DE2912675A1

DE2912675A1 - Vorrichtung zum trennen von fluiden

Info

Publication number: DE2912675A1
Application number: DE19792912675
Authority: DE
Inventors: Jun Jesse Garrett Forsythe; Donald Richard Johnson; Onge Linda May St
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1978-04-03
Filing date: 1979-03-30
Publication date: 1979-10-04
Also published as: FR2421657A1; GB2017911B; CA1106768A; FR2421657B1; GB2017911A; JPS54154398A; US4214993A

Description

Vorrichtung zum Trennen von Fluiden

Bei der Analyse von Proben, insbesondere biologischer Proben, d.h. physiologischer Fluide, wie Blut, Serum odsr Urin, müssen die gewünschten Bestandteile häufig von der Probe getrennt bzw. aus dieser extrahiert werden.

Ein derartiges Extraktionsverfahren ist in der US-Patentschrift 3 567 029 beschrieben. Danach wird eine wegwerfbare Trennkolonne benutzt, die mit einer festen Phase gefüllt ist. Diese ist in der Lage, bestimmte lipophile Bestandteile zu extrahieren, einschließlich der am häufigsten mißbrauchten Arzneimittel, wie Phenobarbital, Amphetamin, Methadon und dergleichen. Bei einer typischen Arzneimittelextraktion, z_oB. aus einer Urinprobe, wird die Urinprobe nach diesem bekannten Verfahren durch die Kolonne geleitet. Die Kolonne adsorbiert selektiv alle im Urin enthaltenen lipophilen Arzneimittel (bzw,= Drogen), so daß die lipophilen Arzneimittel der wässerigen Phase entzogen werden. Dann werden die adsorbierten Arzneimittel durch ein Lösungsmittel aus der Kolonne eluiert, und irgendeine restliche wässerige Phase wird von einem Filter zurückgehaltene

Dieses Verfahren ist jedoch zeitaufwendig, weil es von Hand durchgeführt wird und die Probe und das Lösungsmittel nur langsam durch Kolonne und Filter hindurchgehen_o Ferner ist der Auf-

§098A 0/0883

ORIGINAL INSPECTED

bau der Kolonne verhältnismäßig aufwendig, da er zahlreiche Bauteile und deren Zusammenbau erfordert. Sodann läßt sich die Kolonne nicht ohne weiteres in einer Zentrifuge verwenden, um ihre Betrxebsgeschwindigkeit zu erhöhen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Verarbeiten von Fluiden anzugeben.

Ausgehend von einer Vorrichtung zum Verarbeiten von Fluiden, mit einer Extraktionspatrone, die einen mittleren Teil mit größerem Querschnitt zur Aufnahme der Fluide und einen rohrförmigen unteren Teil aufweist, der mit dem mittleren Teil in Verbindung steht und ein Trennkolonnenmaterial enthält und dessen unterstes Ende eine Düse für den unteren Teil passierende Fluide bildet, mit einem ersten Behälter, der die Düse abdeckt, und mit einem Verschlußstück, das im oberen Ende der Extraktionspatrone einsetzbar ist, besteht die Erfindung darin, daß der mittlere Teil der Extraktionspatrone sich innen zu seinem unteren Ende hin verjüngt, daß das untere Ende des ersten Behälters innen mit sich in Längsrichtung erstreckenden radialen Führungen zur Positionierung des unteren Teils der Extraktionspatrone und zum Schützen der Düse versehen ist, daß die oberen Teile von Extraktionspatrone und erstem Behälter größere Querschnitte mit gleichem Innendurchmesser aufweisen, daß das Verschlußstück auch in das obere Ende des ersten Behälters einsetzbar ist und daß der mittlere Teil der Extraktionspatrone und der erste Behälter sich in gleichem Maße verjüngen, so daß Extraktionspatrone und Behälter dicht ineinandersetzbar sind und das Trennkolonnenmaterial sowie die Düse geschützt und dicht abgeschlossen sind, wenn das Verschlußstück in die Patrone eingesetzt und die Patrone in den ersten Behälter gesteckt ist.

Vorzugsweise ist dafür gesorgt, daß ein zweiter Behälter vorgesehen ist, der sich ebenso wie der erste Behälter verjüngt, so daß der erste Behälter in dem zweiten Behälter passend einsetzbar ist. Dies ergibt eine Einheit, in der das Kolonnen-

909840/0863

ORIGINAL INSPECTED

291267Γ:

material für einen Versand dicht abgeschlossen ist, um zu verhindern, daß es austrocknet. Dennoch können die beiden Behälter leicht getrennt werden, um sie "beispielsweise in einem Schwenkbecher einer Zentrifuge anzuordnen.

