DE69118573T2

DE69118573T2 - Optimale zentrifugale Trennung

Info

Publication number: DE69118573T2
Application number: DE1991618573
Authority: DE
Inventors: Jeffrey J Marque
Original assignee: Beckman Instruments Inc
Current assignee: Beckman Coulter Inc
Priority date: 1990-03-12
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2011-02-27
Also published as: EP0447060B1; EP0447060A3; DE69118573D1; EP0447060A2; JPH0739790A

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft die Zentrifugation und näherhin die Steuerung bzw. Regelung der Rotordrehzahl zur Steuerung der Konzentrationsänderung in einer Zentrifugenkammer.

2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

Die Zentrifugation ist irn wesentlichen ein Verfahren zur Trennung von in einer Lösung suspendierten Teilchen. Bei biologischen Anwendungen sind die Teilchen gewöhnlich Makromoleküle, Zellen, DNA-Fragmente usw. Es gibt zwei Haupttypen von Zentrifugationsverfahren, zum einen ''präparative'', bei welchen es um die Abtrennung spezifischer Teilchen geht, und zum anderen ''analytische'', bei welchen die physikalischen Eigenschaften eines sedimentierenden Teilchens gemessen werden.
Die zur Zentrifugation verwendete Vorrichtung ist eine Zentrifuge mit einem Rotor, der verschiedene Behälter oder Zentrifugenrohre mit Probenlösung zur Rotation um eine gemeinsame Umlaufachse trägt. Beim Umlauf des Rotors in der Zentrifuge wird auf jedes Teilchen in der Probenlösung Zentrifugalkraft ausgeübt; jedes Teilchen wird mit einer Geschwindigkeit sedimentieren, die proportional der angelegten Zentrifugalkraft ist. Die Viskosität der Probenlösung und die physikalischen Eigenschaften des Teilchens beeinflussen ebenfalls die Sedimentationsgeschwindigkeit jedes individuellen Teilchens. Für eine gegebene Zentrifugalkraft, Dichte und Flüssigkeitsviskosität ist die Sedimentationsgeschwindigkeit des Teilchens proportional seiner Größe (Molekulargewicht) und dein Unterschied zwischen seiner Dichte und der Dichte der Lösung.
Eines unter vielen Verfahren der Zentrifugationstrennung ist die differentielle Zentrifugation oder Pillen- bzw. Tablettenbildung (''pelleting''). Bei diesem Verfahren wird das Zentrifugenrohr anfänglich mit einem einheitlichen Gemisch von Probenlösung gefüllt. Durch die Zentrifugation erhält man eine Trennung von zwei Fraktionen, mit einer das sedimentierte Material enthaltenden Pille bzw. Tablette (''pellet'') und überstehender Lösung des nicht sedimentierten Materials. Das Pellet ist ein Gemisch sämtlicher sedimentierter Komponenten.
Ein anderes Trennverfahren ist die Trennung mittels Dichtegradientenzentrifugation, einem etwas komplizierteren Verfahren als die differentielle Zentrifugation, das jedoch zum Ausgleich hierfür Vorteile bietet. Nicht nur gestattet das Dichtegradientenverfahren die vollständige Trennung verschiedener oder sämtlicher Komponenten in einem Gemisch gemäß ihrer Dichten, sondern es gestattet auch die Durchführung analytischer Messungen. Bei dem Dichtegradientenverfahren findet eine Trägersäule aus ''Dichtegradienten''-Flüssigkeit Anwendung, deren Dichte in Richtung auf den Boden des Rohrs hin zunimmt. Die Dichtegradientenflüssigkeit besteht aus einem Lösstoff ('solute') von geeignet niedrigem Molekulargewicht, in einem Lösungsmittel, in welchem die Probenteilchen suspendiert werden können.
Es gibt zwei in großem Umfang angewandte Verfahren der Dichtegradientenzentrifugation: Geschwindigkeitszonenzentrifugation und isopycnische Zentrifugation. Bei dem Geschwindigkeitszonenverfahren wird eine abzutrennende Teilchen enthaltende Probenlösung auf eine zuvor gebildete Gradientensäule überschichtet. Unter der Zentrifugalkraftwirkung beginnen die Teilchen durch den Gradienten hindurch zum Boden des Zentrifugenrohrs hin zu sedimentieren und sich in Zonen längs des Rohrs aufzutrennen, wobei jeweils jede Zone aus Teilchen besteht, die durch ihre Sedimentationsgeschwindigkeit charakterisiert sind. Die Zonen wandern mit der Zeit weiter durch das Rohr hindurch. Zur Erzielung einer Geschwindigkeitszonentrennung muß die Dichte der Probenteilchen größer als die Dichte an irgendeiner speziellen Position längs der Gradientensäule sein, damit die Teilchen sich fortgesetzt durch das Rohr hindurch bewegen können. Der Betriebslauf muß beendet werden, bevor eine der getrennten Zonen den Boden des Rohrs erreicht. Andernfalls würden sich zwei oder mehrere getrennte Zonen am Boden des Rohrs vermischen.
Bei dem isopycnischen Verfahren umfaßt die Dichtegradientensäule den gesamten Bereich von Dichten der Probenteilchen. Jedes Teilchen wird an eine Stelle in dem Zentrifugenrohr wandern und dort sedimentieren, an welcher die Gradientendichte gleich seiner eigenen Dichte ist, und wird dort im Gleichgewicht verbleiben. Das isopycnische Verfahren trennt somit Teilchen in Zonen auf der Grundlage ihrer Dichteunterschiede.
Dichtegradienten können von Hand durch Überschichtung von Dichtegradientenmaterial von allmählich abnehmenden Dichten im Zentrifugenrohr gebildet werden. Bei dem isopycnischen Verfahren ist es manchmal leichter, mit einer gleichförmigen Lösung der Probe und des Gradientenmaterials zu beginnen. Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft verteilt sich das Gradientenmaterial in dem Rohr so, daß es den erforderlichen Konzentrations-(und Dichte-)Gradienten bildet. Dies wird häufig als selbsterzeugende Gradiententechnik bezeichnet, bei welcher ein kontinuierlicher Dichtegradient gebildet wird, sobald die Diffusion des Gradientenmaterials in Richtung auf die Rotorspinachse im Gleichgewicht mit der Sedimentation von der Spinachse weg an jedem radialen Abstand entlang des Zentrifugenrohrs steht. Inzwischen wandern Probeteilchen, die anfänglich in dem Rohr verteilt sein können, an ihre isopycnischen Stellen und sedimentieren dort. Dieses selbsterzeugende Gradientenverfahren benötigt häufig lange Zentrifugationsdauern in der Größenordnung von Stunden.
Allgemein kann eine Zentrifugationstrennung in kürzerer Zeit erreicht werden, indem man bei höherer Rotorwinkelgeschwindigkeit zentrifugiert. Jedoch ist dies durch die Bedingung begrenzt, daß die Zentrifugalkraft der Masse des Rotors und seines Inhalts bei der hohen Rotorgeschwindigkeit die Fließgrenze des Rotors nicht überschreiten darf. Des weiteren ist die Rotorwinkelgeschwindigkeit auch durch die Bedingung begrenzt, daß die Lösung des Gradientenmaterials zu keiner Zeit während der Zentrifugation an der am weitesten außen gelegenen Stelle des Zentrifugenrohrs Sättigung erreichen darf. Dies deswegen, um die Möglichkeit einer Salzkristallisation oder Ausfällung zu verhindern, bei der es sich um einen Prozeß der Massenansammlung beim Übergang des Salzes aus seiner gelösten in eine kristalline Feststoffphase handelt. Dies kann zu einem möglichen Rotorausfall infolge einer übermäßigen Festigkeitsbeanspruchung des Rotors durch das dichte kristalline Salz führen.
Die Rotorhersteller geben üblicherweise Handbücher anhand, welche Information betreffend die Spitzengeschwindigkeit enthalten, bei welcher der Rotor sicherheitsmäßig zulässig über eine unbegrenzte Zeitdauer, für eine gegebene Beschickungskonzentration betrieben werden darf, ohne daß die Schwelle der Gradientensalzausfällung erreicht wird. In Fig. 1 veranschaulicht Wp die Drehzahl, bei welcher für eine bestimmte Beladungsdichte selbst über eine unbegrenzte Zeitperiode hin niemals eine Ausfällung auftritt. In der Vergangenheit wurde die Zentrifugation bei einer einzigen Drehzahl Wp durchgeführt, um mit Sicherheit innerhalb der Ausfällungsschwelle zu operieren (Kurve 12). Ein wirksameres Verfahren bestünde darin, den Rotor bei der höchsten Drehzahl Wy innerhalb der Fließgrenze des Rotors zu betreiben, bis man den Eintritt von Ausfällung im Zeitpunkt Tc erwartet, worauf zu dieser Zeit die Rotordrehzahl auf den Wert Wp reduziert wird, bei welchem dann über eine unbegrenzte Zeitdauer hin keine Ausfällung auftreten könnte (Kurve 14). Bei Anwendung dieses Verfahrens ist die gesamte für einen bestimmten Trennzustand erforderliche abgelaufene Zentrifugationszeit kleiner als die im Fall des Betriebs bei einer einzigen Drehzahl. Man kann den Wirkungsgrad der beiden Verfahren auch durch Vergleich der Integrale von W² unter den Betriebskennlinien 12 und 14 vergleichen, wobei der höhere Integralwert für die gleiche verstrichene Zeit eine wirksamere Zentrifugation wiedergibt.
