CH663722A5 - Filtrationsgeraet. - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Filtrationsgefäss gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

6o Die statische Filtration ist das einfachste Filtrationsverfahren. Hierbei steht das zu filtrierende Medium ohne erzwungene Strömungen unter einem Überdruck mit der Membrane in Kontakt. Sie kann nach dem Stand der Technik dann mit Erfolg angewandt werden, wenn nur sehr ge-«5 ringe Substanzmengen aus der Suspension oder Lösung abgeschieden werden müssen, wie dies beispielsweise bei der Gewinnung von sterilen Filtraten aus schwach verkeimten Lösungen der Fall ist.

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Je höher jedoch die Konzentration der anzutrennenden gelösten oder suspendierten Substanzen ist, um so mehr werden bei der statischen Filtration die erzielbaren Filtrationsraten (Filtratmenge pro Fläche und Zeit) durch die Anreicherung der abzutrennenden Komponenten an der Membranoberfläche beeinträchtigt.

Die Verwendung entsprechend grösserer Filterflächen ist jedoch nicht nur wegen des höheren technischen Aufwands vielfach undurchführbar. Insbesondere bei analytischen Filtrationsaufgaben, bei denen es auf eine möglichst vollständige Gewinnung von Konzentrat oder Filtrat und auf deren unverfälschte Zusammensetzung ankommt, müssen möglichst kleine Filterflächen angewandt werden.

Es ist selbstverständlich, dass grosse Filterflächen auch entsprechend grosse Verluste an anhaftendem Filtrat oder Konzentrat zur Folge haben. Darüber hinaus kann aber auch deren Zusammensetzung durch das Filtermaterial in unerwünschter Weise verändert werden. Einerseits enthalten die meisten Filtermaterialien, insbesondere Ultrafiltrationsmembranen, auswaschbare Hilfsmittel (Netzmittel, Weichmacher, Glycerin, Bactericide u.a.), die in höheren Konzentrationen stören können, deren vorherige Auswaschung aber zur Verdünnung der Probe führen würde. Andererseits können Filtermaterialien durch spezifische oder unspezifische Adsorptionseffekte die Zusammensetzung der Probe sowohl in ihrer Gesamtkonzentration als auch im Konzentrationsverhältnis der einzelnen Komponenten zueinander verändern. Beispiele hierfür, auf die später noch eingegangen wird, sind die Adsorption von ungebundenen Pharmaka bei der Ultrafiltration von Serum und die partielle Proteinad-sorption bei der Aufkonzentrierung der Proteine in Harn.

Die Nachteile der statischen Filtration können zwar durch das Prinzip der tangentialen Überströmung unter Verwendung von Pumpen weitgehend behoben werden, dieses ist jedoch im Bereich kleiner und kleinster Volumina wegen der auftretenden Verluste nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einfacherer Weise als bisher auch bei kleinsten Mengen Verfälschungen bei Entnahme von Konzentrat oder Filtrat zu vermeiden und die Automatisierung der Filtervorgänge zu ermöglichen.

Erreicht wird dies bei einem Gerät der eingangs genannten Art überraschend durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Vorzugsweise wird als treibende Kraft der Filtration der sich aus dem Niveauunterschied zwischen Filtrationsmedium und Filtrat sowie der Zentrifugalbeschleunigung ergebende hydrostatische Druckunterschied von mindestens 0,5 bar ausgenutzt, wobei das Gerät so ausgelegt ist, dass die Zentrifugalbeschleunigung von der zu filtrierenden Lösung aus gesehen keinen Vektor in Richtung der Membran aufweist.

Bei der Massnahme nach'der Erfindung erregt die apparative Unkompliziertheit Erstaunen, die insbesondere auch im Hinblick auf die Fertigung von Einweggeräten von Bedeutung ist.

Die statische Filtration im Beschleunigungsfeld einer Zentrifuge oder der Gravitation wird so ausgenutzt, dass die Wanderungseinrichtung des Filtrats von der Richtung der Beschleunigung verschieden ist.

Zum Unterschied von bekannten Vorrichtungen für die statische Filtration, bei denen ebenfalls die Zentrifugalbeschleunigung zur Erzeugung der wirksamen hydrostatischen Druckdifferenz herangezogen wird (beispielsweise deutsche Patentschrift 1 906 179) weist bei der Massnahme nach der Erfindung die Zentrifugalbeschleunigung keinen Vektor in Richtung der Membran auf. Dadurch wird vermieden, dass vorhandene sedimentierbare Bestandteile auf der Membran abgelagert werden oder sich das gebildete Konzentrat, das im allgemeinen eine höhere Dichte aufweist, als die Aüs-gangslösung, auf der Membran anreichern kann. Gleiches gilt, wenn die Filtration unter Einwirkung der Erdbeschleunigung im Vakuumbetrieb ausgeführt wird, wobei selbstverständlich der Effekt entsprechend weniger ausgeprägt ist.

