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Hintergrund der Erfindung
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In
der heutigen Forschung, der Bio-Wissenschaft und in anderen Analytik-
und Verfahrenslaboren müssen
Flüssigkeiten
und Suspensionen gemischt werden, um zelluläre oder molekulare Wechselwirkungen
zu aktivieren, chemisch zu kombinieren und zu begünstigen.
Das Mischen ist ein grundlegendes Verfahren, welches auf alle Formen
und Arten der technischen Materialverarbeitung angewendet wird,
beinhaltend jene, die bei biologischen, chemischen, pharmazeutischen,
Fermentations-, agrarwirtschaftlichen, petrochemischen und kosmetischen Verfahren
benutzt werden. Volumen von Mikroliter (weniger als 1,0 ml) bis
zu Multi-Liter müssen
gemischt werden. Arbeitsabläufe
bei großen
oder kleinen Volumenproben erfordern ein präzises, wiederholbares und kontrolliertes
Mischen und Heizen, um genaue und reproduzierbare Ergebnisse zu
erhalten.
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Das
Rühren
und Mischen wurden als Problem erkannt, weil das Mischen unvollständig ist
und eine Homogenität
nicht erzielt wird. Dies verursacht weitere Verfahrensfehler aufgrund
von Probenentnahme in oder zwischen Schichten verschiedener Konzentration,
die nicht für
die Stoffe, die gemischt werden, indikativ sind. Das Ergebnis sind
eine zufällige
Variation bei dem Verarbeitungsverfahren und Schwankungen und Ausschuss
bei dem resultierenden Erzeugnis. Mischen ist ein fundamentaler
Diffusionsprozess. Es ist nicht reversibel. Rühren ist ein mechanischer Prozess,
der oft dazu benutzt wird, ein Mischen zu bewirken. Rühren kann
durch natürliche Kräfte, wie
beispielsweise Gravita tion oder andere Zwangskräfte reversibel sein. Wird dieses
benutzt, ist effektives Rühren
entscheidend für
gründliches
Mischen. Effektives Rühren
erfordert physikalischen Kontakt zwischen den zu mischenden Materialien, der
nicht durch Bewegen, Anstoßen,
Wirbeln, Begasen, Kippen, Schütteln
oder abrollende Gefäße, welche
die zu mischenden Materialien enthalten, kopiert werden kann.
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Mischvorgänge bei
allen Volumina erfordert ein vollständiges Mischen. Kleinere Volumina
erfordern insbesondere ein vollständigeres und kontrolliertes
Mischen, um genaue und reproduzierbare Ergebnisse oder eine maximale
Ausbeute zu erhalten, ohne die Bestandteile zu beschädigen oder
diese auf andere Weise künstlich
zu verändern.
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Die
Grundlage dieses Problems ist, dass die derzeitigen Verfahren reguläre, vorhersagbare
und symmetrische Flussmuster innerhalb der Flüssigkeit oder der Stoffe, die
gemischt werden sollen, erzeugen. Es gibt Bereiche, die teilweise
gemischt oder nicht gemischt sind und es gibt eine konzentrationsbasierte
Schichtbildung von Reaktanden, wobei einige von diesen übergemischt
sind. Weiter ist es jetzt bekannt, dass effektives Mischen nur dann
erreicht werden kann, wenn die Flussmuster unterbrochen oder zufällig gewechselt
werden. Existierende Theorien und Mischmodelle beschreiben nicht
genau die Mischprozesse und die Mischgrenzen. Ein Beispiel einer
Mischmethode und -vorrichtung des Standes der Technik ist in der
US 2001/0019704 A1 beschrieben.
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Verfahren,
die benutzt werden um Flüssigkeitsvolumen
zu mischen, basieren auf dem Rühren mit
Schaufeln, drehenden Flügeln,
Blättern,
magnetischen Stäben
oder auf Kippen, Rollen, Schütteln oder
auf einer wirbelnden Bewegung des gesamten Gefäßes. Alle diese Verfahren erzeugen
symmetrische Rührdynamiken,
jedoch auch unvollständiges Mischen,
weil die benachbarten Stoffe sich auf symmetrische Weise übereinstimmend
bewegen und sich auf eine Weise bewegen, die nicht alle Bereiche des
Stoffes, der gemischt werden soll, beinhaltet. Deshalb ist das Mischen
unvollständig
und Homogenität
oder eine maximale Ausbeute wird nicht erreicht. Das Ergebnis sind
unkontrollierte Variationen bei dem Verfahrensablauf und Schwankungen
und Ausschuss bei dem resultierenden Produkt. In der derzeitigen
Praxis werden Leitbleche benutzt, die entweder an der Behälterwand
befestigt sind oder in den Behälter
eingehängt
sind, um diese regulären Mischmuster
zu unterbrechen. Diese Leitbleche sind nur minimal effektiv und
bewirken nur reguläre
und symmetrische Muster. Ein anderes Verfahren besteht darin, Flügelräder mit
variabler Neigung zu verwenden, um die Mischmuster zu verändern. Dieses
Verfahren wird das Muster ändern,
aber das Muster bleibt bestehen, weil sich das Flügelrad immer
noch um dieselbe Achse dreht. Mischen ist ein grundlegender Arbeitsablauf
bei allen Formen der Stoffverarbeitung. Die Verfahren, die zum Mischen
der Materialien benutzt werden, basieren auf üblichen physikalischen Eigenschaften
der zu mischenden Materialien und umfassen Volumen, Viskosität, Reynoldszahl,
Schmidt-Zahl, Geometrie des Behälters
und Temperatur.
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1A zeigt
eine konventionelle magnetische Rührtechnik, wobei ein Motor 110 benutzt
wird, der einen Permanentmagneten 115 dreht, welcher bewirkt,
dass der Rührstab 105 sich
am Boden des Behälters 120 bewegt.
Der Motor und der Magnet sind normalerweise unterhalb einer Plattform,
auf welche die Proben angeordnet werden, welche gemischt werden
sollen, angeordnet. Die Rührgeschwindigkeit
(U/min) wird häufig
durch ein Potentiometer (nicht gezeigt) gesteuert, welches die Spannung
für den
Motor 110 variiert. Wie in 1B gezeigt,
wird die Rührgeschwindigkeit
durch visuelle Beobachtung der Erfassung des Rührstabes und der Rührdynamiken
(siehe Flussmuster 125) in den Behälter 120 gesteuert.
Diese konventionellen Verfahren haben nur einen begrenzten Effekt
in Bereichen der Flüssigkeit,
welche sich nicht in der Nähe
des Rührstabes,
der Leitbleche oder des Flügelrades
befinden. Das Kippen, Schütteln
oder Rollen bewegt die Flüssigkeit
in gleichförmiger
Weise, was die Wechselwirkung zwischen den Stoffen begrenzt und
ebenso ein begrenztes Mischen im Zentrum, in den Ecken und entlang
der Wände
des Behälters
bewirkt. 1C zeigt eine übliche elektromagnetische
Rührtechnik
durch Zuführung
eines elektrischen Stromes zu Drahtspulen 130, die ein
elektromagnetisches Feld erzeugen. Der Rührstab 105 bewegt
sich in einer horizontalen rotierenden Bewegung am Boden des Behälters 120 in
Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld.
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1D zeigt
ein konventionelles Rührverfahren
mit einem von einem Motor angetriebenen Flügelrad unter Benutzung eines
Motors 110, der ein Flügelrad 150 über eine
rotierende Achse 145 in eine Drehbewegung versetzt um einen
flüssigen
Stoff in dem Behälter 120 zu
mischen. Dieses Verfahren hat den grundsätzlichen Nachteil von Verschmutzungen aufgrund
der Nähe
des Motors, der Dichtungen und der Lager, welche mit der Achse verbunden
sind, zusammen mit Problemen bei der Reinigung von all diesen Bestandteilen.
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Das
Mischen mit typischen symmetrischen Mustern und das Fehlen einer
Vermischung in einigen Bereichen bewirkt, dass die Flüssigkeiten
oder die Flüssigkeiten
und die Feststoffe sich im Behälter umher
bewegen eher relativ zueinander als miteinander zu kollidieren oder
ineinander zu diffundieren. Diese Verfahren bewirken keine vollständige Exposition
und häufige
Kollision der zu mischenden Bestandteile. Es ist bekannt, dass symmetrische
Mischmuster nicht das ganze Volumen des Behälters einbeziehen und kein
effizientes oder vollständiges
Mischen bewirken unabhängig
von der Länge
der Mischzeit. Eine Anzahl von Schichten von verschiedener Konzentration
ist vorhanden, die die Unfähigkeit
dieser Verfahren zeigen einen homogenen Zustand zu erreichen. Es
ist ebenfalls gezeigt worden, dass turbulente Strömungen und
chaotische Mischdynamik das Mischen verbessern und entscheidend sind
um Homogenität
zu erreichen oder eine vollständige
Wechselwirkung zwischen den Stoffen, die gemischt werden. Das turbulente
Element zerstört
diese Muster und stellt eine verbesserte Kollision und Exposition
der Stoffe, die gemischt werden, zur Verfügung. Es ist ebenfalls bekannt,
dass ein Rührgerät das gesamte
Volumen einbeziehen muss, um ein effektives Mischen zu bewirken.
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In üblicher
Weise positionierte horizontale Rührstäbe oder Flügelräder können nur die Geschwindigkeit,
die Geometrie oder die Rührzeit
verändern
und haben nur eine begrenzte Auswirkung in Gebieten der Flüssigkeit,
welche nicht in der Nähe des
Rührstabes
oder des Flügelrades
sich befinden. Kippen, Schütteln
oder Rollen bewegt die Flüssigkeit in übereinstimmender
Wiese, beschränkt
die Wechselwirkung der Stoffe und es gibt ebenfalls nur beschränktes Mischen
in den Ecken und entlang der Wände
des Behälters
und in der Nähe
des Wulstrandes oder des am weitesten oben liegenden Bereiches der
Flüssigkeit.
Diese Verfahren beruhen auf hohen Rührgeschwindigkeiten, um das
Mischen in Be reichen zu verbessern, welche entfernt sind von dem
Rührgerät, dem Rührstab oder
dem Flügelrad. Die
erhöhten
mechanischen Kräfte,
beispielsweise Scherung, Wirbel und Kavitation bewirken, dass zelluläre oder
andere anfällige
Bestandteile in der Flüssigkeit
oder der Probe verändert
werden, aktiviert oder physikalisch beeinträchtigt werden. Dies ist besonders
wichtig, wenn Pflanzen- oder
Tierzellen, andere Organismen, wie beispielsweise Bakterien oder Virusproben
und Proteine, labile Moleküle
oder langkettige Chemikalien gerührt
werden.
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Was
benötigt
wird, ist eine effiziente, sanfte Mischtechnik, die effektiv gemischte
Flüssigkeiten
in einem Behälter
bewirkt durch Hervorrufen asymmetrischer Mischmuster, die das gesamte
Volumen des Behälters
einbeziehen, ohne eine Veränderung
von Bestandteilen.