Kürzlich wurde von Chulay et al. in der US-Patentschrift 4 941 868 ein neues Verfahren vorgeschlagen, bei welchem eine dynamische Simulation von Gradientensalzsedimentation verwendet wird, um die verstrichene Zeit, bei welcher die Ausfällschwelle für eine Anzahl diskreter Drehzahlen erreicht wird, vorherzusagen. Das Verfahren erfordert mehrere Verringerungen der Drehzahl in groben Schritten (Kurve 16) während eines Betriebslaufs, um die Gradientensalzdichte innerhalb der Ausfällschwelle zu halten. Die reduzierten Drehzahlen werden durch den Hersteller angegeben und werden nach dem trial and error-Verfahren ausgewählt, um die Betriebslaufdauer zu verringern. Dieses Verfahren erhöht die mittlere Drehzahl des Rotors beträchtlich über die bei beiden zuvor beschriebenen Verfahren. Die zur Erzielung der Trennung erforderliche Zeitdauer wird daher wesentlich verringert.
Zwar hat sich das in dem Chulay et al.-Patent beschriebene Verfahren als wirksam erwiesen, jedoch ist das Verfahren zur Auffindung der Kurve 16 nicht automatisiert; des weiteren ist die Rotordrehzahl nicht zur Erzielung der kürzesten Betriebslaufdauer optimiert. In der jüngsten Zeit, wo der Zentrifugation einige Konkurrenzverfahren für die makromolekulare Trennung erwachsen sind, hat eine automatisierte Minimierung der für Zentrifugationstrenn- vorgänge erforderlichen Zeitdauer kommerzielle Bedeutung erlangt. Da das in dem Chulay et al.-Patent beschriebene Verfahren für die Auswahl der Drehzahlen, bei welchen die Zentrifugation betrieben werden soll, eine trial and error- Vorgehensweise erfordert, wurde sehr häufig nicht die höchstmögliche Drehzahl bei einer bestimmten verstrichenen Zeit ausgewählt.
Die französische Patentschrift 2 500 629 beschreibt eine Apparatur zur Bestimmung einer Teilchenverteilung als Funktion der Größe in einer verhältnismäßig begrenzten Zeit durch gleichzeitige Erhöhung der Rotationsdrehzahl eines Zentrifugenrotors und Verringerung des Abstands von der Rotationsachse, bei welchem Messungen gemacht werden. Das Patent beschreibt, wie eine Erhöhung der Zentrifugendrehzahl die Messung der Teilchenverteilung von Teilchen mit sehr kleinen Durchinessern gestattet, und beschreibt, wie die radiale Lage dieser Teilchen, bezogen auf die Rotationsachse, als Funktion der Drehzahl und der Zeit bestimmt werden kann. Jedoch werden die speziellen Probleme der Steuerung eines Netto-Flusses über eine Volumenelement-Grenzfläche, oder der Steuerung des Verhältnisses von Netto-Flüssen über zwei derartige Grenzflächen nicht angesprochen. Des weiteren wird die Wirkung von zeitveränderlichen Rotationsdrehzahlen, um eine Ausfällung des Lösstoffs zu vermeiden, nicht berührt.
JP-A-58 160 843 beschreibt eine Apparatur ähnlicher Art wie zuvor beschrieben und spricht sich für eine konstante Erhöhung einer Rotationsdrehzahl einer Zentrifuge über die Zeit hin aus, um die zur Messung der Teilchengrößenverteilung einer Lösung erforderliche Zeit abzukürzen. Jedoch spricht dieses Dokument die speziellen Probleme der Steuerung eines Netto-Flusses über eine Volumenelement- Grenzfläche oder der Steuerung des Verhältnisses von Netto-Flüssen über zwei derartige Grenzflächen nicht an. Des weiteren ist die Wirkung einer zeitabhängigen Änderung der Rotationsdrehzahl, um eine Ausfällung in irgendeinem gegebenen Volumenelement zu vermeiden, nicht berührt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Rotordrehzahl bei der Zentrifugation einer Probenlösung gemäß einer vom Benutzer spezifizierten Sedimentation und Diffusion zur Erreichung der gewünschten Konzentrationsveränderung in der Zentrifugenkammer. Die Rotordrehzahl wird automatisch so gesteuert bzw. geregelt, daß sie sich bei diesem Verfahren praktisch kontinuierlich mit der Zeit verändert, um eine Ausfällung der Probenlösung zu vermeiden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren Anwendung finden, um die Gesamtzeit für die Trennung von Makromolekülen in einer einen Dichtegradienten bildenden Lösung absolut zu minimieren. Die Minimierung der Trennzeit wird erreicht, indem man die Zentrifugation mit einer Winkelgeschwindigkeit beginnt, die kleiner als die, jedoch annähernd gleich der maximalen Winkelgeschwindigkeit des Rotors ist. Die maximale Rotordrehzahl wird während des gesamten Zentrifugationslaufs aufrechterhalten, vorbehaltlich einer durch die Rotorbelastung bedingten Beschränkung hinsichtlich der Konzentration uer Dichtegradientenlösung an der am weitesten außen gelegenen Stelle der Probenkammer in dem Rotor.
Andere Anwendungen des Verfahrens umfassen die Steuerung bzw. Regelung von Bewegungen von Makromolekülen durch Änderung der Rotordrehzahl zur Erzielung einer gewünschten zeitabhängigen Konzentration, sowie die Steuerung bzw. Kontrolle von Bewegungen von zwei oder mehr Stoffarten durch Änderung der Rotordrehzahl zur Erzielung eines gewünschten Konzentrationsverhältnisses zwischen den Stoffarten an einer gewünschten radialen Stelle.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Zentrifugieren einer Probenlösung geschaffen, das die folgenden Schritte enthält:
- Anbringung einer Probenlösung in einem Rotor einer Zentrifuge, wobei die genannte Probenlösung wenigstens eine Lösstoffkomponente darin enthält,
- Rotation der genannten Probenlösung in dem genannten Rotor mit einer zeitabhängig veränderlichen Rotationsdrehzahl w um eine Rotationsachse, des weiteren gekennzeichnet durch die Bestimmung und automatische Einstellung der Rotationsdrehzahl w als Funktion der Zeit, um eine Ausfällung der genannten Probenlösung in Abhängigkeit von dem Sedimentations- und Diffusionsverhalten der genannten Lösstoffkomponente als Funktion der Rotationsdrehzahl und -zeit zu vermeiden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Zentrifugenapparatur geschaffen, welche aufweist:
- einen Rotor zur Aufnahme einer Probenlösung für die Rotation um eine Rotationsachse, wobei die genannte Probenlösung wenigstens eine Lösstoffkomponente darin enthält,
- einen Antrieb zur Rotation der genannten Probenlösung mit einer zeitabhängig veränderlichen Rotationsdrehzahl um die Rotationsachse, des weiteren gekennzeichnet durch eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung zur Einstellung einer Rotationsdrehzahl als Funktion der Zeit, um eine Ausfällung der genannten Lösstoffkomponente der genannten Probenlösung in Abhängigkeit von dem Sedimentations- und Diffusionsverhalten der genannten Lösstoffkomponente als Funktion der Rotationsdrehzahl, -zeit und der radialen Stellung in der genannten Probenlösung relativ bezüglich der genannten Rotationsachse zu vermeiden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Rotordrehzahl in Abhängigkeit von der Zeit, für Zentrifugationsverfahren nach dem Stande der Technik.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der mathematischen Unterteilung eines Zentrifugenrohrs zur leichteren Beschreibung der numerischen Analyse der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist ein Fließschema der Rotordrehzahlsteuerung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der Rotordrehzahl in Abhängigkeit von der Zeit bei der Rotordrehzahlsteuerung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Rotors und einer Drehzahl-Steuer- bzw. -Regelvorrichtung.

Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele

Im folgenden wird die nach derzeitiger Auffassung beste Art der Ausführung der Erfindung beschrieben. Die Beschreibung dient der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung und soll nicht in einem einschränkenden Sinne verstanden werden. Der Umfang der Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, welches die Zentrifugationszeit absolut minimiert, im Rahmen der Zwangsbedingung der Salzkristallisation oder -ausfällung in beispielsweise einer Cäsiumchlorid (''CsCl'') selbst-bildenden Dichtegradientenlösung. Ersichtlich kann die vorliegende Erfindung mit anderen Arten von Gradientenlösungen und in anderweitigen Anwendungen, wie beispielsweise bei der Geschwindigkeitszonentrennung, praktiziert werden. Zur Vereinfachung der Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist das verwendete Zentrifugenrohr ein zylindrisches Testrohr, dessen Achse während der Zentrifugation horizontal ausgerichtet ist. Die unten gegebene Analyse kann auf andere Arten von Zentrifugenrohren unterschiedlicher Geometrie und Orientierung und andere Rotortypen angewandt bzw. übertragen werden.
Gemäß Fig. 2 wird die Lösung 19 in dem Zentrifugenrohr 18 in N Scheiben bzw. Ausschnitte unterteilt, beginnend vom Meniskus 17 der Lösung aus. N kann jede beliebige ganze Zahl sein, deren Betrag die Genauigkeit der Rechnung und die erforderliche Berechnungszeit bestimmt. Jede Scheibe bzw. jeder Ausschnitt besitzt eine endliche Dicke und ein endliches Volumen und ist von benachbarten Scheiben bzw. Schnitten durch gedachte, imaginäre Grenzflächen getrennt. Die die Sedimentation und Diffusion beherrschende Gleichung ist ein bekannter Vorläufer der Lamm'schen Gleichung:
darin ist i = 1, ---, N; Ji-1,i ist der Fluß, oder die zeitliche Rate des Durchtritts von Teilchen je Flächeneinheit durch die die (i-1)te und ite Scheibe voneinander trennende Grenzfläche; s ist der Sedimentationskoeffizient der Teilchen; W ist die Winkelgeschwindigkeit des Rotors; ri-1,i ist der radiale Abstand der die (i-1)te und ite Scheibe voneinander trennenden Grenzfläche, gemessen von der Rotationsachse; Ci-1,i ist die mittlere oder durchschnittliche Konzentration von Teilchen in den (i-1)ten und iten Scheiben (ausgedrückt als Teilchenzahl pro Volumeneinheit); D ist der Diffusionskoeffizient der Teilchen, der von der Größe und der Form der Teilchen, der Viskosität der Lösung und der Temperatur abhängt; und vCi-1,i ist der ''Gradient'' der Teilchenkonzentration bei ri-1,i.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 das Verfahren zur Bestimmung der optimalen Rotordrehzahl beschrieben, die zur kürzesten für Dichtegradiententrennungen erforderlichen Zeitdauer führt. Die Zentrifugation wird mit der für den jeweiligen speziellen Rotor und die mittlere Dichte der Lösung zulässigen maximalen Drehzahl Wy begonnen. Die maximale Drehzahl Wy wird aus den von den Rotorherstellern gelieferten Spezifikationen der Rotor-Fließgrenze bestimmt. Die Zentrifugation wird mit dieser Drehzahl bis zur Zeit t = Tc fortgesetzt, bei welcher die Konzentration CN des Gradientensalzes, beispielsweise CsCl, am Boden des Rohrs den kritischen Ausfällschwellwert Ccrit oder einen Wert innerhalb eines gewünschten Sicherheitsabstands (q x Ccrit, wobei 0< q< 1 und q in der Praxis nahe 1 ist) erreicht. Sodann wird die Drehzahl Wo berechnet, die erforderlich ist, um den Fluß JN-1,N in die unterste (Nte) Scheibe genau gleich Null zu machen. Die Rotordrehzahl wird sodann auf diese neue Drehzahl Wo reduziert, wodurch die Konzentration in der untersten Scheibe CN bei oder nahe unterhalb dem kritischen Ausfällschwellwert Ccrit gehalten wird. Bei jeder Iteration wird die Rotordrehzahl in ähnlicher Weise berechnet und reduziert, um die Konzentration CN in der untersten Scheibe bei oder nahe unter der Ausfällkonzentration Ccrit oder q x Ccrit zu halten, und zwar für alle Zeiten t> Tc. Die Änderung der Rotordrehzahl mit der Zeit, die erforderlich ist, um den Zustand nahe der kritischen Konzentration zu halten, wird am besten durch die Linie 22 in Fig. 4 veranschaulicht. Die Rotordrehzahl wird so eng als dies praktisch möglich ist an der kritischen Drehzahlgrenze gehalten; höhere Drehzahlen würden eine Ausfällung des Gradientenmaterials bewirken. Die Glätte der Kurve 22 wird von der Häufigkeit der aufeinanderfolgenden Iterationen abhängen. In der Theorie läßt sich eine glatte Linie 20 durch Verwendung eines hohen Werts von N und von Prozessoren hoher Geschwindigkeit erreichen.
Die Prämisse dieses speziellen Aspekts der vorliegenden Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß, nachdem die Nte Scheibe bzw. der Nte Ausschnitt die kritische Konzentration Ccrit oder q x Ccrit bei t = Tc erreicht, die Konzentration des Gradientensalzes am Boden des Rohrs sich nach t = Tc niemals ändern kann, falls die Rotordrehzahl so gesteuert und geregelt wird, daß der Netto-Fluß von Gradientensalz in diese Scheibe hinein Null ist. Die Zentrifugation kann somit ohne Gefahr von Ausfällungsproblemen bei den höchsten Drehzahlen (kürzester Zentrifugationszeit) durchgeführt werden.
