beispielsweise innerhalb eines
Reaktors, insbesondere eines kleinvolumigen Reaktors, befinden,
während sich der Ventilkörper mit der zweiten Öffnung
außerhalb des Reaktors, auf dessen Außenseite
oder auch davon entfernt befindet. Somit kann das Befüllen
eines Probenaufnahmegefäßes außerhalb
eines Behälters stattfinden, während das erste,
offene Ende des Probenentnahmerohrs an einer geeigneten Stelle innerhalb
des Behälters positioniert wird. Das erfindungsgemäße
Ventil beseitigt somit die in dem Probennahmesystem der
WO 2007/042323 bestehende
Notwendigkeit, das Probenaufnahmegefäß zur Probennahme
an der unteren Seite der Messsonde zu positionieren und eine entsprechend
großvolumige Messsonde vorzusehen. Vielmehr kann ein Probenentnahmerohr
verwendet werden, das einen deutlich kleineren Durchmesser als die
Messsonde der
WO 2007/042323 aufweist.
Somit gestattet es das erfindungsgemäße Ventil,
auch kleinvolumige Behälter und Reaktoren zu beproben und
das für das Probennahmesystem innerhalb des Behälters
und auch auf der Außenseite des Behälters das
benötigte Volumen zu minimieren. Das Probenentnahmerohr
kann eine Gesamtlänge von mehr als 10, 20, 30, 50 oder
100 Zentimetern aufweisen.
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Das
Probenentnahmerohr des erfindungsgemäßen Ventils
muss anders als die aus der
WO 2007/042323 bekannte
Messsonde innerhalb eines Behälters auch nicht notwendigerweise
geradlinig verlaufen, sondern kann gebogen oder gekrümmt vorgesehen
werden. Dies gestattet eine Probennahme an beliebiger Stelle innerhalb
eines Behälters und das Positionieren des Probenentnahmerohrs
innerhalb des Behälters an Stellen, an denen die Abläufe in
dem Behälter nur geringfügig gestört
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Ventils ist das Probenentnahmerohr als Kapillarrohr ausgestaltet.
Dies gestattet es auch beim Vorsehen eines langen Probenentnahmerohrs,
das dadurch entstehende Totvolumen, das heißt das Volumen
innerhalb des Probenentnahmerohrs, zu minimieren. Somit können
auch kleinvolumige Behälter und Reaktoren reproduzierbar
und mit geringem Totvolumen beprobt werden, während das innerhalb
des Reaktors für das Probennahmesystem benötigte
Volumen minimiert wird.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung befindet sich die zweite Öffnung
des Probenentnahmerohres an oder in unmittelbarer Nähe
des zweiten Endes des Probenentnahmerohres, wobei das zweite Ende
weiter bevorzugt ebenfalls im Inneren des Ventilkörpers angeordnet
ist. Dieses zweite Ende ist bevorzugt als Spitze ausgebildet und
zum Durchstoßen eines Septums eines Probenaufnahmegefäßes
eingerichtet. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umschließt
das Abdichtmittel in der ersten Lage der Verschlussvorrichtung auch
das zweite Ende des Probenentnahmerohrs vollständig.
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Das
Schließen und Öffnen des erfindungsgemäßen
Ventils geschieht an der zweiten Öffnung, an der auch die
Befüllung des Probenaufnahmegefäßes stattfindet,
indem die zweite Öffnung unmittelbar mit der Innenseite
des Probenaufnahmegefäßes kommuniziert. Dadurch
entsteht im Gegensatz zu dem Funktionsprinzip des in der
WO 2007/042323 beschriebenen
Ventils kein Volumenbereich innerhalb des Ventils, der bei geschlossenem
Ventil von dem zu beprobenden Behälter abgetrennt, aber
mit Probenmaterial gefüllt ist, und entsprechend eine Desinfektion
dieses Volumenbereichs notwendig macht. Somit gestattet das erfindungsgemäße
Ventil einen aufwandsarmen und hygienischen Betrieb.