Im übrigen wird durch die Massnahme nach der Erfindung erreicht, dass im Lauf der Filtration die bewegliche Membran dem sinkenden Probenniveau folgen kann und bis zur Beendigung des Konzentrierungsvorgangs in voller Fläche vom Filtrationsmedium benetzt wird; d.h. die wirksame Filtrationsfläche bleibt während des gesamten Vorgangs unverändert.

Bedingt durch den einfachen Aufbau der Vorrichtung werden die Produktionskosten niedrig gehalten.

Zweckmässig weist der Filtereinsatz anschliessend an die aufgeklebte Membran eine Bohrung auf, von der aus der Filtereinsatz sich innen bis auf die Wandstärke des dünnen hohlen Filtrateinsatzes erweitert.

Als besonderer Vorteil ist das bei einigen Ausführungsformen verwirklichte Baukastensystem zu nennen, wobei erstaunlich ist, wie wenige Teile für eine vielseitige Verwendbarkeit lediglich notwendig sind, was eine kostensparende Fertigung ermöglicht.

Sowohl im Betrieb mit Vakuum als auch bei Zentrifugenbetrieb wird das Gerät allein durch Aussendruck ohne Gewinde etc. zusammengehalten.

Vorzugsweise sind für grössere Probenmengen Schwimmer mit herausnehmbarer Filterunterstützung und auswechselbarer Membran vorgesehen, wobei der Boden des Schwimmers offen mit Fortsatz zum Einschieben der Filterunterstützung ausgebildet ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung kommt häufig in der biochemischen bzw. medizinischen Analytik und in der pharmazeutischen Forschung vor.

Ein Beispiel ist die Abtrennung von Proteinen vor der säulenchromotographischen Bestimmung von Aminosäuren (Proteine machen die Säulenfüllung durch irreversible Bildung unbrauchbar. Enzymatische Proteinhydrolysate und biologische Flüssigkeiten müssen daher vor der Aminosäu-reanalyse von Proteinen befreit werden).

Ein weiterer Anwendungsfall ist die Bestimmung von freien (nicht proteingebundenen) Substanzen (z.B. Pharmaka) in Patientenblut.

Weitere Anwendungsbeispiele sind die Anreicherung von Enzymen, Pyrogenen oder Viren zur Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit.

Bei Ausführungsformen der Erfindung, bei denen durch Verwendung eines Konzentratgefässes ein hoher und definierter Konzentrierungsfaktor erreicht wird, können zur Aufkonzentrierung der Proteine im Harn oder Liquor cerebrospinalis vor ihrer elektrophoretischen Untersuchung, die in der medizinischen Diagnostik von Bedeutung ist, verwendet werden.

Die Massnahme nach der Erfindung führt zusätzlich zu den oben genannten Vorteilen zu einer kleinen Filterfläche, wodurch Adsorptionsverluste vermieden werden. Es ergibt sich eine hohe Filtrationsgeschwindigkeit durch wirksame Vermeidung der Konzentrationspolarisation. Die Makromoleküle werden mechanisch nicht beansprucht. Es stellt sich ein minimaler Luftkontakt der Probe und dadurch praktisch kein Gasaustausch mit der Atmosphäre ein. Die Filtration kann mit einer Laborzentrifuge ohne weitere Hilfsmittel durchgeführt werden. Die gleichzeitige Filtration einer Vielzahl von Proben ist möglich.

Der Schwimmer taucht also im allgemeinen teilweise in die Probe im Zentrifugenröhrchen ein. Dadurch ergibt sich an der Membran ein hydrostatischer Druck, der unter dem Einfluss der Zentrifugalbeschleunigung mehrere bar erreicht.

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In diesem Falle sammelt sich das Filtrat im Innern des Schwimmers. Während normalerweise Winkel- und Schwingkopfzentrifuge gleichermassen verwendbar sind, muss in Gegenwart emulgierter Lipide, wie beispielsweise bei Milch, eine Winkelkopfzentrifuge verwendet werden, um die Belegung der Membran zu vermeiden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen in

Fig. 1 eine erste Ausführungsform;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform;

Fig. 3 eine Variante;

Fig. 4 eine Variante mit einem zusätzlichen Element;

Fig. 5 eine Variante für einen besonderen Zweck;

Fig. 6 eine Ausführungsform für Vakuumbetrieb;

Fig. 7 eine besondere, für die Praxis besonders geeignete Ausführungsform mit minimalem Restvolumen;

Fig. 8 eine Variante ohne jeden Substanzverlust im Restvolumen;

Fig. 9 eine Ausführungsform für intermittierende Zentri-fugation;

Fig. 10 eine Ausführungsform für grössere Probenmengen;

Fig. 11 eine Variante zu Fig. 10;

Fig. 12 eine Ausführungsform, die besonders für Diafiltration geeignet ist;

Fig. 13 eine Ausführungsform zur Aufkonzentrierung mit Vakuumbetrieb;

Fig. 14 eine besonders einfache Variante;

Fig. 15 eine Ausführungsform mit Auftriebskörper; und

Fig. 16 eine Ausführungsform für Diafiltration und Vakuumbetrieb.

