Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerkleinern von in
einer Suspension vorhandenen Agglomeraten von Partikeln.
Suspensionen werden in diversen Bereichen der Technik und insbesondere
im Bereich der Chemie verwendet. So finden z. B. für analytische Zwecke im
medizinisch-diagnostischen Bereich Suspensionen von Mikropartikeln, sog.
beads, Verwendung, an deren Oberflächen Fängermoleküle, z.B. DNA, immobilisiert
sind, welche mit bestimmten Analyten einer zu untersuchenden
Probe eine messtechnisch nachweisbare Bindung eingehen können. Bei
diesen diagnostischen bzw. analytischen Anwendungen aber auch in
anderen Einsatzbereichen von Suspensionen tritt das Problem auf, dass die
in der betreffenden Flüssigkeit verteilten Feststoff-Mikropartikel Agglomerate
bilden. Ursache hierfür sind insbesondere elektrostatische Kräfte und
Van der Waals-Wechselwirkungen zwischen den Mikropartikeln. Solche
Agglomerate können die optimale Verwertung der Suspension in dem jeweiligen
Anwendungsfall behindern.
Es sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die einer Bildung von
Agglomeraten entgegenwirken und vorhandene Agglomerate verkleinern
sollen. Zu diesem Zweck werden u. a. konventionelle Mischvorrichtungen
eingesetzt, wie z. B. Rührwerke. Beim Rühren der Suspension werden auf
Grund der Rührbewegung Kräfte auf die Agglomerate von Mikropartikeln
ausgeübt, die den zwischen den Mikropartikeln herrschenden Anziehungskräften
entgegenwirken. Die Rührbewegung erzeugt insbesondere
Scherströmungen und diese wiederum Scherkräfte, welche auf die Agglomerate
wirken und zur Verkleinerung der Agglomerate führen.
Die bisher bekannten Vorrichtungen und Verfahren haben den Nachteil,
dass sie Agglomerate in Suspensionen für bestimmte Anwendungen nicht
genügend stark zerkleinern können. Mittels der bekannten
Rühreinrichtungen müssen entweder lange Rührzeiten in Kauf genommen
werden oder es werden hohe Rührgeschwindigkeiten benötigt. Beides ist bei
bestimmten Anwendungen nachteilig, insbesondere da die zeitliche
Effektivität gering ist bzw. an die Mikropartikel eventuell angebundene
anwendungsspezifische Reagenzien durch den Rührvorgang von den
Mikropartikeln abgelöst werden können.
Aus dem Aufsatz "Dispersibility of Applied Chemistry" von K. Higashitani,
Proceedings of Second World Congress PARTICLE TECHNOLOGY, Sept.
19-22, 1990, Kyoto, Japan, ist bekannt, dass zum Verkleinern von Agglomeraten
Dehnströmungen bzw. Longitudinalströmungen mit Strömungsbeschleunigung
eingesetzt werden können. Die auf Grund der Dehnströmungen
auf die Agglomerate wirkenden hydrodynamischen Kräfte verursachen
eine wesentlich verbesserte Zerkleinerung der Agglomerate. Zur
Erzeugung der Dehnströmungen soll die Suspension z.B. durch eine
Öffnung, d. h. eine Verengung innerhalb des Fließweges der Suspension,
geleitet werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine
gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung anzugeben, mit
der eine effektivere Verkleinerung von Agglomeraten in Suspensionen
erzielt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Zerkleinern von Agglomeraten aus
Partikeln in einer Suspension umfasst einen Behälter zum Aufnehmen der
Suspension und wenigstens ein Fluidverdrängungsmittel, vorzugsweise in
Form eines Kolbens, der in dem Behälter bewegbar ist, um Suspension zwischen
zwei Raumbereichen einer Hohlraumanordnung des Behälters zu bewegen,
wobei die beiden Raumbereiche durch wenigstens einen eine Engstelle
definierenden Strömungsweg für die Suspension miteinander verbunden
sind.