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Weiterhin
ist der Ventilkörper des erfindungsgemäßen
Ventils unmittelbar zugänglich und nicht notwendigerweise
an der unteren Seite einer Messsonde angeordnet. Somit vereinfacht
sich zum einen die Handhabung bei der Probennahme und die notwendige
Verwendung eines Handstücks, wie in der
WO 2007/042323 beschrieben, erübrigt
sich.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Ventils ist die zweite Öffnung als seitliche Öffnung
ausgebildet. Die axiale Ausdehnung des Abdichtmittels ist dann größer
als die axiale Ausdehnung der seitlichen Öffnung in dem
Probenentnahmerohr.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Ventils umfasst dieses weiterhin einen Rückstellmechanismus
für die Verschlussvorrichtung. Der Rückstellmechanismus
besitzt eine Ruhelage und ist vorzugsweise federnd ausgebildet.
In einer Ruhelage des Rückstellmechanismus befindet sich
die Verschlussvorrichtung in der ersten Lage, das heißt
das Abdichtmittel verschließt die zweite Öffnung
des Probenentnahmerohres. Die Ruhelage des Rückstellmechanismus
stellt sich in Abwesenheit äußerer Kräfte
ein. Somit ist in Abwesenheit äußerer Kräfte
die zweite Öffnung des erfindungsgemäßen Ventils
geschlossen.
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Der
Rückstellmechanismus umfasst vorzugsweise eine Rückstellfeder,
beispielsweise aus Edelstahl, die vorzugsweise schraubenförmig
ausgebildet ist. Weiterhin umfasst der Rückstellmechanismus
vorzugsweise einen geeigneten mechanischen Anschlag für
die Verschlussvorrichtung, der die Ruhelage des Rückstellmechanismus
und somit die erste Lage der Verschlussvorrichtung definiert. Die Rückstellfeder
ist dabei in der ersten Lage vorzugsweise vorgespannt, so dass die
Verschlussvorrichtung erst nach Anwendung einer vorbestimmten Kraft auf
diese in Längsrichtung des Probenentnahmerohres aus der
ersten Lage herausbewegt wird und sich das erfindungsgemäße
Ventil entsprechend erst nach Überwindung dieser vorbestimmten
Kraft öffnet.
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Der
mechanische Anschlag für Rückstellmechanismus
der Verschlussvorrichtung wird vorzugsweise durch eine Führungsvorrichtung
für ein Probenaufnahmegefäß gebildet,
die das geeignete Positionieren eines Probenaufnahmegefäßes
auf dem erfindungsgemäßen Ventil gewährleistet.
Dazu ist die Führungsvorrichtung vorzugsweise zumindest
auf der Innenseite oder auch vollständig zylindersymmetrisch
ausgebildet, wobei die Zylinderachse der Führungsvorrichtung
mit der Längsachse, das heißt mit der Symmetrieachse
des zylinderförmigen Probenentnahmerohrs im Innern des
Ventilkörpers, zusammenfällt. Eine solche zylindersymmetrische
Führungsvorrichtung eignet sich zur Aufnahme eines zylindersymmetrischen
Probenaufnahmegefäßes oder eines Probenaufnahmegefäßes,
das zumindest einen zylindersymmetrischen Füllstutzen aufweist.
Somit gewährleistet die zylindersymmetrische Führungsvorrichtung
ein mittiges Positionieren des Probenaufnahmegefäßes
auf dem erfindungsgemäßen Ventil und somit ein
vorteilhaft mittiges Durchstechen eines Septums des Probenaufnahmegefäßes
und ein entsprechend sicheres Befüllen desselben.
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In
einer vorteilhaften Vorrichtung des erfindungsgemäßen
Ventils weist die Verschlussvorrichtung einen planaren Bereich an
einer Längsachse des Probenentnahmerohrs auf. Mit diesem
planaren Bereich kann ein planarer Bereich des Probenaufnahmegefäßes,
welcher vorzugsweise durch ein planares Septum geschaffen wird,
in flächigen Kontakt gebracht werden. Vorzugsweise ist
die Führungsvorrichtung so ausgestaltet, dass das Probenaufnahmegefäß geeignet
auf dem planaren Bereich der Verschlussvorrichtung zur Schaffung
des flächigen Kontakts positioniert werden kann, während
sich die Verschlussvorrichtung in der ersten Lage befindet. Vorzugsweise
wird der pla nare Bereich des Verschlussmittels teilweise oder vollständig
durch das Abdichtmittel geschaffen. Das Septum des Probenaufnahmegefäßes
besteht vorzugsweise aus demselben Material oder aus einem Material
mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften wie das Abdichtmittel
des erfindungsgemäßen Ventils. Vorteilhafterweise
ist der Planare Bereich des Verschlussmittels ein kreisscheibenförmiger
Bereich um die Längsachse des Probenentnahmerohrs.