Eine Ausführungsform zur direkten Gewinnung von Ultrafiltrat aus Blut ist in Fig. 1 dargestellt (Zustand nach Beginn der Filtration). Die geformten Bestandteile (Blutkörperchen) 2 befinden sich bereits am Boden des Zentrifugen-röhrchens 1, der Filtrationseinsatz (Hohlkörper/Schwimmer) 4 mit Membran 8 schwimmt auf dem Plasma 3. Der seitliche Abstand 140 zwischen Einsatz 4 und Röhrchen 1 ist zur Verdeutlichung übertrieben gross dargestellt und beträgt 0,1 mm. (Bei den meist konischen Röhrchen ist das Innen-mass im unteren Teil massgebend.) Die Abdrehung 15 dient als Speicher für aufsteigende Flüssigkeit und unterbindet die Kapillarwirkung nach Abschalten der Zentrifuge. Die Membrane 8, vorzugsweise eine asymmetrische Ultrafiltrationsmembrane mit einer Trenngrenze von 20 000 Daltons, ist mit der aktiven (filtrationswirksamen) Seite nach aussen mittels eines Schweiss- oder Kleberandes 9 derart mit dem Einsatz 4 verbunden, dass die Querdurchströmbarkeit der Membrane in diesem Bereich unterbunden ist. (Asymmetrische Ultrafiltrationsmembranen weisen bekanntlich unter der filtrationswirksamen Schicht eine relativ grobporige proteindurchlässige Stützschicht auf.) Wenn also der Stanzrand der Membrane offen bleibt, was bei Verwendung von Klebern, die nicht in die Stützschicht eindringen, der Fall ist, kann die aktive Schicht durch die Proteinlösung «unterwandert» werden. Bei dem bevorzugten Verfahren, der thermischen Verschweis-sung, ist die Dichtigkeit gewährleistet.

Das Filtrat 6 durchströmt nach Passieren der Membrane 8 ein in bekannter Weise ausgeführtes System von feinen Kanälen 10 und die Bohrung 11 und sammelt sich im Innenraum des Einsatzes 4. Der untere Teil des Innenraums ist zur Erleichterung der vollständigen Filtratentnahme vorzugsweise konisch ausgebildet.

Die treibende Kraft der Filtration ist die hydrostatische Druckdifferenz, die sich aus dem Niveauunterschied 13 zwischen Plasmaniveau 7 und Filtratniveau 5 unter dem Ein-fluss der Zentrifugalbeschleunigung ergibt. Mit Fortschreiten der Filtration wird die Druckdifferenz zwar immer niedriger, doch wird davon die Filtrationsgeschwindigkeit nicht in diesem Masse beeinflusst, weil bei asymmetrischen Ultrafiltrationsmembranen eine Steigerung der filtrationswirksamen Druckdifferenz über ein gewisses Mass hinaus, das von der Trenngrenze der verwendeten Membran abhängt, keine nennenswerte Steigerung der Filtrationsleistung bewirkt. (Ein Niveauunterschied von 3 mm entspricht bei einer Zentrifugalbeschleunigung von 3000 g einer Druckdifferenz von 0,9 bar.)

Eine Anreicherung des aufkonzentrierten Proteins an-der Membranoberfläche wird dadurch vermieden, dass das Konzentrat infolge seiner höheren Dichte (eine Erhöhung der Proteinkonzentration um 1 g/100 ml entspricht etwa einer Dichtezunahme von 0,004 g/ml) in Richtung der Zentrifugalbeschleunigung Z durch Konvektion zurück in die Ausgangslösung wandert und sich mit ihr vermischt.

In dem hier beschriebenen Anwendungsfall ist es wünschenswert, möglichst viel Ultrafiltrat aus möglichst wenig Blut zu bekommen. Bei Blut ist hier der limitierende Faktor der im aufkonzentrierten Plasma auftretende onkotische (kolloidosmotische) Druck, weil die Filtration dann zum Stillstand kommt, wenn onkotischer Druck des Konzentrats und wirksame hydrostatische Druckdifferenz gleich sind. In der Praxis liegt die obere Grenze des Anteils an ultrafiltrier-barer Flüssigkeit hier bei etwa 50% des Ausgangsvolumens, wobei dieser Wert selbstverständlich von Hämatokritwerten, Proteinkonzentration der Probe, der Umdrehungszahl der Zentrifuge sowie der Geometrie von Vorrichtung und Zentrifuge abhängig ist.

Bei der Filtration von verdünnten Proteinlösungen kann die Filtration schon vorzeitig zum Stillstand kommen, wenn, wie in Fig. 1 dargestellt, ein Röhrchen mit rundem Boden benutzt wird, weil der Einsatz 4 an der Rundung anstösst. Da die meisten handelsüblichen Zentrifugenröhrchen einen runden Boden aufweisen, muss in diesen Fällen ein halbkugeliger Verdrängungskörper mit ebener Oberseite auf den Boden des Röhrchens gelegt werden, wenn ein Maximum an Filtratvolumen erzielt werden soll.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit flachem Schwimmer 4 und flachbödigem Zentrifugenröhrchen 100. Der Schwimmer sinkt durch Filtrataufnahme immer tiefer; auch wenn zuviel Ausgangslösung vorhanden ist, fliesst diese nicht über den Rand des Schwimmers ins Filtrat, wenn der Schwimmer aus einem Material von einer Dichte, die geringer als die der Lösung ist, hergestellt ist. Wenn das nicht der Fall ist, muss die Menge der vorhandenen Probe begrenzt werden. Bei konzentrierten Lösungen, wie beispielsweise Blut oder Serum, kommt die Filtration schon bei einer bestimmten Proteinkonzentration zum Stillstand, so dass eine grössere Probenmenge gewählt werden kann.