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Zusammenfassung
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Die
vorliegende Erfindung benutzt ein Verfahren, das eine sanfte chaotische
Mischdynamik erzeugt, die das gesamte Volumen einer Flüssigkeit
in einem Behälter
einbezieht, ohne gleichzeitig starke mechanische Kräfte, die
auf den zu mischenden Stoff einwirken, zu erzeugen und, welches
die Zeit bis zum Erreichen der Homogenität reduziert.
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Vertikales
Rühren
wird erreicht durch Benutzung eines Rührstabes, der aus einem Permanentmagneten
besteht und der eine Länge
aufweist, welche größer ist
als der Innendurchmesser von kleineren Behältern. Diese Länge des
Rührstabes
positioniert den Rührstab
im Allgemeinen vertikal in dem Behälter. Bei Anwendungen mit größerem Volumen ist
der Rührstab
schwimmfähig,
um eine vertikale Position einnehmen zu können. Wird eine Bewegung des
Rührstabes
durch mehrfache magnetische Felder bewirkt um verschiedene Rührmuster
und auswählbare
multidimensionale Bewegungen zu erzeugen, wird ein sanftes und effizientes
Mischen im gesamten Behälter
zur Verfügung
gestellt. Wird der Rührstab
gemäß regulärer und
irregulärer
Muster während
des Rührbetriebes
mit niedriger Geschwindigkeit bewegt, erzeugt dies eine chaotische
Stoffbewegung und Turbulenzen, die für ein vollständiges Mischen
der gesamten Flüssigkeit
benötigt
werden.
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Ein
Rührstab
mit geeigneten Abmessungen rührt
direkt über
die gesamte Tiefe der Flüssigkeit hinweg.
Der längere
Rührstab
erzeugt eine größere Flüssigkeitsbewegung
pro Einheitsbewegung des Rührstabes.
Dieses Verfahren ist anwendbar bei Flüssigkeitsvolumen von Mikrolitern
bis Liter und jeglicher Behälterform
umfassend Mikroröhren
mit V-förmigem,
flachem oder rundem Boden oder andere Behälter. Der Aufbau des Rührstabes
(beispielsweise länglich,
abgewinkelt, rund, etc.) weist Merkmale auf, die den Rührvorgang
verbessern, was turbulentes und chaotisches Vermischen bewirkt.
Der elektromagnetische Antrieb ist flexibel bei der Steuerung und dem
Wechsel der Rührdynamik
während
des Rührvorgangs,
um chaotisches Mischen zu erzeugen.
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Das
Verfahren der vertikalen Vermischung bildet das ursprüngliche
Rühren
mit dem Glasstab nach, welches vor der Technisierung des Rührens benutzt
wurde. Dieser manuelle Vorgang bewirkte, obwohl dies zu der Zeit
unbekannt war, irreguläres turbulentes,
chaotisches Mischen über
die gesamte Tiefe der Flüssigkeit.
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Kurze Beschreibung der verschiedenen
Ansichten der Zeichnungen
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Die
vorangehende Zusammenfassung sowie die im Folgenden detaillierte
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
werden besser verstanden im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen.
Zum Zwecke der Veranschaulichung der Erfindung werden in den Zeichnungen
Ausführungsformen
gezeigt, die derzeit bevorzugt werden. Es ist jedoch klar, dass
die Erfindung nicht auf die genauen Anordnungen und gezeigten Mittel
beschränkt
ist. Zu den Zeichnungen:
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1A zeigt
eine konventionelle magnetische Rührtechnik unter Benutzung eines
Motors und eines Permanentmagneten;
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1B zeigt
die resultierenden Flussdynamiken der Technik aus 1A;
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1C zeigt
eine konventionelle elektromagnetische Rührtechnik unter Benutzung von
Spulen, welche starre oder konstante Magnetfelder erzeugen;
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1D zeigt
eine konventionelle Rührtechnik
unter Benutzung eines Flügelrades,
welches mit Hilfe eines Motors rotiert und die resultierenden Dynamiken;
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2A zeigt
eine Technik unter Benutzung von externen magnetischen Feldern zur
vertikalen Bewegung von Rührstäben durch
das gesamte Volumen einer Flüssigkeit
in einem Behälter,
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2B zeigt
eine Technik, die externe magnetische Felder benutzt, um einen Rührstab in
vertikaler Richtung zu bewegen durch das gesamte Volumen einer Flüssigkeit
in einer kegelförmigen
Röhre in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2C zeigt
eine Technik, die externe magnetische Antriebe benutzt zur vertikalen
Bewegung eines Rührstabes
durch das gesamte Volumen einer Flüssigkeit in einer Röhre mit
rundem Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2D zeigt
eine Technik, welche externe magnetische Antriebe benutzt zur vertikalen
Bewegung eines Rührstabes
durch das gesamte Volumen einer Flüssigkeit in einer Röhre mit
flachem Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2E zeigt
eine Technik, welche externe magnetische Antriebe benutzt, um „V"-Muster-förmige Rührstäbe vertikal
durch das gesamte Volumen einer Flüssigkeit zu bewegen in einer
Röhre mit
kegelförmigem
Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2F zeigt
eine Technik, welche magnetische Antriebe benutzt, um „X"-Muster-förmige Rührstäbe vertikal durch das gesamte
Volumen einer Flüssigkeit
zu bewegen in einer Röhre
mit rundem Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2G zeigt
eine Technik, welche magnetische Antriebe benutzt zur Bewegung von „X"-Muster-förmigen Rührstäben vertikal
durch das gesamte Volumen einer Flüssigkeit in einer Röhre mit
flachem Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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3A zeigt
eine vertikale magnetische Rührtechnik
unter Benutzung eines schwebenden vertikalen Rührstabes in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3B zeigt
eine vertikale magnetische Rührtechnik
unter Benutzung eines stehenden vertikalen Rührstabes in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3C zeigt
eine vertikale magnetische Rührtechnik
unter Benutzung eines „L"-förmigen schwebenden
vertikalen Rührstabes
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3D zeigt
eine vertikale magnetische Rührtechnik
unter Benutzung eines kurzen Rührstabes,
der bei einem Winkel von ca. 45° schwimmt
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4A zeigt
einen runden Rührstab
und die resultierenden Dynamiken in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4B zeigt
einen quadratischen Rührstab und
die resultierenden Dynamiken in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4C zeigt
einen dreiecksförmigen
Rührstab
und die resultierenden Dynamiken in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5A zeigt
hintereinander verbundene Induktionsspulen, welche benutzt werden,
um magnetische Felder zu produzieren in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5B zeigt
einzelne Induktionsspulen, die benutzt werden, um magnetische Felder
zu erzeugen in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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die 6A und 6B zeigen
die Polaritäten,
die benutzt werden, um die Induktionsspulen unter Strom zu setzen
bei Einzelschritt-Rotationswinkeln, um magnetische Felder zu erzeugen
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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die 7A und 7B zeigen
die Polaritäten
des Stromes, der den Induktionsspulen zugeführt wird bei Halbschritt-Rotationswinkeln,
um magnetische Felder zu erzeugen in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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8 zeigt
den sinusförmigen
Antrieb der Induktionsspulen, um magnetische Felder zu erzeugen in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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9 ist ein Flussdiagramm, welches zeigt, wie
die Induktionsspulen hintereinander eingeschaltet werden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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die 10A und 10B zeigen
eine perspektivische Ansicht eines Simulators, der benutzt wird,
um effektive Rührdynamiken
in Übereinstimmung
mit einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu entwickeln;
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die 11A und 11B zeigen
Einzelheiten der Anordnung einer Steuereinheit für die Temperatur in Übereinstimmung
mit zwei Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung;
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12 ist
ein Flussdiagramm, welches zeigt, wie die Temperatur von flüssigen Stoffen,
welche durch die vorliegende Erfindung gerührt werden, gesteuert wird
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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13 ist
eine perspektivische Ansicht eines Rührers in Übereinstimmung mit der Erfindung; und
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14 ist
eine Ansicht von den Induktoren und den inneren Bauteilen des Rührers, schematisch dargestellt,
entlang der Linie 14-14 in 13.
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Die 15A–15H sind detaillierte Ansichten von Rührstäben in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung.
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Genaue Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Die
besonderen Bestandteile der vorliegenden Erfindung sind:
- (1) Vertikales Rühren;
- (2) Zufälliges
asymmetrisches Rühren,
welches turbulentes chaotisches Mischen erzeugt;
- (3) Sanftes Rühren
bei langsamer Geschwindigkeit, welches minimale Spannung und Scherung bewirkt
bei gleichzeitigem effektivem Mischen; direktes Mischen von Mikrovolumina,
0,2 bis 50 ml (Milliliter: ml), bis zu Multi-Liter (Liter: l) Volumen
- (4) magnetische Rührstäbe und Anordnungen umfassen:
- (a) einen schwebenden Rührstab,
- (b) einen schwimmenden Rührstab,
- (c) besondere Formen von Rührstäben, Wegwerfrührstäbe und beschichtete
und/oder sterile
- (d) besondere Formen von Anordnungen von Rührstäben; gerade röhrenförmige, flexible,
gebogene Stäbe
mit kleinem Durchmesser, etc. Zwischenaustauschbare Inkubationsblöcke mit
vielfachen Löchern
zur verbesserten Steuerung der Temperatur des Behälters.
- (4) Benutzung eines Simulators zur Feststellung der Effektivität von verschiedenen
Rührverfahren bei
gleichzeitiger Ermöglichung
der visuellen Beobachtung und Dokumentation der Rührdynamiken;
und
- (5) Temperatursteuerung unter Benutzung der Wärme, die
durch die magnetischen Spulen entsteht, welche benutzt werden, um
die magnetischen Felder zu erzeugen, und von Lüftern, um eine genaue Temperatursteuerung
aufrecht zu erhalten.
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1. Vertikales Rühren
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Vertikales
Rühren
wird erreicht durch Benutzung eines magnetischen Rührstabes,
der ausgestaltet ist mit einer Länge
und/oder einer Schwimmfähigkeit,
die den Rührstab
im Wesentlichen vertikal in dem Behälter positioniert, verglichen
mit Rührstäben, die
horizontal auf dem Boden des Behälters
liegen. Durch vielfache magnetische Felder wird eine Bewegung verursacht,
um verschiedene Rührmuster
und Bewegungen zu erzeugen (Beispielsweise nach oben, nach unten,
etc.) die ein effizientes Mischen über den gesamten Behälter hinweg
zur Verfügung stellen.
Bewegt man den Rührstab
sowohl gemäß regulärer als
auch irregulärer
Muster während
des Rührvorganges
wird ein turbulentes und chaotisches Mischen erzeugt. Ein Verfahren
wird zur Verfügung gestellt
zum gründlichen
und effizienten Durchmischen von Flüssigkeiten, Mixturen, Emulsionen, wässrigen
Massen und Suspensionen bei niedrigen Geschwindigkeiten mit chaotischem
Mischen in jedweder Art von Behälter
unabhängig
von der Form oder dem Volumen. Zufällige Variationen bei der Rührbewegung
stellen ein effizientes Mischen bereit durch Erzeugung von turbulenten
und chaotischen Mischdynamiken. Die Länge des Rührstabes in Vertikalrichtung
und dessen Aufbau verbessern die Effizienz des Rührvorganges über das
gesamte Volumen und reduzieren die Rührzeit.