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Zur
Probennahme wird das Probenaufnahmegefäß gegebenenfalls
mit Hilfe der Führungsvorrichtung auf dem erfindungsgemäßen
Ventil positioniert, so dass ein planares Septum des Probenaufnahmegefäßes
mit dem Planaren Bereich der Verschlussvorrichtung, vorzugsweise
des Abdichtmittels, in flächigen Kontakt gebracht wird,
während sich die Verschlussvorrichtung in der ersten Lage
befindet. Anschließend wird das Probenaufnahmegefäß entlang
der Längsachse des Probenentnahmerohres in Richtung des
Ventils bewegt. Dabei wird die Verschlussvorrichtung aus der ersten
Lage ausgelenkt, so dass die zweite, beispielsweise seitliche Öffnung des
Probenentnahmerohres durch das Abdichtmittel nur noch teilweise
verschlossen ist. Wegen des flächigen Kontaktes des Septums
des Probenaufnahmegefäßes mit der Verschlussvorrichtung,
vorzugsweise dem Abdichtmittel, wird das Septum von dem Probenentnahmerohr
zumindest teilweise durchstoßen und der Teil der zweiten Öffnung,
der nicht mehr durch das Abdichtmittel verschlossen wird, durch
das Septum des Probenaufnahmegefäßes verschlossen. Somit
ist die zweite Öffnung weiterhin vollständig geschlossen
und die Probe kann nicht in die Umgebung austreten. Hier erweist
es sich als vorteilhaft, dass das zweite Ende vorzugsweise als Spitze
ausgebildet ist, die das Durchstechen des Septums des Probenaufnahmegefäßes
unterstützt. Bei weiterer Bewegung des Probenaufnahmegefäßes
entlang der Längsachse des Probenentnahmerohres in Richtung des
Ventilkörpers durchsticht das zweite Ende des Probenentnahmerohres
das Septum des Probenaufnahmegefäßes vollständig
und die Verschlussvorrichtung wird weiter aus der ersten Lage ausgelenkt, wobei
die zweite Öffnung des Probenentnahmerohres weiterhin gegebenenfalls
allein durch das Septum des Probenaufnahmegefäßes
verschlossen ist. Bei weiterer Bewegung des Probenaufnahmegefäßes
auf den Ventilkörper zu tritt die zweite Öffnung des
Probenentnahmerohres in Kommunikation mit dem Innenraum des Probenaufnahmegefäßes.
Ist das Probenaufnahmegefäß evakuiert oder herrscht darin
zumindest ein Unterdruck, so wird eine definierte Probenmenge an
der ersten Öffnung am ersten Ende des Probenentnahmerohrs
entnommen und in das Probenaufnahmegefäß eingebracht,
bis der Druck im Inneren des Probenaufnahmegefäßes
dem Druck am ersten offenen Ende des Probenentnahmerohres entspricht.
Nach der Probenentnahme wird das Probenaufnahmegefäß von
dem Ventil abgezogen, wobei der Rückstellmechanismus der
Verschlussvorrichtung sicherstellt, dass die zweite Öffnung
des Probenentnahmerohres auch während und nach dem Entfernen
des Probenaufnahmegefäßes jederzeit vollständig
verschlossen bleibt und somit die Umgebung und das Probenentnahmerohr,
und entsprechend beispielsweise das Innere eines Reaktors, nicht
miteinander in Kommunikation treten.
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Vorzugsweise
ist das erfindungsgemäße Ventil aus Materialien
gefertigt, die eine Sterilisation des Behälters bei angebautem
Ventil ermöglichen. Dazu ist das Ventil vollständig
aus sterilisierbaren, inerten Materialien gefertigt. Vorzugsweise
bestehen das Probenentnahmerohr aus Edelstahl, Glas oder Keramik
und das Abdichtmittel aus temperaturbeständigem Silikon,
das bei Sterilisationsbedingungen von beispielsweise 121°C
bei 20 bis 30 Minuten in seinen chemischen, mechanischen und sonstigen
Eigenschaften stabil bleibt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Ventils ist auf dem Probenentnahmerohr an einer Stelle außerhalb
des Ventilkörpers oder auf dem Ventilkörper eine
Befestigungsvorrichtung vorgesehen, die eine Befestigung des Ventils
in oder auf einer Wandung eines Behälters gestattet. Die
Wandung kann dabei der Deckel, eine Wand oder der Boden des Behälters,
ein Einführstutzen oder eine sonstige Durchführung
sein. Der Behälter ist vorzugsweise ein Reaktor wie ein
Rührreaktor oder ein anderweitiger Bioreaktor. Die Befestigungsvorrichtung
gestattet eine mechanisch feste und druckdichte Befestigung des
Ventils an dem Behälter, wobei sich der Ventilkörper
zumindest teilweise außerhalb des Behältervolumens
und das erste offene Ende des Probenentnahmerohres sich im Inneren
des Behälters befinden.