In Fig. 3 ist wie in Fig. 1 im oberen Teil des Schwimmers, wo keine Druckfestigkeit erforderlich ist, die Wandstärke durch die Abdrehung 15 vermindert. Dadurch ist im Zeitpunkt des Aufsitzens am Boden noch Ausgangslösung vorhanden, die noch filtriert werden kann, ohne dass etwas über den Rand steigt.

Nach Fig. 4 erfüllt den gleichen Zweck der Stopfen 16, der mittig über eine Entlüftungsbohrung verfügt und in der rohrförmigen Verlängerung 17 endet. Der Schwimmer kann nach Beendigung der Filtration zur Gänze gefüllt sein. Bei dieser Ausführungsform steigt der hydrostatische Druckunterschied nach dem Absinken des Schwimmers zum Boden des Zentrifugenröhrchens noch einmal abrupt an, bis er im Verlauf der weiteren Filtration schliesslich zu null wird.

Nach der Variante der Fig. 5 ist das maximale Filtratvolumen vorgegeben. Der Stopfen ist an sich hohl (nach oben offener Hohlraum 19); das mittige Entlüftungsröhrchen 20

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ist wieder vorhanden. Hierbei muss auch nicht die Dichte des Wandwerkstoffs niedriger als die der zu filtrierenden Lösung gewählt werden. Der Schwimmer ist also immer schwimmfähig. Sobald im Rohr das Filtrat das Aussennive-au der Probe erreicht hat, kommt die Filtration zum Stillstand.

Nach Fig. 6 arbeitet man im Schwimmer mit Unterdruck als treibende Kraft für die Filtration. Man wird eine grössere Anzahl von Geräten gleichzeitig beispielsweise in einem Va-kuumtrockenschrank evakuieren und Rückschlagventile 210 auf den ansonsten unveränderten Stopfen 16 aufsetzen.

Nach Belüften des Schranks beginnt die Filtration. Als Beispiel für ein Rückschlagventil könnte nach Art eines Bunsen-ventils (einseitig verschlossener Schlauch mit Einschnitt in Längsrichtung. In diesem Fall bevorzugt eine Kappe aus Siliconkautschuk mit Einschnitt in Längsrichtung) verwendet werden. Zum Unterschied vom Betrieb in der Zentrifuge muss kein Restvolumen an Ausgangslösung in Kauf genommen werden.

Eine besonders wichtige Ausführungsform zeigt Fig. 7. Unter der Membran kann auf den Schwimmer ein eigenes Konzentratgefäss 21 aufgesteckt werden. Die Zielsetzung dieser Ausführungsform ist es, die Verluste an gelöster Substanz, die in erster Linie von der Grösse der durch das Konzentrat benetzten Oberfläche abhängen, klein zu halten. Das wird dadurch erreicht, dass die Aufkonzentrierung nicht im Probenbehälter erfolgt, sondern in einem mit diesem in Verbindung stehenden Konzentratbehälter, dessen Volumen der gewünschten Konzentratmenge entspricht. Dabei ergibt sich gleichzeitig der Vorteil, dass nicht irrtümlich zu weit aufkonzentriert werden kann. Um trotz dieser Massnahme zu niedrigen Filtrationszeiten zu kommen, muss die Probe an die Membran gelangen, ohne sich mit dem bereits gebildeten Konzentrat zu vermischen. Das Konzentratgefäss wird aus einem Material niedriger Dichte als der des zu filtrierenden Mediums, im allgemeinen eine wässrige Lösung, hergestellt und wird somit durch seinen eigenen Auftrieb an den Schwimmer gepresst, so dass es keiner festen Verbindung bedarf. Das Konzentrat sammelt sich im Hohlraum 23, dessen Volumen das zu erreichende Konzentratvolumen bestimmt. Die Seitenwand 22 des Gefässes ist über das Niveau der Membran 8 hochgezogen, wodurch vermieden wird, dass gebildetes Konzentrat, das im Fall von Proteinlösungen eine höhere Dichte aufweist, entweichen kann. Für den Zufluss der Ausgangslösung brauchen keine besonderen Massnahmen getroffen werden, sofern das Konzentratgefäss nicht absolut dicht mit dem Schwimmer verbunden ist.