Die Zeichnung stellt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dar. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten, für den Versand incinandergesteckten Trenneinrichtung teilweise im Schnitt,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung dreier Elemente der ineinandergesteckten Vorrichtung, nämlich der Verschlußkappe, der £xtraktionspatrone und des ersten Behälters, und

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung des zweiten Behälters mit Verschlußkappe, die nach Trennung einer Probe zur Wiedergewinnung der gewünschten Bestandteile verwendet können.

Die dargestellte Vorrichtung kann in einer Schwenkbecherzentrifuge verwendet werden, die ein Umschalten auf verschiedene Fluidströmungsbahnen ermöglicht, wie es in einer parallelen deutschen Patentanmeldung, die auf die US-Patentanmeldung Nr. 892 508 zurückgeht, beschrieben ist. Die Fähigkeit, eine Fluidumschaltung zu bewirken, während die Strömungsbahnen zentrifugiert werden, hat viele Anwendungsmöglichkeiten. Eine Anwendungsmöglichkeit ist die Extraktion eines gewünschten Bestandteils aus einer physiologischen Fluidprobe, In diesem Anwendungsfall wird eine Extraktionspatrone 16, die eine Trennkolonne mit einem Harzbett (Fig. 1 und 2) enthält, aus dem zusammengesteckten Stapel entnommen und in einem Zentrifugenrotor in einer solchen Ausrichtung angeordnet, daß die Fluide

009840/0 863

WSPECTED

von der Zentrifugalkraft durch die Kolonne getrieben werden. Die Extraktionspatrone wird dabei radial innerhalb eines äußeren Umkreises angeordnet, auf dem ein erster Behälter 32 und ein zweiter Behälter 36 angeordnet werden. Der Zentrifugenrotor hat die Fähigkeit, die Fluidströmungsbahn des aus der Trennkolonne in der Extraktionspatrone austretenden Fluids so umzuschalten, daß es wahlweise entweder in den ersten Behälter 32 oder den zweiten Behälter 36 strömt.

Der verwendete Rotor ist ein Schwenkbecher-Rotor, der mehrere Sätze Extraktionspatronen, erste Behälter und zweite Behälter haltern kann. Der Einfachheit halber bezieht sich die Beschreibung nur auf einen einzigen Satz. Wenn sich der Rotor in einer ersten Richtung, z.B. im Uhrzeigersinne dreht, ist die Spitze der Trennkolonne dabei radial mit dem ersten Behälter ausgerichtet. Die auf die horizontal (radial) liegende Kolonne einwirkende Zentrifugalkraft drückt die Probe durch das Harzbett, und zwar mit vorbestimmter Strömungsgeschwindigkeit. Die aus der Probe zu extrahierenden Materialien werden von dem Harz festgehalten, während andere Materialien durch die Kolonne hindurchgehen und in dem ersten Behälter aufgefangen werden. Als nächstes wird ein vorbestimmtes Volumen eines Wasch-Lösungsmittels oder -Reaktionsmittels in die Fluidverteilungsnabe des Rotors geleitet. Das Wasch- oder Spülmittel wird in gleiche Bruchteile aufgeteilt und in das jeweilige Harzbett aller Trennkolonnen geleitet und in jedem ersten Behälter aufgefangen. Hierbei entfernt das Waschmittel nicht adsorbierte Probenbestandteile aus dem Harzbett. In der nächsten Stufe wird die Drehzahl erhöht, so daß die daraufhin ansteigende Zentrifugalkraft restliches Waschmittel in den ersten Behälter drückt. Die Drehrichtung wird geändert, um die Spitze der Trennkolonne in der Extraktionspatrone so zu verschieben, daß sie radial mit dem zweiten Behälter ausgerichtet ist. Dann wird ein Eluierungslösungsmittel aus einem Lösungsmittel-Vorratsbehälter zugeführt und auf die einzelnen Patronenpositionen aufgeteilt. Das Lösungsmittel durchläuft die Kolonne der Extraktionspatrone unter

9098/.0/0863

" ⁷ " .2912676

dem Einfluß der Zentrifugalkraft und extrahiert die adsorbierten Materialien, die aus dem Harzbett der Kolonne eluiert und im zweiten Behälter aufgefangen bzw. gesammelt werden. Daraufhin wird die Drehzahl des Rotors verringert, und dann werden aus einem kreisförmigen, entsprechend angeordneten Ring bzw. Rohr (erhitzte) Luftströme auf den zweiten Behälter gerichtet. Das eluierte Lösungsmittel verdampft, so daß ein trockener Rest des extrahierten Materials im zweiten Behälter zurückble ibt.