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Der
erste Vorteil von vertikalem Rühren
besteht darin, dass die Länge
des Rührstabes
ein Mischen über
den größeren Teil
des Volumens der Flüssigkeit
erzeugt. Dies betrifft das gesamte Volumen der Flüssigkeit
im Unterschied zu den vorher diskutierten konventionellen Verfahren.
Mehr Flüssigkeitsverschie bung
pro Rotation bedeutet ein effektiveres Rühren bei wenigeren Rotationen
oder geringeren Rührgeschwindigkeiten.
Dies ermöglicht
einen sanfteren und langsameren Rührvorgang, der schneller ausgeführt werden
kann und Schwerkräfte
und physikalische Drücke
minimiert. Die Länge
des Rührstabes
sollte wenigstens die Hälfte
der Tiefe der Flüssigkeit
betragen, kann jedoch auch über
die Flüssigkeit hinaus
reichen.
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Wird
der Rührvorgang
zufällig
geändert,
werden die Mischeffekte grundlegend größer. Der längere Rührstab rührt direkt einen größeren Teil
des Volumens der Flüssigkeit
in dem Behälter
um. Unter Benutzung von magnetischen Antrieben kann der Rührstab durch
das gesamte Volumen der Flüssigkeit
bewegt werden.
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Ein
zweiter Vorteil besteht darin, dass diese Methode auch für Flüssigkeitsvolumen
von Mikrolitern bis zu Litern arbeitet. Es gibt keine nachweisbare obere
oder untere Grenze für
das Volumen. Dieses Verfahren ist anwendbar zum direkten Rühren von Mikrovolumen
oder kegelförmig
geformten Behältern,
für die
es derzeit keine direkten Rührverfahren gibt
und für
Liter oder Multilitervolumen, bei denen Scherkräfte oder mechanische Drücke nachteilig
für den
Mischvorgang sind.
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Vertikales
Rühren
mit externen magnetischen Feldern erlaubt die Veränderung
der Position und des Musters des Rührstabes, das zufällige Umherbewegen
innerhalb des Behälters,
Geschwindigkeitswechsel, eine Umkehrbewegung und einen Wechsel der
Rührvorgänge von
rotierend zu linear oder vertikal oder Kombinationen hiervon.
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Der
Aufbau des Rührstabes
kann Merkmale umfassen, welche zusätzlich das Mischen verbessern,
künstliche
Wechsel oder Verunreinigungen aufgrund des Rührstabes verhindern oder an
dem Reaktionsprozess teilnehmen. Diese Rührstäbe sind zum Wegwerfen gedacht,
um Verunreinigungen zu vermeiden. Der Aufbau kann ein einfacher
runder, quadratischer, gerippter, eckiger oder gerillter Stab sein oder
komplexe Lamellen umfassen, die das Mischmuster verändern. Die
Variationen sind zu zahlreich, um vollständig im Detail in dieser Beschreibung
beschrieben zu werden, aber werden anhand der vorliegenden Offenbarung
durch einen Fachmann erkannt.
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2. Rührstäbe
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Es
gibt verschiedene Ausführungsformen zur
Anwendung von vertikalem Rühren
gemäß der vorliegenden
Erfindung. 2A zeigt eine Technik unter
Benutzung von externen magnetischen Feldern um Rührstäbe, welche in vertikaler Richtung
positioniert sind, durch das gesamte Volumen der Flüssigkeit
in einem Behälter
zu bewegen. 2B zeigt eine Technik unter
Benutzung von externen magnetischen Feldern um einen Rührstab,
welcher in vertikaler Richtung positioniert ist, durch das gesamte
Volumen der Flüssigkeit
in einer kegelförmigen
Röhre zu
bewegen. 2C zeigt eine Technik unter
Benutzung von externen magnetischen Antrieben um einen Rührstab,
welcher in vertikaler Richtung positioniert ist, durch das gesamte
Volumen der Flüssigkeit
zu bewegen in einer Röhre
mit rundem Boden. 2D zeigt eine Technik unter
Benutzung von externen magnetischen Antrieben um einen in vertikaler
Richtung positionierten Rührstab
durch das gesamte Volumen der Flüssigkeit
zu bewegen in einer Röhre
mit flachem Boden. 2E zeigt eine Technik unter
Benutzung von externen magnetischen Antrieben, um ein „V"-Muster von Rührstäben, die
vertikal positioniert sind, durch dasgesamte Volumen der Flüssigkeit
zu bewegen in einer Röhre
mit flachem Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. 2F zeigt
eine Technik unter Benutzung von magnetischen Antrieben, um ein „X"-Muster von Rührstäben, welche
in vertikaler Richtung positioniert sind, zu bewegen durch das gesamte
Volumen einer Flüssigkeit in
einer Röhre
mit rundem Boden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. 2G zeigt eine
Technik unter Benutzung von magnetischen Antrieben, um ein „X"-Muster von Rührstäben, welche
in vertikaler Richtung positioniert sind, durch das gesamte Volumen
der Flüssigkeit
in einer Röhre
mit flachem Boden zu bewegen. Für
kleinere Volumen wird die Länge
des Rührstabes
so gewählt,
dass der Rührstab
in der Nähe
der vertikalen Richtung positioniert ist und mit einem kleinen Winkel.
Die Länge
Ist eine Variable in Abhängigkeit
von der Tiefe der Flüssigkeit.
Dies ist anwendbar bei Röhren
mit kegelförmigem
Boden wie auch bei Probenröhren
mit rundem oder flachem Boden bis zu 13 mm Durchmesser.
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3A zeigt
eine Ausführungsform 305,
bei der in einer Phiole, in einem Becherglas oder in einem Glaskolben
ein gerader vertikaler Rührstab
ein schwimmendes Element umfasst, welches den Rührstab in der Flüssigkeit
schwimmen läßt. Die
Anwendung des schwimmenden Elementes ermöglicht zusätzlich eine größere horizontale
Bewegung bei dem Rührvorgang,
bei dem der Rührstab
im Behälter
umherwandern kann und eine Drehbewegung aufweist. Der schwebende
oder schwimmende Rührstab
bewegt sich gemäß irregulärer Muster,
wobei das Ende des Magneten, welches zu den Antrieben gezogen wird,
den Rest des Rührstabes
zieht und das obere Ende des Stabes unterschiedlich taumelt und schwankt
mit jedem Schritt des Antriebes.
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3B zeigt
eine andere Ausführungsform mit
der vertikalen Rührstabanordnung
in einer Phiole oder einen Glaskolben, wobei die Länge des
Rührstabes
in den Hals des Glaskolbens hineinreicht und den Rührstab in
vertikaler Richtung hält.
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Bei
Anwendungen mit konstantem Volumen, bei denen das Flüssigkeitsvolumen
nicht reduziert ist oder verändert
wird während
des Mischens, ist ein langer Rührer
am geeignetsten. Die Länge
des Rührers
sollte zumindest zwischen der Hälfte
der Tiefe der Flüssigkeit
und der ganzen Tiefe der Flüssigkeit betragen.
Das magnetische Ende des Rührers
sollte auf oder leicht oberhalb des Bodens des Behälters schwimmen.
Bei Anwendungen mit veränderlichem Volumen,
bei denen Flüssigkeit
aus dem Behälter entfernt
oder dem Behälter
zugeführt
wird, ist ein kurzer Rührer
am geeignetsten. Dies ermöglicht
dem Rührstab
in verschiedenen Volumen der Flüssigkeit zu
schwimmen.
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Ein „L"-förmiges Design
arbeitet am Besten, wenn der Rührvorgang
eine Flüssigkeit
oder einen Feststoff von dem Boden des Behälters anheben muss. 3C zeigt
einen „L"-förmigen rührenden Stab.
Der vertikale Schenkel 320 des „L"-förmigen rührenden
Stabes umfasst ein schwimmendes Element, welches aus einer dünnen inerten
Wand oder aus bioverträglichem
Plastikmaterial besteht, beispielsweise aus einer Polypropylenröhre oder
aus ähnlichem
inerten Material. Dies stellt einen sehr leichten Rührer zur
Verfügung,
der die Scherbeanspruchung und den Schaden durch Zusammendrücken bei
dem zu rührenden
Material reduziert. Der horizontale Schenkel 325 des „L"-förmigen rührenden
Stabes umfasst einen Magneten. Der horizonale Schenkel „kehrt" den Boden des Behälters auf
irreguläre
Weise und Hebt die Partikel in die Flüssigkeit hoch. Dieser Rührstab bewegt
sich ebenfalls gemäß irregulärer Muster,
wobei das Magnetende, welches zu den Antrieben gezogen wird, den
Rest des Rührstabes
mitzieht und das obere Ende des Stabes „taumelt" und unterschiedlich mit jedem Schritt
des Antriebes schaukelt. Ist die Anwendung eine Anwendung bei der
Volumen reduziert wird, sollte der Rührer bei der Hälfte der
Flüssigkeitstiefe
beginnen und beide Schenkel sollten weniger als der Innendurchmesser
des Behälters
lang sein, so dass er sich hinlegen und rühren kann, bis der Behälter fast
leer ist. Falls es eine Anwendung ist, bei der Volumen hinzugefügt wird,
sollte der Rührer
bei oder oberhalb der Volumentiefe beginnen und bei ca. der Hälfte der Flüssigkeitstiefe
enden. Die Länge
des horizontalen Schenkels 325 ist im Allgemeinen gerade
lang genug, um den Magneten aufzunehmen und sollte nicht größer als
1/2 bis ¾ des
Innendurchmessers des Behälters
sein. Dies erlaubt einen mehr asymmetrischen Rührvorgang. Zusätzlich ist
die „L"-Form in einer Ausführungsform
flexibel und kann mit verschiedenen Winkeln ausgestaltet sein, welche
von 90° abweichen
und der vertikale Schenkel 320 kann in verschiedene Formen
gebracht werden, welche den Rührvorgang
verbessern.
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Die
andere Variable bezüglich
dieser Rührer ist
der Durchmesser des Rührers.
Kleine Durchmesser werden kleinere Volumen gut mischen. Größere Volumen
erfordern Rührer
mit größerem Durchmesser.
Beispielsweise ist ein 2,5 mm-Durchmesser
erforderlich, um einen Behälter
mit 25 mm Durchmesser zu rühren
und ein Rührer
mit 4 oder 6 mm Durchmesser ist erforderlich, um einen Behälter mit
100 mm-Durchmesser zu rühren.
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Bei
Anwendungen, bei denen ein stärkerer Rührvorgang
notwendig ist, um Stoffe von dem Boden des Behälters zu resuspendieren, hat
sich ein „L"-förmiger
Rührer
mit einer dicken Wand aus Polypropylen oder ähnlichem inertem Material sich
als effektiv erwiesen. Der Rührer
muss leichter als die Flüssigkeit
sein, die er verdrängt,
so dass er in vertikaler Richtung orientiert bleibt. Seltene Erden
Magnete und Hochleistungsinduktionsantriebe erhöhen die Stärke des Rührvorganges.