Die Filterunterstützung 10 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise leicht konvex ausgeführt, wodurch verhindert wird, dass sich unterhalb der Membran 8 eine Luftblase ausbildet. Es ist dann nicht erforderlich, dass das Konzentratgefäss vor der Filtration mit Flüssigkeit gefüllt wird, weil die Luft am Rand vollständig entweichen kann. Dadurch, dass die Ausgangslösung eine niedrigere Dichte als das bereits gebildete Konzentrat aufweist, breitet sie sich unmittelbar unterhalb der Membran 8 aus und wird dort aufkonzentriert, ohne sich vorher mit dem bereits gebildeten Konzentrat vermischt zu haben. Um das Abnehmen des Konzentratgefässes 21 nach Beendigung der Filtration zu erleichtern und das Verschütten von Konzentrat bei abruptem Abziehen vom Schwimmer zu vermeiden, kann der Rand 22 bei 222 mit sägezahnartigen Abziehschrägen versehen sein, die mit entsprechenden Ausnehmungen in der Wand des Schwimmers in Eingriff stehen. Das Abziehen des Konzentratgefässes erfolgt in diesem Fall durch eine Drehbewegung^ Die Abziehschrägen können auch in der Weise ausgebildet sein, die einen Eingriff in verschiedenen Stellungen ermöglicht, wodurch unterschiedliche Konzentratvolumina vorgewählt werden können. Die Pfeile verdeutlichen den Strömungsverlauf, wobei sich eine Aufkonzentrierung in einem bestimmten Verhältnis aufgrund des Zulaufs aus der Probe 211 ergibt. Bei sämtlichen Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleichwirkende Teile. Eine Ausführungsform ähnlich Fig. 6 für Vakuumbetrieb unter Verwendung des Rückschlagventils 210 zeigt Fig. 8, insbesondere das Konzentratgefässes 24.

Die Ausgangslösung wird hier nicht von oben, sondern von unten über die Bohrung 25 zugeführt. Die vorhandene Probe kann somit restlos filtriert werden. Der Konzentratraum ist hier als ringförmige Vertiefung 26 ausgeführt, während die Bohrung 25 für die Zufuhr der Ausgangslösung bis unmittelbar an die Membran 8 geführt wird.

Ein Substanzverlust im Restvolumen tritt nicht ein.

Beim Arbeiten mit intermittierend laufender Zentrifuge, wie bereits oben erwähnt, kann die Ausführungsform der Fig. 9 Vorteile bringen. Bleibt noch bei Fig. 7 eine kleine Menge der Ausgangslösung unfiltriert im Spalt zwischen Schwimmer und Aussenröhrchen, kann es wünschenswert sein, die in der Lösung befindlichen hochmolekularen Substanzen vollständig zu gewinnen. Dies wird dadurch erreicht, dass mit einer geeigneten Flüssigkeit nachgespült wird. Wird dazu bereits gebildetes Filtrat benutzt, so ist eine Verfälschung der Probe durch Anwesenheit zusätzlicher niedermolekularer Komponenten oder das Fehlen von vorhandenen auszuschliessen. Es wird beispielsweise der Stopfen der Fig. 4 benutzt, der zusätzlich auf der Unterseite im Filterraum über das Steigrohr 27 verfügt. Füllt sich das Innere des Schwimmers mit Filtrat, kann die vorhandene Luft solange ungehindert entweichen, bis das Filtratniveau das untere Ende des Steigrohrs 27 erreicht hat. Schreitet die Filtration fort, so wird die restliche Luft bei 28 zu einem Luftkissen komprimiert. Fällt der hydrostatische Druck durch Abstellen der Zentrifuge fort; es expandiert das komprimierte Luftkissen 28 und verdrängt jenen Teil des Filtrats, der sich über dem unteren Ende des Steigrohrs 27 befindet. Das Filtrat steigt nun durch das Steigrohr und die Bohrung 29 im Stopfen zurück in die Ausgangslösung. Bei neuerlichem Einschalten der Zentrifuge gelangt ein weiterer Teil der gelösten Substanz in das Konzentratgefäss. Bei öfterem intermittierendem Lauf kann die in der Lösung vorhandene gelöste Substanzmenge mit beliebiger Vollständigkeit in das Konzentratgefäss überführt werden. Die Verhältnisse bei Stillstand sind durch den Pfeil 213 verdeutlicht.

Ging es bisher um besonders kleine Probenmengen, so ist die Ausführungsform der Fig, 10 für grössere Probenmengen geeignet. Der Schwimmer 30 verfügt über einen unten offenen Boden und einen ringförmigen Fortsatz 36, in den die Filterunterstützung 31 eingeschoben wird. Darauf wird die Membran 33 und sodann ein O-Ring 34 gelegt. Die Dichtkraft wird durch einen Klemmring 32 aufgebracht, der den O-Ring gegen die Membran 33 und die Innenwand des Fortsatzes 36 drückt. Der Klemmring 32 seinerseits wird durch die Reibung zwischen seiner Aussenfläche 35 und der Innenfläche des Fortsatzes 36 in seiner Lage gehalten. Natürlich ist auch ein einschraubbarer Klemmring möglich. Klemmring 32 und Filterunterstützung 31 werden aus einem Material einer Dichte niedriger als der der Ausgangslösung gefertigt, so dass sie während der Zentrifugation infolge ihres Auftriebs gegen den Schwimmer 30 gedrückt werden.