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Ein
erfindungsgemäßer Behälter, vorzugsweise
ein Reaktor, umfasst ein erfindungsgemäßes Ventil
zur Entnahme von fluiden Proben. Das Probenentnahmerohr oder der
Ventilkörper des Ventils ist dabei in oder auf einer Wandung
des Reaktors fest angeordnet und schließt den Behälter
druckdicht ab. Diese Anordnung kann wie bereits erwähnt
durch eine Befestigungsvorrichtung auf dem Ventil und gegebenenfalls
durch ein geeignetes Gegenstück in oder auf der Wandung
des Behälters erreicht werden. Alternativ können
auch sonstige an sich bekannte Befestigungsmethoden wie Löten,
Schweißen oder ein einstückiges Ausbilden von
der Wandung des Behälters und des Probenentnahmerohrs oder des
Ventilkörpers vorgesehen sein.
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Das
an dem Behälter vorgesehene Ventil bildet somit eine Probennahmevorrichtung.
Das erfindungsgemäße Ventil ist dabei außerhalb
des Behältervolumens angeordnet, wodurch sich das für
die Probennahmevorrichtung benötigte Volumen innerhalb
des Behälters minimiert, da im Inneren des Behälters
lediglich das Probenentnahmerohr vorliegt, welches vorzugsweise
als dünnes Kapillarrohr ausgebildet ist. Diese Vorrichtung
eignet sich somit auch für kleine Reaktoren. Weiterhin
muss das Probenentnahmerohr im Inneren des Behälters nicht
geradlinig verlaufen. Es kann vielmehr gekrümmt oder gebogen verlaufen,
womit das erste offene Ende des Probenentnahmerohrs an einer für
die Probennahme geeigneten Stelle im Inneren des Behälters
angeordnet werden kann.
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Der
Platzbedarf der Probennahmevorrichtung auf der Wandung des Behälters
wird weiter minimiert, wenn nur das Probenentnahmerohr mit der Wandung
fest verbunden wird. Dann kann der Ventilkörper in geeigneter
Entfernung von dem Behälter gegebenenfalls gesondert befestigt
werden.
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Ein
erfindungsgemäßes Probennahmesystem für
fluide Proben umfasst einen erfindungsgemäßen
Behälter mit einem Ventil zur Entnahme von fluiden Proben
und ein Probenaufnahmegefäß mit einem Septum,
wobei das Ventil ein Aufsetzen des Septums auf dem Probenaufnahmegefäß auf
die Verschlussvorrichtung und ein Verschieben der Verschlussvorrichtung
durch Verschieben des Probenaufnahmegefäßes in
Längsrichtung des Probenentnahmerohres gestattet und wobei
das Probenentnahmerohr eingerichtet ist, das Septum zu durchstoßen
und eine Kommunikation zwischen einem Innenvolumen des Probenaufnahmegefäßes
und einem Innenvolumen des Behälters über das
Probenentnahmerohr herzustellen. Als Probenaufnahmegefäß werden
vorzugsweise evakuierte Gefäße verwendet. Das
Probenaufnahmegefäß kann jedoch auch zumindest
teilweise mit einem Reagenz gefüllt sein, wobei auch hierbei
in dem Probenaufnahmegefäß vor der Probennahme
ein geringerer Druck als in dem zu beprobenden Behälter
herrscht. Dadurch kann eine vorgegebene Probenmenge in reproduzierbarer
Weise dem zu beprobenden Behälter entnommen werden. Als
Reagenz kann beispielsweise kaltes Ethanol verwendet werden, in
welchem biologische Prozesse gestoppt werden.