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Ein
anderer Rührer
für variable
Volumen ist eine kurze, gerade Röhre 330,
die um einem Winkel von schätzungsweise
45° (siehe 3d)
schwimmend bewegt. Die Bewegung dieses Rührers ist rotierend und vertikal
und wird durch die magnetischen Felder bewirkt, da das höhere Ende
angezogen und abgestoßen
wird durch die magnetischen Felder. Dieser Rotier- und Schüttelvorgang
erzeugt Turbulenzen und Mischen. Dieser Rührer arbeitet im Allgemeinen
am Besten, wenn er ¼ bis
1/2 des Durchmessers des Behälters
aufweist und er unabhängig
von der Flüssigkeitstiefe
ist. Dieser mischt gewöhnlich
am Besten bei Volumen von 50 ml oder größer.
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Variationen
bei der Form und der Größe des Rührstabes
verursachen unregelmäßiges Rühren ohne
die elektromagnetische Antriebssequenz zu wechseln. Anordnungen
von längeren
Rührstäben benötigen manchmal
zusätzliche
Gewichte um den Rührstab
am oder in der Nähe
des Bodens des Behälters
zu positionieren. Die Position dieser Gewichte und des Magneten
verändern
die Balance des Rührstabes
und damit die Bewegung des Rührstabes, wenn
sich dieser in der Flüssigkeit
umher bewegt. Die Hinzufügung
eines außermittigen
Gewichtes oder einer nicht symmetrischen Form verursacht ungleichmäßige Rührmuster.
Die Länge
eines schwimmenden Rührstabes
hat verschiedene Auswirkungen auf den Rührvorgang. Das Ende des Rührstabes
unterhalb der Oberfläche
der Flüssigkeit
wird anders gerührt
als mit einem Rührstab,
welcher sich durch die Oberfläche
hindurch erstreckt, wobei dieser direkt den Wulstrand mischt ohne
einen Wirbeleffekt.
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Rührstäbe rotieren
ebenfalls um ihre zentrale Achse, indem sie in einer kreisförmigen Bewegung umherlaufen,
wobei in diesem Fall ein zweiter Mischvorgang eingeleitet werden
kann durch Lamellen, Rillen oder andere physikalische Merkmale entlang
der Länge
des Rührstabes.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann der vertikale Rührstab,
beispielsweise in einer einer Phiole, einem Becherglas oder einem
Glaskolben auf dem Boden des Behälters
verbleiben oder über
dem Boden des Behälters
schweben auf mechanische oder magnetische Weise wie oben beschrieben.
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In
einer weiteren Ausführungsform,
beispielsweise in einer Phiole, einem Becherglas oder einem Glaskolben
kann der vertikale Rührstab
hohl sein und als Leiter dienen, um Stoffe der Flüssigkeit am
oder in der Nähe
des Bodens des Behälters
zuzuführen
oder er kann dazu benutzt werden, um Proben zu ziehen, ohne Verunreinigungen
oder dem Erfordernis von speziellen Anschlüssen.
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Magnetische
Rührstäbe sind
ein grundlegender Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Die Länge, die
Breite oder der Durchmesser, die Form, das Material, die Schwimmfähigkeit
und der Überzug
des Rührstabes
können
die Rührdynamiken
und die Reaktion oder den Prozess beeinflussen. Ebenso ist der Magnet
für die
meisten Anwendungen mit einem Überzug
versehen mit einer Vielzahl von inerten, biokompatiblen oder anwendungspezifischen
Materialien, wie beispielsweise Parylene®, Teflon®,
Polyethylen, Polypropylen, etc. Für gewisse Anwendungen ist es
notwenig, dass der Rührstab
sterilisiert wird oder frei von Verunreinigungen ist.
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Die
Anordnung des Rührstabes
kann Merkmale beinhalten, die zusätzlich das Mischen verbessern.
Bei Anwendungen in kleinem Volumen ist der Rührstab ein geformter Magnet.
Bei Anwendungen mit größerem Volumen
ist die Länge
des Magneten mit Hilfe einer Erweiterung vergrößert. Es wird bevorzugt, dass
die gesamte Länge
größer ist
als die Hälfte
der Tiefe der Flüssigkeit
in dem Behälter.
Dies ist von der Anwendung abhängig,
aber im Allgemeinen ist das Mischen umso sanfter und die Zeit umso
kürzer,
die für
ein vollständiges
Mischen der Stoffe benötigt
wird, je länger
der Rührstab
ist.
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Der
Rührstab
muss so ausgewählt
werden, um der Behältergröße und Form,
dem Flüssigkeitsvolumen,
der Viskosität
und der Partikelgröße zu genügen. Die 4A, 4B und 4C zeigen
die Grundformen (Querschnitt) der Rührstäbe, umfassend runden (zylindrischen) 405,
quadratischen (rechteckigen) 410 und dreieckigen 415.
Jede Länge und
Form des Rührstabes
muss für
die Geometrie des Behälters
geeignet sein. Die Rührdynamiken, welche
durch die grundlegenden Rührstabformen
erzeugt wird, wird jetzt beschrieben.
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Der
runde Rührstab
stellt wie in dem Beispiel oben beschrieben ein vollständiges Mischen
und wenig Scherkraft oder ein sanftes Rühren zur Verfügung. Die Form
verursacht ein einfaches Fließen
der Flüssigkeit
um den Durchmesser des Rührstabes; zellulare
oder labile Moleküle
werden nicht beschädigt.
Dies ist wünschenswert,
wenn zelluläres
Material oder anfällige
oder labile Biomoleküle
gemischt werden müssen.
Er kann auch dazu benutzt werden, um zelluläre Suspensionen aufrecht zu
erhalten zum Optimieren der Zell/Nährstoffexposition zur Verbesserung
des Wachstums der Kulturen.
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Die
Anwendung eines quadratischen Rührstabes
erhöht
die Stärke
dieser Dynamiken. Der quadratische Rührstab drückt ein größeres Volumen der Flüssigkeit
um die Ecken des Rührstabes
bewirkt mehr Kraft als ein runder Rührstab. Dies erhöht die Turbulenz
und die chaotischen Kräfte,
die die Wirbelströme
und Kavitäten
erzeugen, welche für
moderat starke Mischanwendungen benötigt werden; beispielsweise
ein Mischen, um eine Emulsion zu bilden oder ein Mischen von zähflüssigen Stoffen.
Diese zwei Dynamiken treten an beiden Enden des Rührstabes
auf. Designs von Rührstäben mit
quadratischen Ecken, die sich bei mittlerer bis hoher Drehzahl pro
Minute bewegen, bewirken größere physikalische
Kräfte
in der Flüssigkeit.
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Ein
dreiecksförmiger
Rührstab
stellt die größte Turbulenz
und Chaos zur Verfügung,
welches in negativem Druck, Scherkräften, Wirbelströmen und
Kavitäten
resultiert. Dieser Rührstabaufbau drückt ein
größeres Volumen
der Flüssigkeit.
Die Flüssigkeit
fließt
schnell über
die Fläche
des Dreiecks weg von dem Rührstab.
Dies erzeugt den größten negativen
Druck, weil die Flüssigkeit
von dem Rührstab
wegfließt.
Dieser negative Druck führt
zu überhöhten Wirbelströmen und
Kavitäten.
Dies wiederum verursacht die größten physikalischen
Kräfte in
der Flüssigkeit.
Bei hohen Geschwindigkeiten kann dies zu Zellzerstörung führen, welche
bei bestimmten Prozessen oder Protokollen notwendig ist.
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Das
gerührte
Volumen ist ein Ergebnis des Oberflächenbereichs des Rührstabes,
welcher die Flüssigkeit
drückt.
Der Oberflächenbereich
ist die Breite des Rührstabes
multipliziert mit der Länge
des Rührstabes.
Wie oben beschrieben drückt
eine flache Oberfläche
mehr Flüssigkeit
als die runde Oberfläche
resultierend in einer größeren physikalischen Bewegung
in der Flüssigkeit.
Weitere Variablen bei den Rührdynamiken
sind neben der Größe und der Form
des Rührstabes,
die Behältergröße und Form, das
Flüssigkeitsvolumen,
die Viskosität,
die Temperatur und die Partikelgröße.
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Die
Größe und Form
des Rührstabes
bestimmt die Rührdynamiken.
Jede Behältergröße und -form
bewirkt Variationen in den Rührdynamiken,
jedoch überwindet
das vertikale Rühren
diese Beschränkung.
Rührstäbe, die
durch die Oberfläche
der Flüssigkeit
hindurchragen, rühren
auf andere Weise als ein Rührstab,
der kürzer
ist als die Tiefe der Flüssigkeit.
Ein Rührstab
in einer kegelförmigen
Röhre (siehe 2E,
Technik 235) wird in einem „V"-förmigen
Muster rühren.
Ein Rührstab
in einer Röhre
oder einer Phiole mit flachem (siehe 2G, Technik 245) oder
rundem Boden (siehe 2F, Technik 240) rührt gemäß einem „X"-Muster.
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Bei
Behältern
mit Tiefen größer als
20 mm oder Durchmessern größer als
8 mm muss die Länge des
Rührstabes
verlängert
werden. Die bevorzugte maximale Länge der 2 mm-Durchmesser aufweisenden
Magneten ist schätzungsweise
10 mm. Die bevorzugte Methode zur Verlängerung erfolgt mit einem Material
oder Element das schwimmt oder einer Verlängerung mit kleinem Durchmesser
(0,040 bis 1,0 mm). Dies kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden.
Der Vorteil ist, dass das Rührelement ein
vertikales Element aufweist, welches zumindest die Hälfte der
Höhe des
Flüssigkeitsvolumens
betrifft für
mehr effektives Rühren
bei niedrigen Geschwindigkeiten.
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Bei
größeren Volumen
kann der Rührstab am
oberen Ende des Behälters
schwebend sein oder innerhalb der Flüssigkeit schwimmen. Ein schwebender
Rührstab
rührt gemäß einem
irregulären
invertierten „V"-förmigen Muster
und bewegt sich von Induktor zu Induktor und abhängig von dem Induktormuster.
Ein Rührstab,
welcher schwimmt, wird in einem irregulären Muster ausgelenkt, so dass
er sich im gesamten Behälter
umher bewegt. Die Induktorantriebsmuster können konzentrische Kreise sein, die
hintereinander kreisförmige
Mischmuster in dem Behälter
erzeugen. Der Rührstab
bewegt sich ebenso gemäß irregulärer Muster,
bei denen das Ende des Magneten, welches zu den Antrieben gezogen wird,
den Rest des Rührstabes
zieht und das obere Ende des Stabes „taumelt" und schwankt unterschiedlich bei jedem
Schritt des Antriebes. Der magnetische Antrieb kann ebenso eine
kontrollierte vertikale Be wegung herbeiführen, wenn der Rührstab oberhalb
des Bodens des Containers schwimmt und hinuntergezogen wird durch
das magnetische Feld und dann losgelassen oder abgestoßen wird.
Ein Rührstab,
welcher sich vertikal bewegt, wobei vertikale Bewegungen in einem
hohen, engen Behälter, beispielsweise
eine Teströhre,
besser mischen, wenn der Durchmesser des Rührstabes einen hervorspringen
Rand oder Finger aufweist, die sich radial von seinem Durchmesser
erstrecken. Vertikale Bewegungen mischen bis zur Homogenität in kürzerer Zeit als
andere Rührmodalitäten.