Auf Grund der durch die Kolbenbewegung verursachten Verdrängung der
Suspension kommt es zu einer starken Beschleunigung der Suspension bei
deren Strömung durch die Engstelle hindurch. Dabei wirken die oben schon
unter Bezugnahme auf den Aufsatz von K. Higashitani angesprochenen
hydrodynamischen Zugkräfte bzw. Dehnkräfte auf die Agglomerate in der
Suspension. Dabei kommt es zu einer effizienten Zerkleinerung von
Agglomeraten, wobei zusätzlich ein guter Durchmischungseffekt der
Suspension stattfindet. Mit einer Vorrichtung nach der Erfindung ist es
möglich, in einer Suspension in relativ kurzer Zeit den sogenannten stabilen
Zustand kleinstmöglicher Agglomerate zu erreichen. Eine nennenswerte weitere
Zerkleinerung der Agglomerate ist dann nicht mehr mit vertretbarem
Aufwand möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluidverdrängungsmittel
ein in einer die beiden Raumbereiche enthaltenden
Zylinderkammer axial hin- und herbewegbarer und eine Grenze zwischen
den Raumbereichen bildender Kolben, der bei seiner Hin- und Herbewegung
in der Zylinderkammer aufgenommene Suspension wechselweise von einem
Raumbereich in den anderen Raumbereich durch die Engstelle hindurch
verdrängen kann. Eine solche Ausgestaltung der Vorrichtung nach der Erfindung
kann auf einfache Weise realisiert und betrieben werden. So kann
der die Engstelle definierende Strömungsweg beispielsweise von einem den
Kolben axial durchsetzenden Loch gebildet sein. Beim Bewegen des
Kolbens in der Zylinderkammer kann dann die aus dem kleiner werdenden
Raumbereich verdrängte Suspension durch das axiale Loch in dem Kolben
hindurch in den größer werdenden Raumbereich strömen, wobei im Bereich
der Engstelle eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird und es zu
einer starken Beschleunigung der Strömung mit dem Effekt des
Auseinanderreißens der Agglomerate kommt. Die dabei ebenfalls
auftretende Turbulenz in der Suspension sorgt für einen schnellen
Teilchentransport in der Flüssigkeit und somit zu einer guten
Durchmischung bzw. Homogenisierung der Suspension. Durch die Hin- und
Herbewegung des Kolbens wird die Suspension zwischen den beiden
Raumbereichen hin- und herbewegt, wobei sie jedes Mal die Engstelle
durchströmen muss, da die Zylinderkammer während des Betriebs der
Zerkleinerungsvorrichtung nach außen hin im Wesentlichen geschlossen ist.
Nach relativ kurzer Zeit wird so erreicht, dass die ursprünglich vorhandenen
größeren Agglomerate so weit wie möglich zerkleinert sind und eine gute
Durchmischung vorliegt. Die so präparierte Suspension kann dann aus der
Zylinderkammer bzw. aus dem Behälter durch ein zu öffnendes Ventil oder
dgl. ausgebracht und der bestimmungsgemäßen Verwendung zugeführt
werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein,
dass bei jedem Kolbenhub eine geringe Menge der Suspension durch eine
sehr kleine Öffnung aus dem Behälter ausgebracht - und noch zu
behandelnde Suspension entsprechender Menge durch eine andere kleine
Öffnung in den Behälter eingeführt wird.
Selbstverständlich können mehrere kleine Axialbohrungen oder dgl. in dem
Kolben vorgesehen sein, die einen Strömungsweg für die verdrängte
Suspension bilden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der die Engstelle definierende
Strömungsweg von einem Ringspalt zwischen der Kolbenumfangswand und
der Zylinderkammerwand gebildet. In einem solchen Fall empfiehlt es sich,
den Kolben an einer nach außen geführten Kolbenstange axial beweglich zu
führen, da eine Führung an der Zylinderkammerumfangswand nicht stattfindet.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der die Engstelle definierende
Strömungsweg durch wenigstens eine radiale Aussparung in der Kolbenumfangswand
gebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen,
dass die beiden Raumbereiche durch eine den Strömungsweg für die
Suspension bildenden und außerhalb der Zylinderkammer verlaufenden
Fluidleitung miteinander verbunden sind. In einem solchen Fall kann es
vorgesehen sein, dass der Kolben die beiden Raumbereiche im Wesentlichen
abdichtend trennt, so dass die verdrängte Suspension nur über die
externe Fluidleitung von dem einen Raumbereich in den anderen Raumbereich
jeweils ausweichen kann.