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Das
erfindungsgemäße Probennahmesystem eignet sich
zur Entnahme von fluiden Proben aus Behältern, vorzugsweise
Reaktoren wie Laborreaktoren, Rührreaktoren oder anderweitigen
Bioreaktoren. Durch das erfindungsgemäße Ventil
wird sichergestellt, dass auch bei Probenentnahme das Volumen des
Behälters zu keiner Zeit mit der Umgebung kommuniziert.
Dies gewährleistet zum einen eine kontaminationsfreie Probenentnahme
und schafft zum anderen die Möglichkeit, auch toxische
Proben gefahrlos zu entnehmen.
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Weitere
Ausführungsbeispiele und Vorteile der Erfindung werden
nachfolgend beispielhaft anhand der begleitenden Figuren erläutert.
Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen dar,
die die Erfindung in keiner Weise beschränken. Die gezeigten
Figuren sind schematische Darstellungen, die die realen Proportionen
nicht widerspiegeln, sondern einer verbesserten Anschaulichkeit
der verschiedenen Ausführungsbeispiele dienen.
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Im
Einzelnen zeigen die Figuren:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel eines Probennahmesystems;
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2 bis 5 verschiedene
Schritte während der Probennahme;
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6 ein
zweites Ausführungsbeispiel eines Probennahmesystems;
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7 ein
Ausführungsbeispiel eines Ventils; und
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8 ein
Probenaufnahmegefäß.
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In 8 ist
ein Probenaufnahmegefäß 1 in Form eines
Proberöhrchen dargestellt, wie sie beispielsweise unter
der Bezeichnung Vacutainer® von der
Firma BD-Science vertrieben werden. Es umfasst ein offenes zylindrisches
Glasröhrchen 2 das mit einem Septum 3 verschlossen
ist. Der Innenraum des Probenaufnahmegefäßes 1 ist
evakuiert. Das Septum 3 besteht aus einem elastischen Material,
beispielsweise einem Elastomer wie Silikon. Die Probenentnahme geschieht
durch Befüllung des Innenraums des Probenaufnahmegefäßes,
wobei das Septum 3 beispielsweise mit einer Hohlnadel durchstochen
wird. Nach der Probennahme kann die Hohlnadel aus dem Septum 3 wieder
entfernt werden, wobei das Probenaufnahmegefäß 1 wieder
hermetisch dicht schließt. Dadurch wird eine kontaminationsfreie Probennahme
möglich, das heißt eine Kontamination des Reaktorinhalts
mit Fremdstoffen wird vermieden ebenso wie eine Kontamination des
Außenbereichs des Reaktors mit dem Reaktorinhalt. Ebenso
vereinfacht sich die anschließende Lagerung der entnommenen
Probe. Das in 8 dargestellte Probenaufnahmegefäß 1 ist
auch in mit einem Reagenz gefüllter Form erhältlich,
beispielsweise kaltem Ethanol, welches biologische Prozesse in einer
entnommenen Probe stoppt.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Probennahmesystems.
Dieses umfasst einen Behälter in Form eines Rührreaktors 4 und
ein Ventil 5 mit einem Ventilkörper 6 und
einem Kapillarrohr 7 als Probenentnahmerohr. Der Reaktor 4 ist
im Ausführungsbeispiel mit einem Fluid in Form einer Flüssigkeit
gefüllt. Das Kapillarrohr 7 des Ventils taucht
in diese Flüssigkeit ein, so dass ein erstes offenes Ende 15 des
Kapillarrohrs 7 in der zu untersuchenden Flüssigkeit
des Reaktors 4 angeordnet ist. Der Ventilkörper 6 des Ventils 5 ist
auf dem Reaktordeckel 8 angeordnet und das Kapillarrohr 7 befindet
sich mit dem außerhalb des Ventilkörpers 6 angeordneten
Abschnitt im Innern des Reaktors 4 und innerhalb dessen
Deckel 8. Zur Probennahme wird ein Probenaufnahmegefäß 1,
wie durch den Pfeil in 1 angedeutet, auf den Ventilkörper 6 aufgesetzt,
so dass das zweite Ende 16 des im Inneren des Ventilkörpers 6 angeordneten
Teilstücks des Kapillarrohrs 7 das Septum 3 des
Probenaufnahmegefäßes 1 durchsticht.