Die Extraktionspatrone 16 und die Behälter 32 und 36 können zusammen mit einer Verschlußkappe 10 ineinandergesteckt werden, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Sie bilden dann zusammen eine für den Versand und die Aufbewahrung geeignete Einheit, die in getrennter Form auf verschiedene Weise verwendet werden kann, beispielsweise so, wie es beschrieben wurde. Die Kappe 10 kann, wie alle Teile, aus einem inerten Material gegossen sein, das die gewünschte Analyse nicht verfälscht. Geeignete Kunststoffe sind Po^äthylen, Polypropylen und dergleichen Materialien mit hoher oder niedriger Dichte. Die Kappe 10 hat die Form eines Stopfens oder Schaftteils 12 mit einem oberen, zu einem größeren Querschnitt abgestuften Teil, der einen Flansch 14 bildet, der die Entnahme aus der Extraktionspatrone 16 erleichtert.

Die Extraktionspatrone 16 besteht im wesentlichen aus drei Teilen, einem mittleren Teil 18, in dem ein Fluid aufbewahrt werden kann, einem oberen Teil 20, der einen größeren Innendurchmesser aufweist, um den Schaftteil 12 der Kappe 10 passend aufzunehmen, und eine äußere abgestufte Schulter 22 bildet, die das Anordnen der Extraktionspatrone in einem Halter, z.B. dem Schwenkbecher einer Zentrifuge, erleichtert, und schließlich einem unteren Teil 24, der einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweist und ein Rohr oder eine Kolonne (bzw. eine Säule) mit konstantem Innendurchmesser bildet, in dem ein Trennmaterial 26 angeordnet sein kann. Das unterste spitze Ende hat die

0O98/.O/O863

ORIGINAL INSPECTED

"⁸" 291267G

Form einer iJüse 28, die sich praktisch zu einem Punkt verjüngt. Sphärische poröse Träger 30 (Fritten) aus inertem Kunststoff, z.B. Polyäthylen, sind oberhalb xxnd unterhalb des Trennmaterials 26 in der Kolonne angeordnet, um die Teilchen in ihrer Lage festzuhalten. Der mittlere Teil 18 verjüngt sich konisch nach innen auf das untere Ende zu, so daß er passend in das dritte Element, nämlich den ersten Behälter 32, gesteckt werden kann.

Der erste Behälter 32 hat einen oberen Teil mit größerem Querschnitt, dessen Innendurchmesser gleich dem des oberen Teils 20 der Extraktionspatrone ist, so daß er gewünschtenfalls die gleiche Kappe 10 aufnehmen kann. In ähnlicher Weise verjüngt sich der untere Teil 34 des ersten Behälters 32 konisch nach innen in Richtung zum unteren Ende hin, so daß er ebenfalls mit einem vierten Element der Trennvorrichtung, nämlich einem zweiten Behälter 36,zusammengesteckt werden kann. Der erste Behälter 32 bildet ebenfalls eine äußere Schulter 38, um seine Anordnung in einem Halter zu erleichtern, z.B. dem Schwenkbecher einer Zentrifuge. Eine ähnliche Schulter 40 ist am zweiten Behälter 36 zwischen dem unteren Teil 42 des Behälters 32 und dem dickeren oberen Teil 44 ausgebildet. Der obere Teil hat einen Innendurchmesser, der im wesentlichen gleich denen der dickeren Teile der Sxtraktionspatrone und des ersten Behälters ist. Auf diese Weise kenn die Kappe 10 v/ahlweise in irgendeine dieser drei Einheiten gesteckt werden, um sie zu verschließen.

Die Böden des ersten Behälters 32 und des zweiten Behälters sind mit einem ringförmigen Flansch oder Ring 49 versehen, der einen Fuß oder eine Stütze bildet, um den Abfallbehälter und den Wiedergewinnungsbehälter in aufrechter Lage zu halten, wenn sie auf einer horizontalen Oberfläche angeordnet werden. In ähnlicher Weise können der Boden 46 des ersten Behälters und der Boden 48 des zweiten Behälters leicht tassenförmig vertieft sein, so daß sich geringe Mengen an Probenmaterial in der Mitte ansammeln und dadurch leichter konzentriert werden können.