Das Grundgerät der Fig. 10 lässt sich in vielfacher Weise variieren: eine Ausführungsform für Vakuumbetrieb zeigt Fig. 11, die zusätzlich zu den in Fig. 10 gezeigten Teilen über einen Deckel 37, der mit dem O-Ring 38 gegen den Schwimmer 30 abgedichtet ist und ein Überdruckventil 39 der vorbeschriebenen Art verfügt. Es ergeben sich Ausführungen mit auswechselbarem Filter im Baukastensystem für mehrere

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Anwendungszwecke unter Verwendung einer intermittierend laufenden Zentrifuge (erläutert auch in Fig. 9).

Fig. 12 ist besonders für die Diafiltration mit intermittierender Zentrifuge, wieder mit Steigrohr und Probengefäss ausgestattet. Andererseits ist auch die Entsalzung oder ad-sorptive Abtrennung niedrig molekularer Anteile möglich. Aussen am Schwimmer 30 ist ein analog aufgebautes weiteres Gefäss (Schwimmer) 40 angeordnet, der aus einem Material niedrigerer Dichte als des zu filtrierenden Mediums gefertigt ist. Dieser verfügt unten wieder über eine Filterunterstützung mit Membran 41. Der kleine Schwimmer 40 enthält jetzt die Probe und wird durch die Membran 33 in den grossen Schwimmer hinein filtriert.

Die abnehmbare Filterunterstützung ist hier entscheidend wichtig, da man das Gerät umdrehen kann; dann ist der Schwimmer 40 oben offen; die Probe kann von oben eingefüllt werden und dann Filterunterstützung, Membran aufgesteckt werden, ohne dass sich innen eine Luftblase befindet. Beim Ausführungsbeispiel trägt der Schwimmer 40 eine Membran 41 mit einem cut-off von 20 000 Dalton, die Membran 33 am Schwimmer 30 100 000 Dalton. Wenn also die Probe Proteine mit einem Molgewicht von weniger als 100 000 Dalton enthält, können diese die Membran 33 passieren und gelangen ins Filtrat. Das Filtrat wird nach dem Mechanismus der intermittieren laufenden Zentrifuge bei Stillstand nach aussen gedrückt und gelangt auf diesem Weg zur Membran 41 und wird beim Passieren der Membran 41 von den Proteinen mit einem Molgewicht von mehr als 20 000 befreit; reines Wasser bzw. Lösungsmittel wandert zurück in die Probe. Wird dieser Vorgang oft genug wiederholt, so wird durch Diafiltration das betreffende Protein aus der Probe ausgewaschen und bleibt im Aussenraum zurück.

Es liegt auf der Hand, dass zwischen dem Gefäss 30 und dem Schwimmer 40 in gleicher Weise noch weitere Gefässe 30 angeordnet werden können, wenn die Probe in mehrere Fraktionen aufgetrennt werden soll. Die Anordnung der Membranen wird dann zweckmässig so gewählt, dass die Probe zunächst durch die Membran mit dem höchsten cut off filtriert wird und in den folgenden Gefässen die Membranen mit den jeweils nächst niedrigen cut offs eingesetzt werden. Die für die Aufnahme der einzelnen Fraktionen vorgesehenen Gefässe werden vor Beginn der Zentrifugation luftfrei mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt.

Beim Entsalzen einer Eiweissprobe beispielsweise kann der Filtratraum des Schwimmers 30 teilweise mit einem Mischbettionenaustauscher gefüllt werden. Das Filtrat durchsteigt dann den Ionenaustauscher, bevor es bei Stillstand der Zentrifuge durch das Steigrohr wieder nach aussen gelangt; d.h. das Filtrat, das in den Aussenraum gelangt, ist entsalzt und dringt bei neuerlicher Zentrifugation durch die Membran 41 wieder in die Probe ein. Man kann auch Aktivkohle statt dem Ionenaustauscher in den Schwimmer 30 einführen.

Bei der Ausführungsform der Fig. 13 geht es um die Aufkonzentrierung mit Vakuumbetrieb. Hier sind Vorkehrungen getroffen, dass dann, wenn die Probe vollständig verbraucht ist, verhindert wird, dass in das Konzentratgefäss 42 Luft nachsteigt. Im Unterschied zu Fig. 11 steckt in dem Fortsatz 36 des Schwimmers nicht der Klemmring, sondern ein Konzentratbehälter 42, der zunächst die gleiche Klemmfunktion wie der Klemmring ausübt, darüber hinaus aber noch ein Volumen, nämlich das Konzentratvolumen definiert. In diesem Konzentratbehälter 42 steckt herausnehmbar ein Einsatz 43, der durch die Dichtung 44 gegen den Konzentratbehälter 42 abgedichtet ist und über einen rohr-förmigen Fortsatz 51 bis unmittelbar unter die Membran reicht. Zur Entnahme des Konzentrats wird das Gerät umgedreht und der Einsatz 43 herausgezogen. Für Vakuumbetrieb ist noch ein zusätzlicher Filter 45 vorgesehen, das in der oben beschriebenen Weise festgeklemmt ist, aber ein Porenfilter darstellt und beispielsweise über eine Porengrösse von 0,2 |i verfügt. Filter dieser Art haben die Eigenschaft, im 5 nassen Zustand Luft erst bei einem höheren Druck passieren zu lassen. Wenn keine Probe mehr vorhanden ist, wird die . Filtration somit beendet. Diese Anordnung kann auch in der Zentrifuge benutzt werden, wobei das Filter 45 dann zwar überflüssig ist, jedoch auch zur Vorfiltration oder Sterilfil-io tration herangezogen werden kann. Das Überdruckventil 39 fällt fort.