Im folgenden werden nunmehr die Schritte zur Gewinnung von Konzentrations- und Rotordrehzahlwerten im einzelnen beschrieben. Der diesen Schritten zugeordnete Computeralgorithmus wird jedoch nicht beschrieben, da es sich hierbei nur um die Anwendung von Rechnerprogrammierwissen unter Zugrundelegung herkömmlicher numerischer Berechnungsverfahren handelt. Ein Teil des Algorithmus ist im wesentlichen ähnlich dem in der US-Patentschrift 4 941 868 zur Analyse des Übergangsverhaltens des Zentrifugationstrennvorgangs verwendeten. Die relevanten Teile des genannten Patents werden durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung eingegliedert.
Für gegebene Anfangskonzentrationen in jeder der einzelnen Scheiben bzw. Abschnitte sowie für eine mit der Rotor- Fließgrenze für die spezielle mittlere Flüssigkeitsdichte verträgliche Anfangsrotordrehzahl Wy sowie für gegebene Diffusions- und Sedimentationskonstanten läßt sich der Fluß Ji-1,i über jeweils jede Grenzfläche in jedem Entfernungsabstand ri-1,i berechnen. In Übereinstimmung mit finiter Differenzannäherung wird ΔCi-1,i als Unterschied der Konzentrationen (Ci-1, Ci) über benachbarte Scheiben, geteilt durch eine zwischen den Mitten der Scheiben gemessene Entfernung, angenähert, die im Falle von Scheiben gleicher Dicke gleich der Dicke einer Scheibe ist. Für die Anfangskonzentrationen in den einzelnen Scheiben ist das einfachste Beispiel der Fall, wo die Konzentrationen für sämtliche Scheiben gleich sind, wie im Fall einer homogenen, selbst-bildenden Dichtegradientenlösung, beispielsweise Cäsiumchlorid.
Die Gesamtzahl der Teilchen, die während der Zeitperiode Δt jeweils über jede Grenzfläche wandern, ist einfach gegeben durch:
Ji-1,i Ai-1,i Δt
darin ist Ai-1,i die Fläche der Grenzfläche zwischen der (i-1)ten und der iten Scheibe. Im Falle des in Fig. 2 gezeigten Testrohrs ist diese Fläche für sämtliche Grenzflächen mit Ausnahme der Scheiben nahe dem Boden des Rohrs gleich. Die in einer bestimmten Scheibe nach der Periode Δt vorhandene Gesamtzahl an Teilchen ist gegeben durch (die Anzahl der ursprünglich vorliegenden Teilchen) plus (die Netto-Zahl von in die genannte Scheibe strömenden Teilchen). Da die Geometrie und damit das Volumen der Scheibe bekannt ist, ist die neue Konzentration Ci nach der Periode Δt durch die Gesamtzahl von Teilchen in der Scheibe, geteilt durch das Scheibenvolumen, gegeben.
Indem man den Fluß an jeder einzelnen der Grenzflächen ermittelt und anschließend die eben beschriebenen Schritte zur Berechnung der Konzentrationen anwendet, lassen sich die neuen Konzentrationswerte in jedem Zeitpunkt t bestimmen und so die Teilchenkonzentrationen modellieren.
Die gleichen Berechnungen werden jeweils nach jeder Periode Δt wiederholt. Bei jeder Iteration werden dabei die für die vorhergehende Δt-Periode erhaltenen Konzentrationswerte Ci verwendet, um die Flußwerte für die laufende Δt-Periode zu ermitteln, die ihrerseits zur Ermittlung eines neuen Satzes von Konzentrationswerten verwendet werden. Dieses iterative Verfahren wird unbegrenzt fortgesetzt, bis eine vom Anwender angegebene bestimmte spezifizierte Zustandsbedingung erreicht ist.
Für Zwecke der Steuerung bzw. Regelung der Rotordrehzahl zur Vermeidung einer Ausfällung von gradientenbildendem Salz ist die spezifizierte Zustandsbedingung diejenige, daß die Konzentration in der Nten Scheibe kleiner als die Konzentration, bei welcher die Dichtegradientenlösung ausfällt, sein soll, und vorzugsweise innerhalb eines Sicherheitsabstandes q. Sobald diese Zustandsbedingung bei t = Tc erfüllt ist, erfordert die nächste Iteration bei Tc + Δt, daß der Fluß JN-1,N in die Nte Scheibe hinein genau gleich Null gesetzt wird. Man löst somit nach Wo auf, einer bestimmten Rotordrehzahl, welche die Bedingung J = 0 erfüllt. Im einzelnen wird die folgende Gleichung für die Rotordrehzahl Wo gelöst:
darin bedeuten JN-1,N = den Fluß durch die die (N-1)te und Nte Scheibe trennende Grenzfläche; Wo = die Rotordrehzahl, welche die Zustandsbedingung Fluß Null erfüllt; CN-1, CN = die Konzentration des Gradientensalzes in der (N-1)ten bzw. Nten Scheibe (es ist zu beachten, daß CN = q Ccrit in der Nten Scheibe ist); CN-1,N = die mittlere oder durchschnittliche Konzentration in der (N-1)ten und Nten Scheibe; rN-1,N = der radiale Abstand der die (N-1)te und die Nte Scheibe voneinander trennenden Grenzfläche, gemessen von der Rotationsachse; r = der Abstand zwischen den Mittellinien der (N-1)ten und Nten Scheibe.
Der Rotor wird auf die neue Drehzahl Wo verlangsamt. Wie zuvor werden nunmehr als nächstes die neuen Fluß- und Konzentrationswerte für sämtliche Scheiben berechnet, diesmal auf der Grundlage des neuen aus J = 0 gefundenen Drehzahlwerts. Danach wird für jede Iteration eine neue Rotordrehzahl berechnet.
Theoretisch sollte sich die Rotordrehzahl bei jeder Iteration nach dem ersten Fall bei t = Tc, nachdem das kritische Konzentrationskriterium Ccrit erfüllt wurde, ändern (abnehmen), bis Wp (die Drehzahl, bei welcher eine Ausfällung über eine unbegrenzte Zeitperiode niemals auftreten wird) asymptotisch erreicht wurde. Selbstverständlich kann der Prozeß zu jeder Zeit vor oder nach Erreichen von Wp abgebrochen oder beendet werden, gemäß einer vom Benutzer spezifizierten Zustandsbedingung, beispielsweise dem Ablauf einer bestimmten vorgegebenen Betriebslaufzeit.