Das Probenaufnahmegefäß 1 ist evakuiert,
so dass eine definierte Probenmenge aus dem Reaktor 4 an
dem in die Flüssigkeit eintauchenden ersten Ende 15 des
Kapillarrohrs 7 entnommen und in das Probenaufnahmegefäß 1 überführt
wird.
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In 2 ist
ein Schnitt durch den auf dem Reaktordeckel 8 angebrachten
Ventilkörper 6 dargestellt. Im Inneren des Ventilkörpers 6 ist
der obere Teil des Kapillarrohrs 7 angeordnet, wobei ein
oberes, zweites Ende 16 des Kapillarrohrs 7 als
Spitze ausgebildet ist und sich im Inneren des Ventilkörpers 6 befindet.
Das Kapillarrohr 7 hat einen Innendurchmesser von 0,8 mm
und eine Außendurchmesser von 1,0 mm. Das Kapillarrohr 7 ist
an dem oberen, zweiten Ende 16 axial verschlossen, weist
jedoch in unmittelbarer Nähe eine zweite, seitliche Öffnung 9 in Form
einer Querbohrung auf. Im Inneren des Ventilkörpers 6 ist
eine Verschlussvorrichtung angeordnet, die aus einem zylindersymmetrischen
Führungselement 10, einer kreisförmigen,
nicht verformbaren Führungsscheibe 11 und einem
kreisförmigen Abdichtmittel 12 aus Silikon besteht.
Der Ventilkörper 6 weist im Innern eine zylindersymmetrische
Ausnehmung auf, in der die Verschlussvorrichtung axial, das heißt
in Richtung der Symmetrieachse der zylinderförmigen Verschlussvorrichtung
und somit entlang des im Inneren des Ventilkörpers 6 liegenden,
geradlinig verlaufenden Teils des Kapillarrohrs 7, verschoben
werden kann. Im Inneren des Ventilkörpers 6 ist weiterhin
eine Schraubenfeder 13 aus Edelstahl angeordnet, die die
Verschlussvorrichtung in eine erste Lage nach oben drückt.
Die Schraubenfeder 13 drückt auf die nicht verformbare
Führungsscheibe 11, so dass die Führungsscheibe 11 und
das Abdichtmittel 12 nach oben gedrückt werden.
Dieser Druck wird jedoch von dem Führungselement 10 aufgenommen, um
Verformungen des elastischen Abdichtmittels 12 zu minimieren.
Insbesondere ist der Radius der Schraubenfeder 13 größer
als der Innenradius des Führungselements 10 an
der Oberkante der Verschlussvorrichtung. Das kreisförmige
Abdichtmittel 12 besitzt eine axiale Ausdehnung von 4 mm
und einen Durchmesser von 10 mm. Der Ventilkörper 6 besitzt
eine axiale Ausdehnung von 50 mm und einen Außendurchmesser
von 26 mm.
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Der
Ventilkörper 6 umfasst weiterhin eine Führungsvorrichtung 14,
die die Positionierung eines Probenaufnahmegefäßes 1 zur
Probennahme unterstützt. Sie ist als zylindersymmetrischer
Führungsstutzen ausgebildet und besitzt einen Innendurchmesser
von 16,5 mm und eine axiale Ausdehnung von 15 mm. Die Führungsvorrichtung 14 bildet
zugleich einen Anschlag für die axial verschiebbare Verschlussvorrichtung,
so dass dieser Anschlag zusammen mit der Schraubenfeder 13 einen
Rückstellmechanismus für die Verschlussvorrichtung
bildet.
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Der
Rückstellmechanismus ist in 3 in seiner
Ruhelage dargestellt, das heißt die Schraubenfeder 13 drückt
die Verschlussvorrichtung an den Anschlag der Führungsvorrichtung 14 (in 3 nach oben).
Dabei befindet sich die Verschlussvorrichtung in der ersten Lage,
in der das Abdichtmittel 12 der Verschlussvorrichtung die
Querbohrung 9 des Kapillarrohrs 7 vollständig
verschließt. Der Reaktor 4 ist somit abgedichtet
und das Ventil 5 geschlossen.
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In 3 ist
das Verschlusselement weiterhin in der ersten Lage dargestellt.