Die Betätigung des Kolbens kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
manuell erfolgen. Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung
ist ein Antriebsmotor für die Hin- und Herbewegung des Kolbens vorgesehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Vorrichtung zum Zerkleinern von Agglomeraten in ein automatisches
Analysesystem zur chemischen Analyse von Molekülen, insbesondere
Biomolekülen, integriert. Die Festphase der Suspension besteht in einem
solchen Fall vorzugsweise aus beads, also Mikroteilchen mit daran
immobilisierten Fängermolekülen, welche spezifisch mit Analyten einer der
Suspension zugegebenen und zu analysierenden Probe, z.B.
Körperflüssigkeit eines Lebewesens, eine Bindung eingehen kann, wobei
diese Bindung mit messtechnischen Mitteln des Analysesystems, etwa
spektroskopischen Mitteln, detektierbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in diesem Sinne sehr gut zum Verkleinern
von Agglomeraten von Mikropartikeln (beads) geeignet, an die
medizinisch-diagnostische Reagenzien angelagert sind. In solchen
medizinisch-diagnostischen Anwendungen werden besonders hohe
Anforderungen an die Suspensionen gestellt, da weitgehend vermieden
werden muss, dass die dem Probenmaterial auszusetzende bindungsfähige
Oberfläche der beads durch Agglomerate verkleinert wird.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben.
- Fig. 1a und
Fig. 1b
- zeigen in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung in zwei Momentaufnahmen während des
Betriebs der Vorrichtung;
- Fig. 2a
- zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein zweites Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung nach der Erfindung;
- Fig. 2b
- zeigt eine Ansicht von unten auf den Kolben der Vorrichtung aus
Fig. 2a;
- Fig. 3a
- zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein drittes Ausführungsbeispiel;
- Fig. 3b
- zeigt in einer Ansicht von unten den Kolben der Vorrichtung aus
Fig. 3a;
- Fig. 4
- zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein viertes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
Die Vorrichtung zum Verkleinern von Agglomeraten aus Partikeln in einer
Suspension gemäß Fig. 1a und Fig. 1 b weist einen Zylinderbehälter 2 auf, in
dessen Zylinderkammer 4 ein Kolben 6 axial hin- und herverschiebbar angeordnet
ist. Der Kolben 6 weist eine abgedichtet durch die obere Stirnseite 8
des Zylinderbehälters 2 geführte Kolbenstange 10 auf, welche manuell betätigbar
ist, um den Kolben 6 in der Zylinderkammer 4 axial hin- und herzubewegen.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels der Fig. 1a und 1 b kann
ein Antriebsmotor, z.B. Elektromotor, mit der Kolbenstange in
Antriebsverbindung stehen, um die Hubbewegungen des Kolbens 6 zu
erzeugen.
Der Durchmesser des in den Figuren 1a und 1b im Wesentlichen radial
mittig zentrierten Kolbens 6 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser
der Zylinderkammer 4, so dass zwischen dem Kolbenumfang und der Innenumfangsfläche
der Zylinderkammer 4 ein schmaler Ringspalt 12 vorliegt.
Dieser Ringspalt 12 stellt einen eine Engstelle definierenden Strömungsweg
für die in der Zylinderkammer 4 aufgenommene Suspension 14 dar. Die
Suspension 14 kann daher durch den Ringspalt 12 hindurch zwischen den
beiden vom Kolben 6 unterteilten Raumbereichen 16 und 18 der Zylinderkammer
4 strömen.