Man erkennt, daß das Verfahren der vorliegenden Erfindung eine vollständige Automatisierung der Optimierung der Zentrifugation (bezüglich absoluter Minimierung der Betriebszeit) ergibt. Die optimierte zeitabhängige Rotordrehzahl kann durch Computersimulation vorhergesagt und in die Steuer- bzw. Regelsysteme von Zentrifugen einprogrammiert werden, die mit Motoren mit variabler Drehzahl laufen, beispielsweise die von der Firma Beckman Instruments, Inc. entwickelten und hergestellten Ultrazentrifugen der Optima -Reihe. Die Linie 22 in Fig. 4 kann durch eine Linie 20 angenähert werden, welche als analytische Gleichung ausgedrückt und in das Steuer- bzw. Regelsystem der Zentrifuge einprogrammiert werden kann, als Feinsteuerung der Rotordrehzahl. Alternativ kann die Zentrifuge unter ''Realzeit''-Berechnung der Rotordrehzahl gesteuert werden. In Abhängigkeit von der Auflösung der Motordrehzahlsteuerung kann die Zentrifugation nahe bei den durch die Kurve 20 in Fig. 4 wiedergegebenen Optimalbedingungen durchgeführt werden.
Ein Schaltschema des Steuer- bzw. Regelsystems der Zentrifuge ist in Fig. 5 veranschaulicht. Ein Motor 30 mit variabler Drehzahl treibt den Rotor 32 in dem (nicht dargestellten) Gehäuse aer Zentrifuge. Die Drehzahl des Motors 30 wird durch eine Mikroprozessorsteuerung 34 gemäß der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise gesteuert. Ein Drehzahlmeßfühler 36 liefert eine Rückkopplung der Rotordrehzahl an die Steuerung 34. Relevante Eingangsdaten, wie beispielsweise ein Anfangskonzentrationsprofil, Konstanten und Rohrgeometrie, werden durch ein Benutzerinterface 38 eingegeben.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen speziellen Typ von Rotor oder Zentrifugenrohr beschränkt. Eine beliebige Kombination von Rotor, Zentrifugenrohr, Beschikkungskonfiguration der Dichtegradientenlösung kann unter Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung simuliert und gesteuert werden.
Für Rohre mit einer speziellen Geometrie können die Dicke und die Größe der Grenzfläche für die einzelnen Scheiben verschieden sein. Zur Verbesserung der Auflösung und Genauigkeit des Verfahrens kann das Zeitintervall Δt zwischen den einzelnen Iterationsschritten für verschiedene Rotoren und/oder verschiedene Zeitseginente innerhalb des Verfahrens verschieden sein; beispielsweise wird es vorgezogen, während der ersten Iterationsschritte sehr kleine Zeitintervalle vorzusehen, um Singularitäten in der numerischen Integration zu vermeiden.
Es sei darauf hingewiesen, daß bei der vorhergehenden Beschreibung des Verfahrens die Flußanalyse mit einer gegebenen Anfangsrotordrehzahl beginnt. Bei einem tatsächlichen Zentrifugationsbetriebslauf läuft jedoch der Rotor aus dem Ruhezustand zu einer derartigen ''Anfangsdrehzahl'' hoch. Jedoch ist die hierfür erforderliche Zeitdauer vernachlässigbar im Vergleich zur Gesamtzeit des Betriebslaufs, und die Übergangs-Sedimentation und Diffusionsströme während dieser Anlaufperiode sind vernachlässigbar. Die Anlaufperiode kann daher mit guter Näherung ignoriert werden. Selbstverständlich kann man für eine marginale Verbesserung der Genauigkeit eine Flußanalyse der Hochlaufperiode vorsehen.
Unter Anwendung einer ähnlichen Flußanalyse wie oben beschrieben ist es möglich, den Zustand so zu bestimmen, daß die Konzentration einer Komponente der Probenlösung in irgendeiner Scheibe sich gemäß einer bestimmten Zeitfunktion f(t) ändert, bei welcher (Scheibenvolumen)
(dabei ist J für einen Fluß aus der Scheibe heraus negativ). Dies kann beispielsweise bei der analytischen Zentrifugation nützlich sein, bei welcher die Probenlösung in der Zentrifugationskammer während der Zentrifugation beobachtet wird, um ihr Sedimentationsverhalten zu untersuchen. Eine weitere Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Steuerung des Verhältnisses des Einströmens von zwei oder mehr Makromolekülen, beispielsweise DNA-Teilchen der Typen A und B, an einer speziellen radialen Stelle in dem Zentrifugenrohr. Es kann vorgegeben werden, daß sich das Verhältnis der Konzentrationen der Makromoleküle gemäß einer bestimmten Zeitfunktion ändert:
Beide vorstehend erwähnten Anwendungsbeispiele lassen sich durch Änderung der Rotordrehzahl mit der Zeit realisieren. Statt für JN-1,N = 0 nach Wo aufzulösen, wie bei der weiter oben beschriebenen Steuerung der kritischen Konzentration, ergeben die Lösungen der Flußgleichungen Rotordrehzahlen, welche die vorgegebene spezielle f(t) erfüllen.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben; für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, daß verschiedene Abwandlungen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Demgemäß soll die Erfindung nicht durch die speziellen veranschaulichten Ausführungsbeispiele begrenzt werden, sondern nur durch den Rahmen der beigefügten Ansprüche.