In die Führungsvorrichtung 14 ist ein Probenaufnahmegefäß 1 eingesetzt,
so dass das Septum 3 mit dem Verschlusselement in vollflächigem
Kontakt steht. Wie aus der Figur ersichtlich, wird in der Ruhelage
des Verschlusselementes das oben liegende, als Spitze ausgebildete
zweite Ende 16 des Kapillarrohres 7 vollständig von
dem Abdichtmittel 12 umschlossen, so dass in der in 3 gezeigten
Position das Septum 3 von dem oberen Ende des Kapillarrohrs 7 nicht
durchstochen wird. Das Septum 3 des Probenaufnahmegefäßes 1 hat
einen Durchmesser von 15 mm. Das Glasröhrchen 2 des
Probenaufnahmegefäßes 1 besitzt einen
geringfügig geringeren Durchmesser. Die Länge des
Glasröhrchens 2 hängt von der Füllmenge
des Probenaufnahmegefäßes 1 ab. Bei einem
Gesamtvolumen des Probenaufnahmegefäßes 1 von
7 Millilitern beträgt die Gesamtlänge des Probenaufnahmegefäßes
105 mm.
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Wie
aus der 3 ersichtlich, weist das elastische
Abdichtmittel 12 eine mittige, kreisscheibenförmige
Hervorstehung 17 auf, die in eine entsprechende, kreisscheibenförmige
Aussparung 18 des Führungselements 10 eingreift.
Die Höhe der Hervorstehung 17 und die Wandhöhe
der Aussparung 18 sind identisch, so dass das Verschlusselement
in Richtung des aufzusetzenden Probeaufnahmegefäßes 1 eine
insgesamt ebene Oberfläche besitzt. Dadurch wird zum einen
ein vollflächiger Kontakt zwischen Septum 3 und
dem Verschlusselement geschaffen. Vor allem wird in einem kreisscheibenförmigen
Bereich 19 um die Achse des Kapillarrohrs 7 ein
flächiger Kontakt zwischen Septum 3 des Probenaufnahmegefäßes 1 und
dem Abdichtmittel 12 der Verschlussvorrichtung des Ventils 5 geschaffen.
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Zur
Probennahme wird das auf der Verschlussvorrichtung aufgesetzte Probenaufnahmegefäß 1 axial
entlang des Kapillarrohrs 7 in Richtung des Ven tilkörpers 6 (in 4 nach
unten) verschoben, wodurch das Septum 3 durch das obere,
zweite Ende 16 des Kapillarrohrs 7 durchstoßen
wird. Dies ist in 4 dargestellt. Die Verschlussvorrichtung wird
aus der ersten Lage heraus nach unten verschoben, während
das fest mit dem Ventilkörper 6 verbundene Kapillarrohr 7 ortsfest
bleibt und somit das Septum 3 des Probenaufnahmegefäßes 1 durchstößt.
In dem in 4 dargestellten Zustand wird
die seitliche Öffnung 9 nicht mehr durch das Abdichtmittel 12, sondern
durch das Septum 3 verschlossen. Der Reaktor 4 ist
somit auch in der in 4 dargestellten Position des
Probenaufnahmegefäßes 1 vollständig geschlossen
und eine Probennahme findet noch nicht statt. Durch den vollflächigen
Kontakt von Septum 3 und Abdichtmittel 12 in dem
kreisscheibenförmigen Bereich 19 um die Längsachse
des Kapillarrohrs 7 herum wird sichergestellt, dass zu
jedem Zeitpunkt die Querbohrung 9 durch das Abdichtmittel 12 und/oder
durch das Septum 3 vollständig geschlossen ist.
Dies gewährleistet eine Probennahme, die zum einen den
Reaktor 4 nicht kontaminiert und zum anderen auch einen
Austritt des sich in dem Reaktor 4 befindlichen Fluids
in die Umgebung verhindert.
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In
alternativen Ausführungsbeispielen kann der flächige
Kontakt auch in einem planaren Bereich 19 geschaffen werden,
der eine andere, von der Kreisscheibenform abweichende Form aufweist.
Der planare Bereich ist dabei derart ausgebildet, dass das Septum
bei der Probennahme die zweite Öffnung 9 des Probenentnahmerohrs 7 beim
Aufsetzten des Probenaufnahmegefäßes 1 zur
Probennahme derart verschließen kann, das die Probennahme
kontaminationsfrei durchgeführt werden kann.