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Mit
Bezugnahme jetzt auf die 15A bis 15H, wird eine Anzahl von Ausführungsformen von bevorzugten
Rührstäben in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung gezeigt. In 15A ist
ein beschichteter oder ein gekapselter (eingeschlossener) Magnet 1501 gezeigt
mit einem geraden Stab 1502 mit kleinem Durchmesser, welcher
bevorzugt 1 bis 3 mm Durchmesser aufweist um einen verlängerten
Rührstab
zu bilden. Dieser Stab 1502 kann rund, flach, mehreckig
oder auf andere Weise bezüglich
seines Querschnittes geformt sein. Vorzugsweise ist der Stab 1502 aus
einem inerten polymeren Material gebildet. Jedoch kann auch ein
metallisches Material benutzt werden.
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15C ist eine andere Ausführungsform des Rührstabes, ähnlich zu
der 15A. Bei dieser Ausführungsform
ist ein gebogener Stab 1503 mit einem Magneten 1501 verbunden.
In den beiden 15A und 15B stellt
der Stab mit kleinem Durchmesser einen verbesserten Rührvorgang
bei Röhren
mit kleinem Durchmesser (7 bis 13 mm) mit einer Tiefe größer als
20 mm zur Verfügung.
Weil das Rührgerät um seine
eigene Achse rotiert, zusätzlich zu
dem Rotieren um die magnetischen Pole, fügt der gebogene Stab 1503 eine
zusätzliche
Dimension dem Rührvorgang
hinzu.
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Mit
Bezugnahme auf die 15D ist eine andere Ausführungsform
eines Rührstabes
in Übereinstimmung
mit der Erfindung gezeigt. Der Rührstab umfasst
den Magneten 1501, welcher in einer geraden Röhre 1504 eingeschlossen
ist. Die Röhre 1504 kann
aus festem Material bestehen, welches leicht genug ist um zu schwimmen,
beispielsweise aus offenporigem Schaum mit einer spezifischen Dichte weniger
als 1. Vorzugsweise besteht die Röhre 1504 aus polymerem
Material. Dieser Rührstab
funktioniert in ähnlicher
Weise wie der Rührstab
der 15A, aber die Röhre 1504 mit
dem größeren Durchmesser
stellt mehr Rührbewegung
zur Verfügung.
Ebenso wird ein Schwimmmerkmal zur Verfügung gestellt, was seinen Einsatz
in größeren Behältern erlaubt,
um vertikales Rühren
zur Verfügung
zu stellen ohne Beschränkungen
von Länge
bezüglich Durchmesser.
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Mit
Bezugnahme auf die 15D ist eine Anordnung von geformten
Rührstäben im Detail
in Übereinstimmung
mit der Erfindung gezeigt. Dieser Rührstab benutzt eine geformte
Röhre 1505 mit
einem unteren, sich im Allgemeinen horizontal erstreckenden Schenkel,
in dem der Magnet 1501 vorzugsweise angeordnet ist und
einem sich im Wesentlichen vertikal erstreckenden Schenkel, welcher
mit diesem verbunden ist. Ein Gewicht 1506 wird optional
zur Verfügung
gestellt. Das Gewicht 1506 ist erforderlich, wenn das Gewicht
des Rührstabes
nicht ausreicht, um den Rührstab
in der Nähe
des Bodens des Flüssigkeitsbehälters untergetaucht
zu halten. Ein oder mehrere Gewichte 1506 können benutzt werden.
Die Positionen des/der Gewichts/e 1506 und des Magneten 1501 können auf
beliebige Weise angeordnet werden, die die Bewegung des Rührstabes ändern, so
dass die Mischdynamiken unterschiedlich sein werden. Wird der Magnet 1501 an
dem Ende des horizontalen Schenkels angeordnet, wird der vertikale
Schenkel wiederum in der Flüssigkeit
herum gezogen. Wird dagegen der Magnet 1501 in der Nähe des Knicks
angeordnet, wird der horizontale Schenkel hinter dem vertikalen
Schenkel umhergezogen. Der Magnet 1501 kann ebenfalls oberhalb des
Knicks in der Nähe
des horizontalen Schenkels angeordnet werden, wobei wieder ein unterschiedlicher
Rührvorgang
dem Rührstab
vermittelt wird und konsequenterweise eine unterschiedliche Mischdynamik.
Die Röhre 1505 kann
aus festem Material bestehen, welches zum zu schweben, beispielsweise geschlossenporiger
Schaum oder anderes Material mit einer spezifischen Dichte weniger
als 1, und welches vorzugsweise aus polymerem Material besteht.
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Mit
Bezugnahme jetzt auf die 15E bis 15H werden Variationen von Rührstäben gezeigt, welche mit einem
flexiblen Element 1507 mit einem geriffelten Bereich 1508 hergestellt
werden. Die Magnet- und Gewichtskonzepte sind in diesem Rührstab enthalten,
werden aber nicht gezeigt. Das flexible Element ist ein geriffelter
Bereich 1508 der Röhre. 15E zeigt den geriffel ten Bereich 1508 in
einem zusammengedrückten
Zustand. 15F zeigt den geriffelten Bereich 1508 ausgezogen,
wobei dieser dazu benutzt werden kann, um einen längeren Rührstab zu
erzeugen. 15G zeigt den geriffelten Bereich
gebogen, um einen gewinkelten Rührstab
herzustellen. Der Rührstab
kann aus einem festen Material bestehen, welches leicht genug ist,
um zu schwimmen, beispielsweise geschlossenporiger Schaum oder anderes
Material mit einer spezifischen Dichte weniger als 1. Diese Variationen
stellen Rührvorgänge von ähnlicher
Form wie oben beschrieben zur Verfügung.
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Mit
Bezugnahme zu 15H weist der geriffelte Bereich 1508 wie
alle Plastikteile eine Erinnerungseigenschaft auf und wird dazu
tendieren nach dem Biegen etwas nachzugeben. Um die Biegung, nachdem
die gewünschte
Form angenommen wurde, festzulegen, wird der geriffelte Bereich
gedrückt oder
flachgedrückt
wie gezeigt. Der Knick wird vollständig gezahnt und bleibt festgelegt,
bis er erneut geformt wird.
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Während die
grundlegenden Variationen des Rührstabes
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung gezeigt wurden, erkennt der Fachmann
aus der vorliegenden Offenbarung, dass andere Variationen der gezeigten
Darstellungen unterschiedliche Rührvorgänge zur
Verfügung
stellen. Die Rührstäbe in Übereinstimmung
mit der Erfindung können
auf vielfältige
Weise hergestellt werden, beispielsweise durch Schneiden und Knicken,
Formpressen, Heizfalzen und Verschmelzen sowie durch verschiedene
andere geeignete Verfahren.
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3. Elektromagnetische Antriebe
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Die
Elektronik des elektromagnetischen Antriebs und die Software können auf
vielfältige
Weise eingestellt und programmiert werden. Jegliche Anzahl von Induktoren
kann benutzt werden, beispielsweise ein einziger horizontaler Induktor
mit zwei sich erstreckenden Kernen oder zwei oder mehrere Induktoren
für verschiedene
Behälterformen
und Anwendungen. Die 5A und 5B zeigen
schematisch Variationen der Induktoren und Variationen von den möglichen
Antriebssequenzen für
verschiedene Rührstabdynamiken.
Dieses Gerät
steuert die Stärke,
die Position und die Ansteuerungssequenz für das magnetische Feld. Die
magnetischen Antriebe können
elektromechanisch oder voll elektronisch sein für eine genaue Rührgeschwindigkeit,
Dynamiken und Steuerung der Positionierung. Die magnetischen Antriebe,
welche seitlich des Behälters
angeordnet sind, bewirken eine horizontale und vertikale Bewegung.
Die magnetischen Antriebe, welche unterhalb des Behälters angeordnet
sind, werden den Rührstab
abstoßen
oder anziehen und wieder eine horizontale und eine vertikale oder
eine Abhebebewegung bewirken. Beide tragen zum chaotischen höheren Rühren bei,
resultierend in einem turbulenten Mischen. Größere Volumen können durch
Anordnung von Induktoren auf mehreren konzentrischen Kreisen gerührt werden.
Der Rührstab
wandert umher und zwischen den Induktoren, um ein Rühren in allen
Bereichen des Behälters
zu bewirken und erzeugt mehr irreguläre chaotische Muster. Diese
magnetischen Antriebskräfte
sind vorzugsweise unten und/oder an den Seiten angeordnet, um den
Rührstab
zu der äußeren Wand
und den Ecken zu ziehen.
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Die
magnetischen Antriebskräfte
sind unterhalb und/oder um die Seiten des Behälters herum angeordnet. Es
können
auch mehrere einzelne oder ein Bündel
von magnetischen Antrieben in Abhängigkeit der Größe des Behälters vorhanden
sein. Ebenso können
diese auch oberhalb des Behälters
angeordnet sein, wobei der Rührstab
einen Magnet aufweisen würde,
welcher am oberen Ende des Rührstabes angeordnet
ist. Die Abfolge der Antriebe erzeugt verschiedene Mischmuster.
Der grundlegende Mischvorgang besteht aus zwei Elementen. Der eine
ist ein rotierender und der zweite ist ein chaotischer Vorgang,
welcher durch den Rührstab
verursacht wird, der von dem magnetischen Antrieb oder der Sequenz der
magnetischen Antriebe entkoppelt wird. Die Antriebsvariationen können umfassen
Stoppen, Rückwärtsgehen,
zufällige
nicht rotierende Bewegungen oder eine Kombination von allen diesen.
Diese chaotischen Rührvorgänge erzeugen
asymmetrische Turbulenz in der Flüssigkeit.
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Die
Rotationsbewegung erzeugt Strömungen,
die Partikel suspendieren und die Mischmuster der Flüssigkeit
entstehen lassen. Das irreguläre
und chaotische Rührelement
zerstört
die Flussmuster des Rührens
und erzeugt Turbulenz und stellt ein vollständigeres Mischen bereit. Die
mehreren Induktoren und der chaotische Vorgang bewirken, dass der Rührstab sich
auf das Zentrum, die Ecken und die Wände hin bewegt, wo reguläre Mischmuster
am wenigsten effizient sind und zerstört die regulären Mischmuster.
Die magnetischen Antriebe, wie in dieser Erfindung gezeigt, ziehen
den Rührstab
seitwärts und
begrenzen die nach unten wirkenden Kräfte, welche typische magnetische
Rührer
erfahren, die die mechanischen Kräfte erhöhen und bewirken, dass zelluläre oder
andere anfällige
Bestandteile in der Flüssigkeit
oder der Probe verändert,
aktiviert oder physikalisch beeinträchtigt werden.
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Das
Design der Induktorspule ist einzigartig in der Hinsicht eines Kernstückes, das
sich über
die Länge
der Induktorspule hinaus erstreckt, um das magnetische Feld an der
Seite des Behälters
und oberhalb des Bodens des Behälters
anzuordnen. Die Position des Spulenkerns kann dabei von dem Boden des
Behälters
bis zu der vollen Höhe
des Behälters reichen
in Abhängigkeit
von der Anwendung.