Eine besondere einfache Ausführungsform lässt Fig. 14 erkennen, wo funktionsmässig gleiche aber anders gestaltete Bauteile wieder gleiche Beziehungen, jedoch mit Index «a» i5 tragen. Der Anschluss des Deckels 37a geschieht hierbei allerdings direkt an einen Vakuumschlauch. Im Deckel sitzt ein Ultrafilter 50, unterhalb des Konzentratgefässes 43a ein Porenfilter 45a. Das Konzentratgefäss 43a ist auf seiner Unterseite als Filterunterstützung mit Kanälen in Richtung zur 20 mittigen Bohrung 52 ausgebildet. Die Zufuhr der Probe kann durch Einlegen des Geräts in einen Probenbehälter oder durch einen in die Bohrung 54 eingesteckten Schlauch aus einem beliebigen Gefäss erfolgen.

Das Andrücken des O-Ringes 56 erfolgt durch das Ge-25 häuse 53. Die Entnahme des Konzentrats erfolgt nach Abnehmen des Gehäuses 53 und Herausziehen des Gummistopfens 55.

Diese Anordnung kann in Verbindung mit dem Schwimmer 30, und Rückschlagventil 39 analog zu Fig. 13 im Vaku-30 umbetrieb ohne geschlossenen Vakuumschlauch oder in Verbindung mit Schwimmer 30 in der Zentrifuge benutzt werden.

Eine weitere bevorzugte Anwendungsmöglichkeit unter geringfügiger Abwandlung der Bauteile von Fig. 14 und zu-35 sätzlicher Verwendung des Auftriebkörpers 58 ist in Fig. 15 dargestellt. Die erwähnten Modifikationen betreffen die zusätzlich angebrachten Bohrungen 61 und 60 im Deckel 37b und die Bohrung 62 im Gehäuse 53. Anstelle der Porenmembrane 45a von Fig. 14 befindet sich die Ultrafiltrationsmem-40 brane 601, und zwar mit der filtrationswirksamen Seite nach innen. Ferner dichtet die O-Ringdichtung 57 den Spalt zwischen Deckel 37b und Zentrifugenglas 63 gleitend ab. Der erwähnte Auftriebskörper 58 weist vorzugsweise keine feste Verbindung mit dem Gehäuse 53 auf, kann aber auch als 45 Teil davon ausgeführt sein. Der Auftriebskörper 58 kann ein allseitig dichter, luftgefüllter Hohlkörper sein, der einem Aussendruck von mindestens 3 bar zu widerstehen vermag oder zur Gänze aus geschäumtem, nach aussen dichtem, gegen Aussendruck beständigem Material bestehen. Die mitt-50 lere Dichte, d.h. Masse durch Aussenvolumen, liegt niedriger als die des zu filtrierenden Mediums, vorzugsweise unter 0,7 g/cm3, ganz besonders bevorzugt sind mittlere Dichten unter 0,5 g/cm3. Die mittlere Dichte des Auftriebskörpers wird so mit seinen Dimensionen abgestimmt, dass er, bezo-55 gen auf die Querschnittsfläche des Zentrifugenglases einem Auftrieb von mindestens 1 g/cm2 ausübt, was einer Druckdifferenz von 1 cm Wassersäule entspricht.

Der Zusammenhang zwischen den genannten Grössen wird im folgenden mathematisch verdeutlicht: 60 V = Aussenvolumen des Auftriebskörpers 58 (cm3) F = Innere Querschnittsfläche des Zentrifugenglases 63 (cm2)

pA = mittlere Dichte des Auftriebskörpers 58 (g/cm3) Pn = Dichte des zu filtrierenden Mediums (g/cm3) 65 A = Auftrieb (g)

I = Ï <?fi - *a' (9/cmM

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Forderung A > , , 2 ^ - 1 g/cm2

Annahme: j7 g/cm3

1 ^ Y ( 1-J )

Das gewählte Volumen muss also der Beziehung entsprechen.

Je kleiner also die mittlere Dichte des Auftriebskörpers gewählt wird, umso kleiner kann sein Volumen sein und umso grösser das Volumen der zu filtrierenden Probe.

Die Anwendung des Geräts erfolgt in folgender Weise: Auftriebskörper 58 und die in der dargestellten Anordnung montierten Teile werden bis zum Boden des Zentrifugenglases 63 geschoben. Die vorhandene Luft entweicht dabei über das Überdruckventil 39. Um das Totvolumen klein zu halten, ist der untere Teil des Auftriebskörpers vorzugsweise der Innenraum des Zentrifugenglases angepasst. Nun wird die Ausgangslösung 64 eingefüllt. Sie befindet sich also zu Beginn der Filtration oberhalb des Geräts.