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In
dem in 5 dargestellten Zustand hat das obere, zweite
Ende 16 des Kapillarrohrs 7 das Septum 3 vollständig
durchstoßen und die Querbohrung 9 wird nicht mehr
durch das Septum 3 verschlossen, so dass der Innenraum des
Probenaufnahmegefäßes 1 über
die Querbohrung 9, den Innenraum des Kapillarrohres 7 und
die untere erste Öffnung an dem ersten Ende 15 des
Kapillarrohres 7 mit dem Innenvolumen des Reaktors 4 in
Kommunikation steht. Da das Probenaufnahmegefäß 1 evakuiert ist,
wird eine definierte Probenmenge aus dem Reaktor 4 in den
Innenraum des Probenaufnahmegefäßes 1 verbracht.
Nach erfolgtem Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Probenaufnahmegefäßes 1 und
dem Innenraum des Reaktors 4, das heißt nach erfolgter
Probennahme, wird das Probenaufnahmegefäß 1 wieder
von dem Ventilkörper 6 nach oben abgezogen, wobei
die Rückstellfeder 13 die Verschlussvorrichtung
wieder in die in 2 dargestellte erste Lage bringt.
Das Septum 3 schließt nach dem Abziehen von dem
Kapillarrohr 7 den Innenraum des Probenaufnahmegefäßes 1 wieder
hermetisch ab, so dass eine Lagerung oder Weiterverarbeitung der
entnommenen Probe möglich ist.
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In 6 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Probennahmesystems
dargestellt. Dabei ist lediglich das Kapillarrohr 7 mit
dem Reaktordeckel 8 druckdicht und mechanisch fest verbunden.
Der Ventilkörper 6 selbst steht nicht in Kontakt
mit einer Wandung des Reaktors und ist von dem Reaktor 4 beabstandet,
beispielsweise an einem nicht dargestellten Stativ, befestigt. Damit
kann ebenfalls eine Probennahme mittels eines Probenaufnahmegefäßes 1 durchgeführt
werden, wobei der Platzbedarf des Ventils 5 auf dem Reaktordeckel 8 gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel weiter verringert wird.
Wie aus der 6 ersichtlich, verläuft
das Kapillarrohr 7 außerhalb des Ventilkörpers 6 nicht
geradlinig. Wie schematisch dargestellt, kann das Kapillarrohr 7 bereits
außerhalb des Reaktors 4 gekrümmt verlaufen. Dies
gestattet einen flexiblen Aufbau des Probennahmesystems. Weiterhin
kann das Kapillarrohr 7 auch im Inneren des Reaktors 4 beliebig
verlaufen, so dass das erste, offene Ende 15 des Kapillarrohres 7 an
einer für die Probennahme geeigneten Stelle innerhalb des
Reaktors 4 angeordnet werden kann. In 6 ist
schematisch dargestellt, wie das Kapillarrohr 7 um die
Rührblätter des Rührreaktors 4 herumgeführt
ist und in der Nähe des Bodens des Reaktors 4 endet.
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In 7 ist
ein Ausführungsbeispiel eines Ventils 5 dargestellt.
Auf dem Probenentnahmerohr 7 ist eine Befestigungsvorrichtung
in Form eines Ringkörpers 20 fest angeordnet.
Der Ringkörper 20 schließt mit dem Probenentnahmerohr 7 druckdicht ab
und kann mit diesem beispielsweise verlötet oder verklemmt
sein. Der Ringkörper 20 unterstützt die druckdichte
Befestigung des Ventils 5 in einer Durchführung,
wie einem Einführstutzen eines Behälters 4. Dazu
kann der Ringkörper 20 in ein geeignetes, an der
Durchführung angeordnetes Gegenstück eingreifen.
Eine solche Befestigungsvorrichtung 20 gestattet somit
ein druckdichtes und mechanisch stabiles Befestigen des Ventils 5 an
einem Behälter 4, was durch eine Schraubverbindung
geschehen kann. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist
die Befestigungsvorrichtung 20 auf dem Probeentnahmerohr 7 entfernt
von dem Ventilkörper 6 angeordnet. Damit kann
ein Probennahmesystem, wie in 6 gezeigt, geschaffen
werden, bei dem der Ventilkörper 6 nicht in Kontakt
mit dem Behälter 4 steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/042323 [0006, 0007, 0008, 0008, 0012, 0017, 0017, 0018, 0021, 0022]