Claims

1. Verfahren zum Zentrifugieren einer Probenlösung (19), umfassend die Schritte:

- Anbringen einer Probenlösung in einem Rotor einer Zentrifuge, wobei die genannte Probenlösung wenigstens eine Lösstoffkomponente enthält,

- Rotation der genannten Probenlösung in dem genannten Rotor mit einer zeitabhängig veränderlichen Rotationsdrehzahl w um eine Rotationsachse, des weiteren dadurch gekennzeichnet, daß man die Rotationsdrehzahl w bestimmt und automatisch gemäß einer Zeitfunktion einstellt, um eine Ausfällung der genannten Probenlösung in Abhängigkeit von dem Sedimentations- und Diffusionsverhalten der genannten Lösstoffkomponente als Funktion der Rotationsdrehzahl und -zeit zu vermeiden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das genannte Sedimentations- und Diffusionsverhalten zeitabhängige Konzentrationen Ci (i = 1, 2, ..., N) der Lösstoffkomponenten an radialen Stellen ri in der genannten Probenlösung, bezogen auf die Rotationsachse, sowie einen zeitabhängigen Fluß Ji, i+1 der genannten Lösstoffkomponente aus jeweils jeder der genannten Radialstellungen ri in eine radial benachbarte Stellung ri+&sub1; in der genannten Probenlösung umfaßt, das Verfahren des weiteren umfassend die Schritte:

- Aufstellen eines Satzes von Zustandsbedingungen für das genannte Sedimentations- und Diffusionsverhalten, die erfüllt werden sollen, wobei der genannte Satz von Zustandsbedingungen wenigstens eine Bedingung für eine der genannten Konzentrationen und Flüsse der genannten Lösstoffkomponente umfaßt, die bei wenigstens einer radialen Stellung in der Probenlösung erfüllt sein sollen, um eine Ausfällung der genannten Lösstoffkomponente aus der genannten Probenlösung zu vermeiden, und

- Simulation des genannten Sedimentations- und Diffusionsverhaltens der genannten Lösstoffkomponente der genannten Probenlösung als Funktion der Rotationsdrehzahl und -zeit, wobei die genannte Simulation die Berechnung jeweils in jedem einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Zeitintervalle des Flusses Ji,i+1 als Funktion der Rotationsdrehzahl w der genannten Lösstoffkomponente während des Zeitintervalls zwischen jedem Paar von radial benachbarten Stellungen ri und ri+1 in der genannten Probenlösung und der entsprechenden Konzentration Ci der genannten Lösstoffkomponente während des nächstfolgenden Zeitintervalls bei jeweils jeder Radialstellung ri in der genannten Probenlösung, die sich aus diesem Fluß ergibt, umfaßt,