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In
jedem Fall wird vollständiges
Mischen bei wesentlich niedrigeren Geschwindigkeiten als mit konventionellen
Rührverfahren
erreicht. Langsames Rühren
ist vorteilhaft, weil es die Umstände und Auswirkungen von mechanischen
Kräften,
von Scherung oder Kavitationen, chiralen oder anderen Wirbeln reduziert
und deshalb die Flüssigkeit
oder Probe nicht verändert,
beschädigt
oder aktiviert. Dies ist insbesondere wichtig, wenn Pflanzen- oder
Tierzellen oder andere Organismen wie beispielsweise Bakterien oder
virale Proben und Proteine oder langkettige Chemikalien gerührt werden.
Viele aufgezüchtete Zellen
sind nicht so widerstandsfähig
wie „natürliche" Zellen und die vorliegende
Erfindung trägt
diesem Problem Rechnung durch Bereitstellung von sanftem Rühren, welches
aufgrund der chaotischen Natur des Rührens gründlich ist.
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Eine
typische Rührsequenz
würde ein
Rotationsmuster beinhalten, welches weniger als die Größe des Durchmessers
des Behälters
ist. Nach einer Zeitspanne, wenn die Flüssigkeit zu fließen beginnt
in einem kreisförmigen
Muster, üblicherweise
nach Sekunden, wird die Rotationsbewegung für eine kurze Zeitspanne zerstört und anschließend wird
wieder zu einem Rotationsmuster zurückgekehrt. Dies kann durch
Umkehr, Stoppen, einem Wechseln des Bündels von Antrieben oder einem
Wechseln der Rotationsgeschwindigkeit erreicht werden. Der Stab
wird sich dann für
eine Zeitspanne gemäß einem
zufälligen
Muster bewegen durch Anziehung und Abstoßung durch die verschiedenen
magnetischen Kräfte. Bei
größerem Volumen
bewegt sich der Rührstab umher und
zwischen verschiedenen konzentrischen Kreisen, um ein Rühren in
allen Bereichen des Behälters
hervorzurufen, was die symmetrischen Rührmuster zerstört. Obwohl
die zerstörten
Muster vollständig
zufällig
sind, umfasst das Muster all die Bereiche, welche nicht gut mit
konventionellen Verfahren gemischt wurden. Der restliche Flüssigkeitsfluss führt den
Rührstab
ebenfalls in Bereiche, die nicht gut gemischt wurden. Der Fluss
der Flüssigkeit
und die rotierenden magnetischen Felder überwinden schließlich die
zufällige
Bewegung und führen
dazu, dass der Rührstab
zu dem Rotationsmuster zurückkehrt,
bis dieses Muster wiederum zerstört
wird.
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Die
magnetischen Antriebe können
positioniert und in einem bestimmten Muster in Folge angeordnet
werden, welches die Position des Rührstabes ändert, damit in verschiedenen
Bereichen des Behälters
gemischt wird, wobei Mischmuster sich aufbauen und dieser anschließend in
eine andere Position sich bewegt, wo andere kollidierende Muster
aufgebaut werden, die eine Turbulenz innerhalb der Flüssigkeit
erzeugen. Dies kann wiederholt werden, solange bis ein vollständiges Mischen
erreicht worden ist. Die möglichen
Variationen sind endlos und können
für die
Stoffe und die Behälter,
die im Gebrauch sind, angepasst werden. Während vier magnetische Antriebe
gezeigt worden sind, können
auch mehr zur Verfügung
gestellt werden und die Antriebe können in üblicher Weise in konzentrischen
Kreisen für
größere Behälter angeordnet
werden, so dass der Rührstab sich
nach innen und außen
bewegt auf verschieden großen
Kreisen oder er kann zurück
und nach vorne auf verschiedenen Wegen bewegt werden, um die Flüssigkeit
in dem Behälter
auf zufällige
und chaotische Weise zu mischen. Zusätzlich ist es möglich, eine
Anordnung von magnetischen Antrieben in einem Rührgerät anzuordnen, beispielsweise
wie in den 13 und 14 gezeigt,
wobei einer oder mehrere der Antriebe in verschiedenen Bereichen gemeinsam
gesteuert werden, so dass beispielsweise sechs verschiedene Behälter zur
gleichen Zeit gemeinsam gemischt werden können unter Benutzung der gleichen
oder auch verschiedener Abfolgen zum Ansteuern einer oder mehrerer
Gruppen von magnetischen Antrieben an den Behälterlöchern, die in einer Halterung
angeordnet sein können
oder die bevorzugt in einem Inkubationsblock festgelegt werden wie
weiter unten ausführlicher
beschrieben. Zusätzlich
kann das Rührgerät so angepasst
sein, um bekannte Arten von Inkubationsblöcken für verschiedene Größen der
Behälter aufzunehmen,
wobei die Anordnung der magnetischen Antriebe programmierbar ist,
so dass die magnetischen Antriebe auf Grundlage der Position, der
Größe und der
Anzahl der Behälter, die
benutzt werden, gesteuert werden kann.
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Die
Induktoren können
dazu benutzt werden, den Rührstab
an einer Seite zu positionieren oder den Rührstab zu synchronisieren,
um eine fotooptische Messung, welche durch den Stoff gemacht wird, zu
ermöglichen.
Normalerweise muss der optische Pfad oberhalb des Rührstabes
sein und ab und zu würde
der Rührstab
den optischen Pfad beeinträchtigten
aufgrund von Hochspringen oder Hochgehen („lofting"). Die Möglichkeit den Rührstab zu
positionieren kann ebenso dazu benutzt werden, um Raum bereitzustellen
für eine
Probe, welche in den Stoff eingeführt werden soll.
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Die
Induktoren können
angesteuert werden in ähnlicher
Weise wie ein Schrittmotor angetrieben wird. Verschiedene Antriebssequenzen
stellen verschiedene Rührdynamiken
bereit. Im Gegensatz zu einem Motor oder einem mechanischen Antrieb
können
die Sequenz und die Rührmuster
auf vielfältige Weise
programmiert werden und sind sehr viel genauer bei ihrer Anwendung.
Die Bewegung ist nicht stetig, wie ein sich drehender Magnet, aber
stattdessen Punkt zu Punkt (Induktor zu induktor), welches Irregularitäten hinsichtlich
der Bewegung des Rührstabes
erzeugt und in unbegrenzter Steuerung der Rührstäbe resultiert.
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5A zeigt
einen Schaltkreis 505 umfassend vier Induktionsspulen 515,
welche im Allgemeinen in gleichem Abstand voneinander beabstandet sind.
Die Induktionsspulen 515 sind um ein Loch angeordnet, welches
einen Behälter
mit flüssigem
Material, welches gerührt
werden soll, aufnimmt. Zwei Paare von sich gegenüber befindlichen Induktionsspulen 515 sind
in Serie miteinander verbunden.
-
Die
Abfolge der Anregung oder Ansteuerung von jedem Paar der Induktionsspulen
ist wie folgt:
- (1) Paar 1 (A bis C) wird angesteuert
in einer Vorwärtsrichtung
und Paar 2 (b bis d) ist nicht angesteuert;
- (2) Paar 1 (A bis C) ist nicht angesteuert und Paar Nr. 2 (B
bis D) wird angesteuert in einer Vorwärtsrichtung;
- (3) Paar 2 (B bis D) ist nicht angesteuert und Paar Nr. 1 (A
bis C) wird angesteuert in der Rückwärtsrichtung;
und
- (4) Paar 1 (A bis C) ist nicht angesteuert und Paar Nr. 2 (B
bis D) wird angesteuert in der Rückwärtsrichtung.
-
Diese
obige Sequenz (1) bis (4) dreht den magnetischen Rührstab um
eine Umdrehung. Diese Sequenz wird wiederholt solange es erforderlich
ist, um den Rührstab
bei der gewünschten
Geschwindigkeit zu drehen. In einer bevorzugten Ausführungsform
für das
vertikale Rühren
eines 0,5 ml Behälters kann
der Rührstab
mit ca. 20 bis 200 Schritten pro Minute angetrieben werden, um ein Äquivalent
von schätzungsweise
5 bis 50 Umdrehungen (oder Kombinationen von Drehungen und zufälligen Sequenzen mit
einer Umdrehung, welche äquivalent
zu 4 Schritten ist) pro Minute für
sanftes Mischen zu erzeugen. Ein besonders bevorzugter Bereich ist
zwischen 40 bis 100 Schritten pro Minute, um 10 bis 25 Umdrehungen
pro Minute zu erzeugen. Im Gegensatz dazu wird ein Rührer des
Standes der Technik mit einem horizontalen magnetischen Rührstab im
allgemeinen mit 1200 Umdrehungen pro Minute angetrieben, was um
mehrere Größenordnungen
schneller ist und was eine hohe Scherbelastung, Wirbelströme und Wirbelmechanismen
bewirkt. Selbstverständlich
können höhere oder
niedrigere Schrittgeschwindigkeiten benutzt werden, um das gewünschte Mischen
zu erreichen in Abhängigkeit
der besonderen Anwendung, der Behältergröße und des Aufbaus des Rührstabes.
-
Zusätzliche
Induktionsspulen können
eingebracht werden, um verschiedene Muster und Rührdynamiken zu erreichen. Beispielsweise
können
in einem 1l-Behälter 12
Spulenkerne in zwei im Allgemeinen konzentrischen Ringen angeordnet
werden. Der Rührstab
wird vorzugsweise mit 100 bis 300 Schritten pro Minute angetrieben,
um das Äquivalent
von ca. 16 bis 50 großen
oder kleinen Umdrehungen pro Minute für sanftes Mischen zu erzeugen
(eine kleine Umdrehung weist 4 Schritte auf, eine große Umdrehung
weist 8 Schritte auf und zu fällige
Sequenzen – wobei
6 Schritte als vergleichbar mit einer Umdrehung angesehen werden).
Höhere
oder niedrigere Geschwindigkeiten können in Abhängigkeit der Anwendung benutzt
werden.
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Eine
Induktionsspule, welche direkt unterhalb des Loches angeordnet ist,
in dem der Behälter angeordnet
ist, kann bewirken, dass der vertikale Rührstab im Behälter nach
oben abgestoßen
und nach unten angezogen wird, während
der Rührstab sich
dreht. Die Induktionsspulen können
angesteuert werden in ähnlicher
Weise wie ein Schrittmotor angetrieben wird. Verschiedene Antriebssequenzen
stellen verschiedene Rührmuster
zur Verfügung.
Falls die vier Induktionsspulen 515 einzeln angesteuert werden,
wird der Rührstab
entweder in einem kreisförmigen
oder einem kreuzförmigen
Muster im Behälter
bewegt werden.
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5B zeigt
einen Schaltkreis 510 umfassend vier Induktionsspulen 515,
welche auf individuelle Weise angesteuert werden. Der Rührstab wird sich
im Behälter
entweder auf einem kreisförmigen oder
kreuzförmigen
Muster bewegen. Ein kreisförmiges
oder rotierendes Muster wird Partikel suspendieren und ein Flussmuster
der Flüssigkeit
entsteht. Ein Abweichen von diesem Anfangsrührmuster erzeugt Turbulenzen
und chaotisches Mischen. Zusätzliche Induktionsspulen
können
benutzt werden in Abhängigkeit
der besonderen Anwendung.