Fig. 1a zeigt eine Momentaufnahme bei der Bewegung des Kolbens 6 nach
unten. Der Kolben 6 verdrängt dabei Suspension aus dem Raumbereich 18
durch den Ringspalt 12 hindurch in den Raumbereich 16. Die auf den
Kolben 6 ausgeübte Antriebskraft ist so bemessen, dass das
Suspensionsfluid mit großer Strömungsgeschwindigkeit die Engstelle 12
passiert, wobei die Suspension unmittelbar vor Eintritt in die Engstelle 12
eine starke Strömungsbeschleunigung erfährt. Auf etwaige Agglomerate in
der Suspension wirken in diesem Bereich der stark beschleunigten
Elongationsströmung Streckkräfte, die zum Aufbrechen der Agglomerate
führen.
Wie die zur vereinfachten qualitativen Darstellung des Strömungsverhaltens
eingezeichneten Strömungspfeile 20 andeuten, werden aufgrund der hohen
Strömungsgeschwindigkeit der Suspension beim Eintritt in den größer
werdenden Raumbereich 16 Turbulenzen erzeugt. Dies hat einen Mischungseffekt
und trägt zur gewünschten Homogenisierung der Suspension
bei.
Fig. 1 b zeigt eine Momentaufnahme, bei der der Kolben 6 nach oben bewegt
wird, wobei Suspension 14 aus dem nun kleiner werdenden Raumbereich 16
durch die Engstelle 12 hindurch in den größer werdenden Raumbereich 18
verdrängt wird. Beim Eintritt und Durchgang durch den Ringspalt 12 erfahren
etwaige Agglomerate in der Suspension die schon angesprochenen
Streckkräfte in der beschleunigten Elongationsströmung.
Ist die Suspension 14 nach entsprechend häufigem axialem Hin- und Herbewegen
des Kolbens 6 hinreichend feindispers, so kann das in einer Auslassleitung
sitzende Sperrventil 22 geöffnet werden, um die Suspension der beabsichtigten
weiteren Verwendung zuzuführen.
Mit 24 ist ein Sperrventil in einer Zuleitung zu dem Zylinder 2 bezeichnet.
Nach Öffnen dieses Sperrventils 24 kann somit neue Suspension der Zylinderkammer
4 zur Behandlung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zugeführt werden.
Zur Erläuterung der weiteren Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in
den betreffenden Figuren Elemente, die funktionell oder/und konstruktiv
Elementen des ersten Ausführungsbeispiels entsprechen, mit entsprechend
gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Fig. 2a und Fig. 3a
unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel lediglich dadurch,
dass der Kolben 6 des zweiten Ausführungsbeispiels einen größeren Durchmesser
D hat, so dass er bei seiner axialen Hin- und Herbewegung unmittelbar
an der Innenwand der Zylinderkammer 4 gleitend geführt ist. Wie
insbesondere in Fig. 2b zu erkennen ist, hat der Kolben 6 jedoch radiale und
axiale durchgehende Aussparungen 12, welche mit der Innenwand der Zylinderkammer
4 einen verengten Strömungsweg für die Suspension bei deren
durch Hin- und Herbewegung des Kolbens 6 erzwungener Hin- und
Herströmung zwischen den Raumbereichen 16 und 18 bildet.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3a und Fig. 3b handelt es
sich ebenfalls um eine Abwandlung des bereits unter Bezugnahme auf die
Figuren 1a und 1b erläuterten ersten Ausführungsbeispiels. Der Kolben 6 ist
bei dem dritten Ausführungsbeispiel mit seiner Umfangswand gleitend an
der Innenwand der Zylinderkammer 4 geführt. Als Strömungsweg für die
Suspension bei der Verdrängung zwischen den beiden Raumbereichen 16
und 18 dienen axiale Durchgangslöcher 12 in dem Kolben 6. Im Beispiel der
Fig. 3b sind vier Durchgangslöcher 12 eingezeichnet. Es können selbstverständlich
je nach Anwendungsfall mehr oder weniger Durchgangslöcher
sein.
Das vierte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 weist einen die Raumbereiche
16 und 18 im Wesentlichen abdichtend voneinander separierenden Kolben
6 auf. Als Strömungsweg mit Engstelle bzw. großen Strömungswiderstand ist
eine externe Fluidleitung 12 vorgesehen, welche die Raumbereiche 16 und
18 der Zylinderkammer 4 verbindet.