- wobei der genannte Schritt der Bestimmung und automatischen Einstellung der Rotationsdrehzahl w umfaßt, daß jeweils in jedem der genannten Vielzahl aufeinanderfolgender Zeitintervalle aus dem genannten simulierten Sedimentations- und Diffusionsverhalten eine maximale Rotationsdrehzahl während des genannten Zeitintervalls, welche den genannten vorgegebenen Satz von Zustandsbedingungen erfüllt, bestimmt und die genannte zeitabhängig variable Rotationsdrehzahl so eingestellt wird, daß sie im wesentlichen gleich der zuletzt bestimmten maximalen Rotationsdrehzahl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Probenlösung einen Lösstoff ('solute') und ein Lösungsmittel in einem Zentrifugenrohr enthalten aufweist, des weiteren umfassend den Schritt, daß für Berechnungszwecke der Inhalt des Zentrifugenrohrs in eine Mehrzahl von Scheibenvolumina unterteilt wird, wobei jeweils jedes der genannten mehreren Scheibenvolumina annähernd in einem festen Radialabstand r = ri (i = 1, 2, ..., N) von der Rotationsachse liegt, wobei eines der genannten Mehrzahl von Scheibenvolumina den größten zugeordneten Radialabstand r = rN von der Rotationsachse aufweist, und wobei der Verfahrensschritt der Rotation die Rotation eines Zentrifugenrohrs um seine Rotationsachse mit einer Winkelgeschwindigkeit w = w(t) als Funktion der Zeit t zur Erzeugung eines Flusses Ji,i+1(t) von Lösstoffteilchen zwischen benachbarten Scheibenvolumina umfaßt, derart, daß die Konzentration Ci(t) von Lösstoff in einem Scheibenvolumen sich zeitlich verändert, und daß der Verfahrensschritt der Bestimmung die automatische Einstellung der Winkelgeschwindigkeit w(t) als Funktion der Zeit t umfaßt, derart, daß CN(t) des Netto-Flusses des Lösstoffs in das Scheibenvolumen mit dem zugeordneten radialen Abstand r = rN bei der Rotation der Zentrifugenrohre mit der Zeit auf einen vorgegebenen kritischen Wert Ccrit bei einer bestimmbaren Zeit t = Tc zunimmt und für jede beliebige Zeit t größer als Tc nicht über den Wert Ccrit ansteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die genannte Probenlösung einen Lösstoff und ein Lösungsmittel, enthalten in einem Zentrifugenrohr, umfaßt, das Verfahren des weiteren enthaltend einen Verfahrensschritt, wonach für Berechnungszwecke der Inhalt des Zentrifugenrohrs in eine Mehrzahl von Scheibenvolumenelementen unterteilt wird, wobei jeweils jedes der genannten Mehrheit von Scheibenvolumenelementen annähernd in einem festen radialen Abstand r = r&sub1; (i = 1, 2, ..., N) von der Rotationsachse liegt, wobei wenigstens eines der genannten Mehrzahl von Scheibenvolumenelementen einen größten zugeordneten Radialabstand r = rN von der Rotationsachse besitzt, wobei der genannte Schritt der Rotation der genannten Probenlösung in dem genannten Rotor eine Rotation des Zentrifugenrotors um dessen Rotationsachse mit einer Winkelgeschwindigkeit w = w(t) als Funktion der Zeit t umfaßt, zur Erzeugung eines zeitabhängigen Flusses Ji-1,1 von Lösstoffteilchen zwischen benachbarten Scheibenvolumenelementen ΔVi-1 und ΔVi und eines zeitabhängigen Flusses Ji,i+1 von Lösstoffteilchen zwischen benachbarten Scheibenvolumenelementen ΔVi und ΔVi+1, derart, daß die Konzentration Ci(t) von Lösstoff in einem Scheibenvolumenelement ΔVi mit der Zeit veränderlich ist, und wobei der genannte Verfahrensschritt der Bestimmung die automatische Einstellung der Winkelgeschwindigkeit w(t) als Funktion der Zeit t umfaßt, derart, daß der Netto-Fluß an Lösstoffteilchen in das Volumenelement ΔVi, berechnet unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit w(t) für die Drehung des Zentrifugenrohrs, sich zeitlich gemäß einer vorgegebenen Funktion f(t) der Zeit ändert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die genannte Probenlösung einen ersten und einen zweiten Lösstoff in einem Lösungsmittel, enthalten in einem Zentrifugenrohr, aufweist, das Verfahren des weiteren umfassend einen Verfahrensschritt, wonach für Berechnungszwecke der Inhalt des Zentrifugenrohrs in eine Mehrzahl von Scheibenvolumina unterteilt wird, wobei jeweils jedes der genannten Mehrzahl von Volumina annähernd in einem festen radialen Abstand r = ri (i = 1, 2, ..., N) von der Umlaufachse liegt, wobei wenigstens eines der genannten Mehrzahl von Scheibenvolumina einen größten zugeordneten radialen Abstand r = rN von der Rotationsachse besitzt, wobei der genannte Verfahrensschritt der Rotation der genannten Probenlösung in einem Rotor die Rotation des Zentrifugenrohrs um dessen Rotationsachse mit einer Winkelgeschwindigkeit w = w(t) als Funktion der Zeit umfaßt, zur Erzeugung eines Netto-Flusses von ersten Lösstoffteilchen A in ein vorgegebenes Scheibenvolumen hinein, und eines Netto-Flusses von zweiten Lösstoffteilchen B in das gleiche Scheibenvolumen hinein, wobei der genannte Verfahrensschritt des Bestimmens eine automatische Einstellung der Winkelgeschwindigkeit w(t) als Funktion der Zeit umfaßt, derart, daß das Verhältnis des Netto-Flusses der ersten Lösstoffteilchen A zum Netto-Fluß der zweiten Lösstoffteilchen B in das vorgegebene Scheibenvolumen hinein, berechnet unter Verwendung der Winkelgeschwindigkeit w(t) für die Rotation des Zentrifugenrohrs, sich zeitlich gemäß einer vorgegebenen Funktion f(t) der Zeit ändert.

6. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der genannte Satz von Zustandsbedingungen eine konzentrationsunabhängige Bedingung aufweist, daß die genannte Rotationsdrehzahl w eine obere Grenze besitzt, für welche eine Fließgrenze des genannten Rotors nicht überschritten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem der genannte wenigstens eine Zustand der ist, daß für i = k die Konzentration Ck der genannten Lösstoffkomponente bei einer gegebenen Radialstellung rk in der genannten Probenlösung relativ bezüglich der genannten Rotationsachse sich gemäß einer bestimmten vorgegebenen Funktion der Zeit f(t) verändert.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem i = k = N, wobei rN eine von der genannten Rotationsachse am weitesten entfernte Stelle in der genannten Probenlösung ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem für i = N die durch die genannte Funktion f(t) definierte Konzentration CN während der Zeit 0 < t < Tc zunimmt, bis die genannte Konzentration CN in einem Zeitintervall Tc einen Wert q x Ccrit erreicht, wobei q ein vorgegebener Sicherheitsabstand mit 0 < q ≤ 1 ist und Ccrit eine kritische Konzentration ist, bei welcher die genannte Lösstoffkomponente aus der genannten Probenlösung ausfällt, und wobei die genannte Konzentration CN für Zeitintervalle t > Tc im wesentlichen konstant q x Ccrit beträgt, derart, daß die genannte Lösstoffkomponente an einer Ausfällung gehindert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die genannte wenigstens eine Zustandsbedingung die ist, daß für i = k der Fluß Jk-1,k der genannten Lösstoffkomponente aus einer gegebenen Radialstellung rk-1 in eine radial benachbarte Lage rk in der genannten Probenlösung sich gemäß einer bestimmten Zeitfunktion f(t) verndert.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 7 oder 10, bei welchem i = k = N ist, wobei rN die von der genannten Rotationsachse am weitesten entfernte Stelle in der genannten Probenlösung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem für i = N der durch die genannte Funktion f(t) bestimmte Fluß JN-1,N für die Zeit t > Tc nach einem Zeitintervall Tc im wesentlichen Null ist, in welchem die Konzentration CN der genannten Lösstoffkomponente bei der genannten angegebenen Stelle rN einen Wert q x Ccrit erreicht, wobei q ein vorgegebener Sicherheitsabstand mit 0 < q ≤ 1 und Ccrit eine kritische Konzentrations ist, bei welcher die genannte Lösstoffkomponente aus der genannten Probenlösung ausfällt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren umfassend einen Verfahrensschritt, wonach die genannte Winkelgeschwindigkeit w(t) zur Annahme eines Anfangswerts veranlaßt wird, der kleiner als die, aber annähernd gleich der zur Bewahrung der baulich konstruktiven Integrität des genannten Rotormechanismus zulässigen Winkelgeschwindigkeit w = wy ist.

14. Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren umfassend den Verfahrensschritt, wonach die genannte Winkelgeschwindigkeit w(t) für alle Zeiten t bis zu dem genannten Zeitpunkt t = Tc annähernd konstant bei w(t) = wy ist.

15. Zentrifugenapparatur, umfassend:

- einen Rotor (32) zur Aufnahme einer Probenlösung (19) für Rotation um eine Rotationsachse, wobei die genannte Probenlösung wenigstens eine Lösstoffkomponente enthält,

- einen Antrieb (30) zur Rotation der genannten Probenlösung mit einer zeitabhängig veränderlichen Drehzahl um die genannte Rotationsachse, des weiteren gekennzeichnet durch eine Steuer- bzw. Regelvorrichtung (34) zur Einstellung einer Rotationsdrehzahl als einer Funktion der Zeit zur Vermeidung von Ausfällung der genannten Lösstoffkomponente der genannten Probenlösung in Abhängigkeit von dem Sedimentations- und Diffusionsverhalten der genannten Lösstoffkomponente als Funktion der Drehzahl, der Zeit und der Radialstellung in der genanntenn Probenlösung relativ bezüglich der Rotationsachse.

16. Apparatur nach Anspruch 15, bei welcher die genannte Probenlösung ein Lösungsmittel und einen Lösstoff enthält und der Rotor die Probenlösung um die genannte Rotationsachse rotiert, wobei der Rotor wenigstens ein die genannte Probenlösung enthaltendes Scheibenvolumen in einem radialen Abstand rN von der Rotationsachse enthält, der wenigstens ebenso groß wie der Radialabstand ri (i = 1, 2, ..., N) jedes beliebigen anderen Scheibenvolumens des Rotors ist, mit einem mit dem Rotor verbundenen Antrieb zur Rotation des Rotors um die Rotationsachse mit einer zeitveränderlichen Winkelgeschwindigkeit w = w(t) zur Erzeugung eines Flusses von Lösstoffteilchen zwischen unterschiedlichen Bereichen des Rotors, wobei die Steuer- bzw. Regelvorrichtung mit dem Antrieb zur automatischen Einstellung der Winkelgeschwindigkeit w(t) als Funktion der Zeit t verbunden ist, derart, daß der Netto- Fluß Ji von Lösstoffteilchen in irgendein anderes Scheibenvolumen sich gemäß einer vorgegebenen Funktion der Zeit f(t) ändert.

17. Apparatur nach Anspruch 16, bei welcher die Steuer- bzw. Regelvorrichtung die Winkelgeschwindigkeit w(t) als Funktion der Zeit t so einstellt, daß die Konzentration CN von Lösstoffteilchen in dem Scheibenvolumen mit dem radialen Abstand rN mit der Zeit auf einen vorgegebenen Wert Ccrit bei einer bestimmbaren Zeit t = Tc zunimmt und für jede Zeit größer als Tc nicht über den Wert Ccrjt zunimmt.

18. Apparatur nach Anspruch 16, bei welcher die genannte Probenlösung ein Lösungsmittel und einen ersten und einen zweiten Lösstoff enthält, der Rotor eine Mehrzahl von eine Probenlösung enthaltenden Scheibenvolumina bei verschiedenen radialen Abständen besitzt, deren radialer Abstand rN von der Rotationsachse wenigstens so groß wie der Radialabstand ri jedes anderen Volumenelements des Rotors von der Rotationsachse ist, wobei die genannte Steuer- bzw. Regelvorrichtung mit dem Antrieb verbunden ist zur automatischen Einstellung der Winkelgeschwindigkeit w(t) als Funktion der Zeit t, derart, daß das Verhältnis des Netto-Flusses von ersten Lösstoffteilchen in ein vorgegebenes Scheibenvolumen zum Netto-Fluß der zweiten Lösstoffteilchen in das gleiche vorbestimmte Volumenelement sich gemäß einer vorgegebenen Funktion der Zeit f(t) ändert.

19. Apparatur nach den Ansprüchen 16, 17 oder 18, bei welcher die genannte Steuer- bzw. Regelvorrichtung bewirkt, daß die Winkelgeschwindigkeit w(t) einen Anfangswert besitzt, der kleiner als die, jedoch annähernd gleich der zur Erhaltung der baulich konstruktiven Integrität des genannten Rotormechanismus zulässigen maximalen Winkelgeschwindigkeit w = wy ist.

20. Apparatur nach den Ansprüchen 16, 17 oder 18, bei welcher die genannte Steuer- bzw. Regelvorrichtung bewirkt, daß die genannte Winkelgeschwindigkeit w(t) für alle Zeiten t bis zu dem genannten Zeitpunkt t = Tc annähernd konstant einen Wert w(t) = wy besitzt.