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Magnetische
Abstoßung
ist ein anderes Verfahren die Flussmuster der Flüssigkeit zu zerstören. Der
Rührstab
wird abgestoßen
durch eine magnetische Kraft, welche eine vertikale Bewegung erzeugt. Eine
Induktionsspule, welche direkt unterhalb des Loches angeordnet ist,
in dem der Behälter
angeordnet ist, bewirkt, dass der vertikale Rührstab nach oben abgestoßen wird
und anschließend
nach unten angezogen wird in dem Behälter während der Rührstab rotiert. Der Rührstab kann
dabei hervorspringe Ränder
oder Arme aufweisen, um vertikale Rührmuster zu erzeugen. In kleinen
Röhren
mischt ein zylindrischer Rührstab,
welcher sich in einer vertikalen Bewegung durch die Flüssigkeit
bewegt, die Stoffe schneller als eine rotierende Bewegung. Die magnetische
Kraft kann verändert
werden, um die Entfernung der Abstoßung des Rührstabes zu steuern, das heißt unterhalb
oder durch die Flüssigkeitsoberfläche (Wulstrand) hindurch,
und Begrenzungen in der Oberflächenspannung
bezüglich
des Mischens beseitigt. Die vertikalen Bewegungen des Rührstabes verhindern
Wirbelartefakte und sind eine sanfte Methode des Mischens in diesem
Bereich.
-
Wie
in den 6A und 6B gezeigt,
besitzt, wenn ein Paar der Induktionsspulen 515 der 5 angesteuert werden, ein Kernstück eine
positive Polarität
und das andere Kernstück
eine negative Polarität.
Diese Anordnung bewirkt, dass der magnetische Rührstab an beiden Enden angezogen
wird, resultierend in einer Verdopplung der Kopplungskraft.
-
Die 7A und 7B zeigen
die Polaritäten
des Stromes, der den Induktionsspulen 515 der 5A und 5B zugeführt wird,
bei Halbschrittrotationswinkeln, um magnetische Felder in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.
-
8 zeigt
den sinusförmigen
Antrieb der Induktionsspulen 515 der 5A und 5B,
der dazu benutzt wird, um magnetische Felder in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen.
-
9 zeigt, wie die Induktionsspulen 515 der 5A und 5B hintereinander
angesteuert werden in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Das Ansteuern der Induktionsspulen 515 wird
vorzugsweise durch einen Prozessor (beispielsweise einen Mikroprozessor)
gesteuert, der geeignet ist, um fast 300 Millionen einzelne Anweisungen
pro Minute auszuführen.
Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass andere Typen von Steuerungselementen
bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden können. Die Ansteuerung der Spulen
hintereinander wird mit einer sehr viel langsameren Rate ausgeführt. Das
Voranschreiten dieser Sequenz wird durch Firmware gesteuert. Die
Induktionsspulen 515 werden gemäß einem kreisförmigen Muster
angesteuert. Ein Softwarezähler/Dividierer
wird benutzt, um das Tempo der Ausführung der Anweisungen auf die
gewünschte
Rotationsrate der Phasenlage der Spulen zu verlangsamen.
-
9 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten
durch einen Anstiegsalgorithmus, um die Drehgeschwindigkeit eines
Rührers
zu steuern. Wird die Rota tionsrate verändert, wird die derzeitige
Rate graduell verändert,
bis sie gleich der eingestellten Rate ist. Ein Arbeitsablaufplaner
ruft in periodischen Abständen
den Anstiegsalgorithmus (Schritt 905) auf. Wird festgestellt,
dass die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit kleiner ist als die eingestellte
Geschwindigkeit (Schritt 910), wird die Rotationsgeschwindigkeit
erhöht
um eine Umdrehung pro Minute (Schritt 915). Wird festgestellt,
dass die aktuelle Rotationsgeschwindigkeit größer ist als die gewählte Geschwindigkeit
(Schritt 920) wird die Rotationsgeschwindigkeit um eine
Umdrehung pro Minute (Schritt 925) reduziert. Ist die aktuelle
Rotationsgeschwindigkeit gleich der gewählten Geschwindigkeit, wird
die Rotationsgeschwindigkeit nicht verändert. In einer bevorzugten
Ausführungsform
benötigt
die maximale Änderungsrate
15 sec von 10 U/min zu 1400 U/min.
-
Weil
es keine physikalischen Massen des Rührmechanismus (die rotierenden
magnetischen Felder) gibt, wird ein Wechsel der Rotationsgeschwindigkeit
unmittelbar bewirkt. Dies kann zur Folge haben, dass eine Abkopplung
zwischen den rotierenden magnetischen Feldern und dem magnetischen
Rührstab
stattfindet. Bei biologischen Lösungen
bewirkt ein rascher Wechsel der Rotationsgeschwindigkeit einen Schaden
bei den Zellen oder Proteinen. Im Falle von Lösungen mit hoher Viskosität, entkoppelt
der Rotationsstab aufgrund der Beschränkung (Widerstand) der Lösung. Die
Steigerung der Geschwindigkeit stellt sicher, dass der Rührer durch
die elektromagnetischen Felder erfasst bleibt. Um den Wechsel von
einer gewählten
Rotationsgeschwindigkeit zu einer anderen zu erleichtern, wird ein
Verfahren zum allmählichen Ändern der
Rotationsgeschwindigkeit angewendet genannt „Anstieg". Anstieg ist der allmähliche Wechsel
des Zähler/Dividiererwertes
wie oben beschrieben. Wird ein Wechsel der gewählten Rotationsgeschwindigkeit festgestellt,
wird der Zähler/Dividiererwert
schrittweise verändert
bis er stoppt bei dem Wert, welcher für die neu gewählte Rate
erforderlich ist. Eine voreingestellte Änderungsrate (U/min/sec) wird
gewählt,
die zu der Anwendung passt. Die Antriebsspannung/der Antriebsstrom
kann angepasst werden, um einen sanfteren oder stärkeren Rührvorgang
zur Verfügung zu
stellen. Dieser erhöht
den Bereich von Viskositäten,
welche gerührt
werden können
und reduziert die Belastung auf anfällige Zellen oder Moleküle.
-
4. Simulator
-
Die 10A und 10B zeigen
eine Hilfskomponente des Rührsystems – den Simulator.
Das Rühren
in einem Inkubationsblock 1110 kann nicht beobachtet werden,
was zu dem Problem des konventionellen Rührens beiträgt. Typischerweise wird die
Effektivität
des Rührens
angenommen. Der Simulator erlaubt die direkte Beobachtung der Rührmodalitäten und
der Entwicklung von anwendungsspezifischen Mischprozessen. Der Simulator
ist eine Nachbildung des magnetischen Rührantriebes mit einem Behälter 1005 und
einer Halterung 1010 für
den Behälter.
Der Simulator 1000 erzeugt identische Rührgeschwindigkeiten und Dynamiken,
die ebenso in dem Hauptgerät
auftreten. Der Behälter 1005 wird
in einer Weise gehalten, die eine visuelle Beobachtung und Bewertung
der Rührdynamiken
erlaubt.
-
Die
Auswahl eines Rührstabes
für die
Kombination aus Mikrobehälter
und Flüssigkeit
kann nur mit Hilfe des Simulators 1000 optimiert und belegt werden.
Der Optimierungsprozess wird erreicht durch:
- (1)
Befüllen
des Behälters 1005 mit
der Flüssigkeit
mit dem maßgebenden
Volumen, welches gerührt
werden soll.
- (2) Hinzufügen
einer kleinen Menge von Partikeln zu der Flüssigkeit, beispielsweise Latexkügelchen,
oder einer gefärbten
Flüssigkeit
oder fluoreszierenden Farbstoffen, um die Sichtbarmachung zu verbessern.
Dieses Material kann vor oder während
des Rührens
hinzugefügt
werden.
- (3) Auswahl eines Rührstabes
und Einbringung von diesem in den Behälter 1005. Für gewisse Studien,
beispielsweise solche für
Biokompatibilität,
kann es erforderlich sein, spezielle Materialien für die Beschichtung
des Rührstabes
vorzusehen.
- (4) In Abhängigkeit
des Typs des gewünschten Rühreffekts,
Setzen der Geschwindigkeitssteuerung auf die niedrigste Geschwindigkeit,
bei der ein vollständiges
Mischen beobachtet wird. Anordnen des Behälters 1005 in die
Behälterhaltung 1010 des
Simulators 1000.
- (5) Beobachten der Mischung bis die Dynamiken konstant sind.
Erhöhung
der Rührgeschwindigkeit bis
die gewünschten
Dynamiken erreicht werden.
- (6) Falls die Dynamiken nicht effektiv sind, Wechsel der Rührstabgröße oder
-form oder der Behältergröße oder
-form und Wiederholung des Verfahrens.
- (7) Sobald eine effektive Rührdynamik
festgestellt wurde, sollte das Verfahren auf die eigentlichen Stoffe
in dem Hauptinkubationsblock 1110 angewendet werden und
das Verfahren nachgeprüft werden.
Dieses Verfahren stellt die Effektivität, Reproduzierbarkeit und Verlässlichkeit
des speziellen Mischprozesses sicher.
-
5. Temperatursteuerung
-
11A zeigt ein elektromagnetisches Rührgerät 1010,
welches in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung benutzt wird, bei dem die Induktoren 1115 in
den Inkubationsblock hineinragen an Positionen entlang des Loches 1105 des
Behälters. 11B zeigt eine Abänderung für Anwendungen mit größerem Volumen,
beispielsweise Bechergläser
und Phiolen, in denen einige oder sämtliche Induktoren 1115 unterhalb
des Behälters
verbleiben. Die zu rührende
Probe befindet sich in einem Behälter,
welcher in einem Loch 1105 für den Behälter angeordnet ist. Elektromagnetische
Induktoren 1115 sind unterhalb eines Inkubationsblockes 1110 angeordnet.
Eine nichtmagnetische Spulenplatte 1130 befindet sich in
Kontakt mit verlängerten
Kernen 1120 der elektromagnetischen Induktoren 1115.
Diese Spulenplatte 1130 leitet die Wärme zu dem Inkubationsblock 1110 und
dient als Kühlkörper, um
die elektromagnetischen Spulen 1120 zu kühlen, wenn
der Lüfter
eingeschaltet wird. Die verlängerten
Kerne 1115 leiten effizient die Wärme der Induktoren in den Inkubationsblock 1110.
Die elektromagnetischen Kerne 1120 sind auf einer gedruckten
Leiterplatte GLP (printed circuit board (PCB)) 1125 befestigt.
-
Es
gibt einen oder mehrere Lüfter,
welche sich auf der einen Seite des Raumes zwischen der GLP 1125 und
der nicht magnetischen Spulenplatte 1130 befinden. Der
Raum zwischen der GLP 1125 und der Platte wirkt als Luftkanal.
-
Die
Temperatursteuerung hat zwei Hauptelemente.
- (1)
Heizquellen: Die elektromagnetischen Spulen 1120 und eine
Heizplatte 1135.