909840/0883

291267

Das Innere des unteren Teils des ersten Behälters 32 ist mit nach innen ragenden radialen Führungen oder Flanschen 29 versehen, die die Düse 28 aufnehmen und abstützen können, um zu verhindern, daß sie beschädigt wird. Die Flansche 29 sind rippenartig dargestellt, doch sind auch andere Formen geeignet. Es ist wichtig, daß die Düse nicht beschädigt wird, so daß sie nicht die Fluidumschaltung beeinträchtigt, die in der erwähnten parallelen Anmeldung beschrieben ist.

Für die Trennkolonne können verschiedene Materialien verwendet werden. Diese sind zum größten Teil bekannt, können jedoch beispielsweise Ionenaustauschharze aufweisen, die zur Sorption organischer und anorganischer Ionen verwendet werden können, vorzugsweise zur Abwasserreinigung, d.h. für eine Aminosäuren-, Zucker-, Protein- und Peptidanalyse. Diese Ionenaustauschharze umfassen ein Anionen-, Kationen- und ein gemischtes Bett. Ein bevorzugtes Harz, obwohl es kein Ionenaustauschharz ist, ist ein hochvernetztes Styroldivinylbenzol-Copolymer, das im Handel unter der Bezeichnung "Amberlite" XAD-2 erhältlich ist.

Andere Kolonnenmaterialien, die ebenfalls verwendet werden können, sind Gelpermeationen, die poröse Polyacrylamid-Perlen, aktivierte Holzkohle, Agar-Agar-Gelperlen, Polystyrol-Perlen und beschichtete Glasperlen aufweisen. Diese Kolonnen können zur Lösung von Verbindungen mit verschiedenen Molekulargewichten verwendet werden. Ein anderes Kolonnenmaterial ist das für eine Affinitätschromatographie verwendete und umfaßt Agar-Agar-Träger, Polyscrylamid-Träger und Polystyrol-Träger, an die eine spezielle Verbindung gebunden ist. Andere Kolonnen für spezielle Trennungen sind an sich bekannt und brauchen hier nicht erwähnt zu werden.

Es genügt, darauf hinzuweisen, daß jede Art von Kolonnenmaterial aus so großen Teilchen bestehen sollte, daß sie unter dem Einfluß der normalen Schwerkraft (ein g) einen Flüssigkeitsdurchfluß verhindern, jedoch unter dem Einfluß einer Kraft,

ORIGINAL IMSPECTED

die gröi3er als die Srdschwerkraft ist, z.B. einer auf die Kolonne ausgeübten Zentrifugalkraft, die gewünschte radiale Fluidströmung gestatten. Als zufriedenstellend hinsichtlich der Teilchengröße haben sich solche aus dem Harz "Amberlite" XAD-2 mit einem Durchmesser von 40 bis 100 Mikron bei einer Zentrifugendrehzahl von 1000 Umdrehungen pro Minute und einem mittleren radialen Abstand von 11 cm von der Drehachse erwiesen. Andere Harze und Materialien können eine andere Teilchengröße erfordern. Statt dessen können auch die porösen Fritten so bemessen sein, daß sie die gleiche Durchflußeinschränkung bewirken.

Um feste, körnige oder faserige Materialien, die in der Probe enthalten sein können, z.B. Fibrin in Plasmaproben oder amorphe Materialien in Urinproben, zu extrahieren, können einige Extraktionspatronen einen Filter in dem Vorratsbehälter enthalten. Der Filter schützt den porösen Stopfen und die Kolonne. Der Filter kann ein loses oder poröses Material aufweisen, z.B. Glaswolle, Baumwolle, Polyesterfasern oder feste Teilchen, wie Glasperlen, oder sogar Nylon und dergleichen. Glasperlen werden bevorzugt.

Nach der Probenwiedergewinnung kann die Kappe 10 auf dem Wiedergewinnungsbehälter 36 angeordnet und die Probe aufbewahrt werden, bis sie durch eine Gaschromatographie, eine Flüssigkeitschromatographie oder ein anderes Verfahren analysiert werden soll.

Gewünschtenfalls kann eine (Saug- oder Druck-) Pumpe verwendet werden, um das Fluid durch die Kolonne zu treiben. Zu diesem Zweck sollte die Pumpe einen hydraulischen Druck von mehr als 1/4 Bar erzeugen. Als Antriebskraft kann auch ein Druckgas verwendet werden. In jedem Falle ermöglichen die feineren Kolonnenteilchen eine effektivere Trennung bei höheren Fluidströmungsgeschwindigkeiten.