- (a) Die Heizplatte 1135 rotiert auf einem Drehbolzen 1140 und
umfasst eine Isolierung 1145.
- (b) Die elektromagnetischen Spulen 1120 sind in einem
regulären
Muster angeordnet unterhalb des austauschbaren Inkubationsblocks 1110,
welcher aufgeheizt werden soll.
- (2) Kühlungssteuerung
der elektromagnetischen Spulen 1120.
- (a) Ein Kühlgerät oder Lüfter werden
benutzt zur Steuerung der Wärme,
die dem Inkubationsblock 1110 durch die elektromagnetischen
Spulen 1120 zur Verfügung
gestellt wird.
- (b) Das Kühlen
wird durch Erzeugung eines Luftstromes entlang der elektromagnetischen
Spulen 1120 und der Spulenplatte 1130 erreicht.
-
Es
gibt zwei Steuerungssysteme, eine für die Heizung und eine zweite
für den
Inkubationsblock 1110. Lüfter, welche die Temperatur
der elektromagnetischen Spulen 1120 regeln und die Wärmemenge, welche
zu dem Inkubationsblock 1110 übermittelt wird, steuern die
Temperatur des Inkubationsblocks. Die Steuerungssysteme stellen
eine Erhöhungsfunktion
für den
Aufwärmkreislauf
zur Verfügung,
der schnell ist und sich verlangsamt, wenn der Temperatur-Sollwert erreicht
wird. Die Heiz- und Kühlkombination
stellt die gleiche Temperatursteuerung zur Verfügung die auch gegebenenfalls
mit einer Proportionaltemperatursteuerung bereitgestellt wird. Die
resultierende Temperatursteuerung ist sehr genau, stabil und gleichmäßig.
-
12 ist
ein Flussdiagramm, welches den Temperatursteuerungsprozess der vorliegenden
Erfindung zeigt. Wenn Energie zugeführt wird, wird ein Algorithmus
jede 1,0 Millisekunden ausgeführt.
-
Die
Temperatursteuerung des Inkubationsblocks besteht aus Heiz- und
Lüftersteuerungsschaltkreisen
und -algorithmen, die jeweils unabhängig voneinander arbeiten.
Ein gemeinsamer Sollwert für jede
gewählte
Temperatur wird gemeinsam benutzt.
-
Es
gibt einen Gleichgewichtspunkt für
die Temperatur des Blockes von ca. 40 °C. Der gegenwärtige Gleichgewichtspunkt
ist abhängig
von der erzeugten Wärme
und von der, die durch das Gerät
abgeführt
wird, der umgebenden Raumtemperatur und Luftströmungen innerhalb des Raumes.
-
Bei
Temperaturen unterhalb dieses Gleichgewichtspunktes heizt sich das
Gerät selbst
auf durch die Dissipation der Rührspulen.
Die Heizungen werden nur dazu benutzt, die Temperatur schneller auf
den Sollwert zu erhöhen.
Die Lüfter
halten die Einheit gekühlt
auf der gewünschten
Temperatur.
-
Bei
Temperaturen oberhalb dieses Gleichgewichtspunktes besitzen die
Lüfter
eine nachlassende Rolle, wohingegen die Heizungen eine größer werdende
Rolle bei der Aufrechterhaltung der Temperatur spielen.
-
(1) Lüftersteuerung
-
Die
Lüfter
werden gesteuert durch einen variablen Einschaltdaueralgorithmus
(siehe Schritte 1205, 1210, 1215, 1220, 1225, 1230).
Erhöht
sich die Blocktemperatur über
den Sollwert, wird der Lüfter
für mindestens
20 Sekunden eingeschaltet. Diese Verzögerung beseitigt die Notwendigkeit
für eine
Hysterese, die notwendig wäre,
um übermäßige Ein-/Ausschaltzyklen
des Lüfters
zu verhindern. Durch das Design würde eine Hysterese zu mehr
Abweichungen von der gesteuerten Temperatur führen. Deren Beseitigung stellt
dann eine genauere, gesteuerte Blocktemperatur zur Verfügung.
-
Am
Ende der 20 Sekunden Verzögerungszeitspanne,
wird die Blocktemperatur erneut mit dem Sollwert verglichen und
das Verfahren wird solange wiederholt, bis die Blocktemperatur unterhalb
des gewählten
Sollwertes ist.
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(2) Heizungssteuerung
-
Die
Heizungen werden ebenfalls durch den variablen Einschaltdaueralgorithmus
(siehe Schritte 1235, 1240, 1245, 1250, 1255).
Die Zeitdauer, für
die die Heizung eingeschaltet wird während des Zyklus, ist direkt
proportional zu dem Unterschied zwischen der gewählten und der gegenwärtigen Blocktemperatur.
Dieses Verfahren stellt eine kurze Erhöhungszeit bis zu einer neu
gewählten Temperatur
zur Verfügung und
verhindert ebenso ein Überschreiten
der Temperatur.
-
Jede
gewählte
Temperatur hat einen Sollwert und eine Schaltzeit. Die Schaltzeit
besteht aus den gesamten gemeinsamen „An" und „Aus" Zeiten in Sekunden. Die „An"-Zeit wird wie oben
beschrieben berechnet. Die „Aus"-Zeit der Heizung
ist gleich der Schaltzeit abzüglich
der „An"-Zeit der Heizung. Die
Schaltzeiten werden kürzer
wenn die gewählte Temperatur
erhöht
wird, da mehr Heizung benötigt wird,
um die höheren
Temperaturen aufrechtzuerhalten.
-
Die
Temperatur des Inkubationsblocks steigt zu Beginn und wenn der Sollwert
erreicht wird, verlangsamt sich die Rate der Temperaturerhöhung. Die Wärme der
elektromagnetischen Induktoren, welche entlang des Bodens des Inkubationsblockes 1110 verteilt
wird, bewirkt vertikale Wärmegradientenmuster
innerhalb des Inkubationsblockes 1110. Ein Temperatursensor,
welcher in dem Inkubationsblock 1110 angeordnet ist, startet
die Anpassung der Temperatur. Diese Steuerung reduziert allmählich die
Rate des Temperaturanstieges während
des ganzen Aufwärmzyklus.
Die Rate der Temperaturerhöhung
in dem Inkubationsblock 1110, vom Boden bis zum oberen
Ende, fördert
die Anpassung der Temperatur.
-
Die
Fähigkeit
Wärme zu-
und abzuführen
ermöglicht
eine umfassendere Steuerung als Heizungen allein. Die Kühlrate und
-dynamiken können durch
die Anwendung von Feststoffwärmepumpen, Peltierelementen
oder gekühlten
Kühlkörpern verbessert
werden, um Inkubationsblocktemperaturen unterhalb der Raumtemperatur
zur Verfügung
zu stellen. Eine solche Hinzufügung
würde auf
Gebieten des Wärmehaushalts
(thermal cycling) Anwendung finden oder bei der Beseitigung von
Wärme,
welche sich während
des Prozesses entwickelt hat, beispielsweise in Bioreaktoren, bei
der Fermentation oder bei der kombinatorischen Chemie.
-
6. Rührer
-
Vorzugsweise
sind einige oder alle der obigen Merkmale in einem Rührer 1300 verwirklicht, welcher
eine Vielzahl von elektromagnetischen Induktoren 1315 aufweist,
welche unterhalb eines Inkubationsblocks 1310 angeordnet
werden können
oder in einen hineinreichen können,
welcher eine Vielzahl von Löchern 1305 für den Behälter aufweist
(in 14 gezeigt mit unterbrochenen Linien), in Abhängigkeit
von seiner Bauform. Die Löcher 1310 können gleiche
oder unterschiedliche Größe aufweisen und
vorzugsweise können
verschiedene Inkubationsblöcke 1310 in
einer Öffnung
des Rührgehäuses 1302 platziert
werden. Die Steuerung 1304 ist ebenfalls in dem Gehäuse 1302 angeordnet
und ist mit einer Geschwindigkeitssteuerung 1306 und einer
Temperatursteuerung 1308 verbunden, welche Drehschalter
oder elektronische Schalter sein können, welche durch einen Benutzer
eingestellt werden. Alternativ können
diese durch eine Tastatur, welche mit der Steuerung 1304 verbunden
ist, programmiert werden. Vorzugsweise ist ebenfalls ein Timer 1312 mit
der Steuerung 1304 verbunden, um spezielle Mischzeiten
zu steuern. Zusätzlich
ist es ebenfalls möglich,
die Steuerung 1304 vorab mit getrennten Ansteuersequenzen
zu programmieren, die ausgewählt
werden können
in Abhängigkeit
einer besonderen Anwendung. Die Möglichkeit einer Programmierung
der Ansteuersequenzen, um spezielle Bewegungspfade für den Rührstab für chaotisches
und zufälliges
Mischen zu bewirken, welche für
spezielle Anwendungen entwickelt wurden, kann durch eine Tastatur
oder ein anderes Dateneingabegerät
ermöglicht
werden. Die Steuerung 1304 ist mit den Induktoren 1315 verbunden,
um vorzugsweise eine individuell programmierbare Steuerung eines
jeden Induktors 1315 zu ermöglichen. Alternativ können Gruppen
von Induktoren 1315 zusammen gesteuert werden.
-
Eine
Lüftereinheit 1314 ist
vorzugsweise mit einem Thermostaten (nicht gezeigt) und der Steuerung 1304 verbunden,
um die Temperatur des Inkubationsblocks 1310 zu steuern.
Wie vorher angeführt,
kann ebenfalls eine separate Heizung zur Verfügung gestellt werden, um ein
zusätzliches
Heizen bereitzustellen, falls die Wärme, welche durch die elektromagnetischen
Induktoren 1315 abgegeben wird, nicht ausreicht, um auf
die gewünschte
Temperatur hochzuheizen. Wie in 14 gezeigt,
sind die Induktoren 1315 vorzugsweise in einer Anordnung angeordnet
und können
wahlweise durch die Steuerung angeordnet werden, um identische oder
unterschiedliche Ansteuersequenzen zum Rühren für verschiedene Behälter, welche
in unterschiedlichen Löchern 1305 angeordnet
sind, zur Verfügung
zu stellen. Vorzugsweise können
Pro gramme für
die Ansteuertsequenz in der Steuerung 1304 gespeichert werden,
so dass sie wiederholbar sind, was eine gewisse Maß an Einheitlichkeit
für einen
Leistungsvergleich oder für
ein Testen der Kalibrierung bereitstellt, welches im Allgemeinen
ein gleiches Maß an
chaotischem Rühren
für jede
Probe erfordert.
-
Der
Rührer 1310 ermöglicht das
Rühren
von Stoffen mit kleiner Scherkraft und Belastung bezüglich der
Stoffe, die gemischt werden, und arbeitet bei niedrigen Rührgeschwindigkeiten
und kürzeren Mischzyklen,
um ein vollständiges
Mischen, verglichen mit den vorbekannten Geräten, zu erreichen. Zusätzlich können dieselbe
Rührmethode
und -dynamiken angewendet werden auf Volumen von Mikroliter bis
Liter oder größer, wobei
der gleiche Rührer 1310 mit
minimalen Verfahrensänderungen
benutzt wird.