O'Ä'i'i '_

- 11 - 2912676

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mithin eine sehr vielseitig zu gebrauchende Kolonne, die eine Stapelanordnung aus vier Elementen aufweist, die das Beschriften der vier Kammern erleichtert, während sie zusammengesetzt sind. Dies verringert die Gefahr einer Verwechselung. Ferner wird auf einfache Weise eine Verdampfung aus der Kolonne verhindert, so daß die Kolonne sofort betriebsbereit ist, wenn sie in einer Zentrifuge oder einer anderen Einrichtung angeordnet wird. Alle Elemente lassen sich leicht mit Hilfe ihrer Schultern in dem Schwenkbecher der Zentrifuge oder einem anderen Halter lagern.

Zusammenfassend ergibt sich eine Vorrichtung zum Trennen von Fluiden, die im wesentlichen aus drei Teilen besteht, die zu einer gestapelten Anordnung zusammensteckbar sind. Die drei Teile sind eine Kappe, eine Extraktionspatrone, in der eine Trennkolonne bzw. Trennsäule angeordnet ist, und ein erster Wiedergewinnungsbehälter. Ein zweiter Wiedergewinnungsbehälter kann ebenfalls am unteren Ende des ersten Behälters angesteckt werden. Der erste Behälter hat innere Flansche zur Positionierung und zum Schutz des unteren Endes der Säule gegen eine Beschädigung. Jedes Element hat einen oberen Teil mit größerem Querschnitt, der eine äußere Stufe bildet, und die Halterung in dem Schwenkbecher einer Zentrifuge erleichtert. Die Kolonne kann Teilchen eines geeigneten Trennmaterials enthalten, wobei das Trennmaterial an seiner Oberseite und seiner Unterseite durch poröse Träger zusammengehalten werden kann.

ORIGINAL INSPECTED

Leer seife

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zum Verarbeiten von Fluiden, mit einer ilxtraktionspatrone, die einen mittleren Teil mit größerem Querschnitt zur Aufnahme der Fluide und einen rohrförmigen unteren Teil aufweist, der mit dem mittleren Teil in Verbindung steht und ein Trennkolonnenmaterial enthält und dessen unterstes Lnde eine Düse für den unteren Teil passierende Fluide bildet, mit einem ersten Behälter, der die Düse abdeckt, und mit einem Verschlußstück, das im oberen Lnde der Extraktionspatrone einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Teil (18) der Extraktionspatrone (16) sich innen zu seinem unteren Ende hin verjüngt, daß das untere Ende des ersten Behälters (32) innen mit sich in Längsrichtung erstreckenden radialen Führungen (29) zur Positionierung des unteren Teils (24) der Extraktionspatrone (16) und zum Schützen der Düse (28) versehen ist, daß die oberen Teile von Extraktionspatrone (16) und erstem Behälter (32) größere Querschnitte mit gleichem Innendurchmesser aufweisen, daß das Verschlußstück (10) auch in das obere Lnde des ersten Behälters (32) einsetzbar ist und daß der mittlere Teil (18) der Extraktionspatrone (16) und der erste Behälter (32) sich in gleichem Maße verjüngen, so daß Extraktionspatrone (16) und Behälter (32) dicht ineinandersetzbar sind und das Trennkolonnenmaterial (26) sowie die Düse (28) geschützt und dicht abgeschlossen sind, wenn das VerSchlußstück (10) in die Patrone (16) eingesetzt und die Patrone (16) in den ersten Behälter (32) gesteckt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennkolonnenmaterial (26) Teilchen mit derart bemessener Größe aufweist, daß ein Fluiddurchfluß unter dem Einfluß einer Zentrifugalkraft, die gleich der Erdschwerkraft ist, verhindert wird, dagegen ein kontrollierter Durchfluß zur Durchführung einer Extraktion von Bestandteilen des Fluids unter dem Einfluß einer Zentrifugalkraft, die größer als die Erdschwerkraft ist, möglich ist.
J5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Behälter (36) vorgesehen ist, der sich ebenso wie der erste Behälter (32) verjüngt, so daß der erste Behälter (32) in dem zweiten Behälter (36) passend einsetzbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Ende des Trennkolonnenmaterials (26) jeweils eine poröse Kugel (30), um das Trennkolonnenmaterial in dem unteren Teil (24) zurückzuhalten, angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Teil (24) der Patrone (16) Mittel (26, 30) enthält, die einen Fluiddurchfluß unter dem Einfluß einer Zentrifugalkraft, die gleich der Erdschwerkraft ist, verhindern, jedoch einen kontrollierten Durchfluß zur Durchführung einer Extraktion von Bestandteilen des Fluids unter dem Einfluß einer Zentrifugalkraft, die größer als die Erdschwerkraft ist, gestatten.

? 0 9 R '. " / Π S S 3