In Fig. 15 ist der Zustand nach Beginn der Zentrifugation dargestellt. Die Vorrichtung hat sich infolge ihres Auftriebs nach oben bewegt, unterhalb befindet sich bereits gebildetes Filtrat 65. Die Filtration ist dann beendet, wenn die Vorrichtung ganz nach oben gestiegen ist.

Die Funktionsweise des Geräts ist die folgende: Infolge des Auftriebskörpers 58 bildet sich zwischen dem Filtrat 65 (unterhalb der Dichtung 57) und der Ausgangslösung 64 ein hydrostatischer Druckunterschied aus, der gegeben ist durch die Beziehung:

| (/fi ~5a) • tööo ' (bar)

RZB = relative Zentrifugalbeschleunigung.

Selbstverständlich muss auch der Dichteunterschied der übrigen Bauteile zu der Ausgangslösung berücksichtigt werden, der jedoch bei Verwendung von Kunststoffen nicht gross ist.

Die Ausgangslösung 64 tritt durch die Durchtrittsbohrung 60 (es werden vorzugsweise mindestens drei derartige Bohrungen in gleichen Abständen angebracht) in das Gerät ein und strömt an der Membrane 601 entlang zu der Durchtrittsbohrung 52 im Konzentratgefäss. Dabei tritt bereits eine Teilfiltration ein, weil auch die Innenseite des Deckels 53 als Filterunterstützung ausgebildet ist. Das Filtrat entweicht durch die Bohrung 54 auf die Filtratseite. Die bereits teilweise aufkonzentrierte Ausgangslösung fliesst nun vom Mittelpunkt der Membrane 33 nach aussen und wird weiter aufkonzentriert. Das Konzentrat 66 sammelt sich im ringförmigen Konzentratraum des Konzentratbehälters.

Das an der Membrane 33 gebildete Filtrat fliesst durch die Bohrung 61 im Deckel 37b und die Bohrung 62 im Gehäuse 53 in den Filtratraum (auch diese Bohrungen können mehrfach'vorhanden sein).

Die Ausnehmung 59 an der Unterseite des Auftriebskörpers 58 umschliesst eine Luftglocke, die durch den hydrostatischen Druck des Filtrats komprimiert wird. In bereits beschriebener Weise expandiert dieses Luftkissen, wodurch ein entsprechendes Volumen durch die Bohrungen 62 und 61 sowie das Überdruckventil 39 zurück auf die Oberseite des Gerätes befördert wird (infolge der Reibung zwischen der Dichtung 57 und dem Zentrifugenglas 63 wird nicht das ganze Gerät nach oben gedrückt, sondern es öffnet sich zuvor das Überdruckventil 39) bei neuerlicher Zentrifugation können in der Bohrung 60 und unterhalb des Konzentratgefässes 43a verbliebene Reste nachgespült werden.

Auf die Ausnehmung 59 kann auch verzichtet werden. In diesem Fall kann man durch manuelles Zurückdrücken der Vorrichtung Filtrat zum Nachspülen nach oben befördern.

An der Membran 601 stimmen Beschleunigungsrichtung und Filtrationsrichtung wie in konventionellen Filtrationsgeräten überein. Konzentrat kann sich daher an der Membrane anreichern. In den bevorzugten Anwendungen ist das jedoch von geringerer Bedeutung, weil sehr verdünnte Lösungen filtriert werden und hohe Konzentrationen erst an der Membrane 33 erreicht werden. Die Membrane 601 soll nur die erforderliche Filtrationszeit vermindern und kann, wenn das nicht erforderlich, auch wegbleiben, sofern auch die Bohrung 54 nicht vorhanden ist.

Nach Abnahme des Überdruckventils 39 kann die Vorrichtung aus dem Zentrifugenglas 63 herausgezogen und das Konzentrat wie bei Fig. 14 beschrieben, entnommen werden.

Die vorbeschriebenen Vorrichtungen, die mit Konzen-tratgefässen arbeiten, müssen in einer Schwingkopfzentrifuge betrieben werden, weil in einer Winkelkopfzentrifuge das Konzentrat über den Rand hinauslaufen würde.

Geht es nur um die Filtratgewinnung oder eine nur geringe Aufkonzentrierung der Probe wie bei den Ausführungsformen 1 und 10, so kann grundsätzlich auch eine Winkelkopfzentrifuge benutzt werden, allerdings bei geringerem Füllniveau.

Eine Ausführungsform für Diafiltration mit Vakuumbetrieb gibt im übrigen noch Fig. 16, wo die Teile lediglich anders zusammengesteckt sind. Vakuum wird wieder angelegt, die Spülflüssigkeit dringt von unten über die Membran 33 ein. Unter dem Deckel 37 ist ein Klemmring 54 vorgesehen; der untere Teil des Deckels 37 ist wie der Fortsatz 36 in den früheren Figuren ausgebildet. Die Probe befindet sich innerhalb des Schwimmers 30, die Spülflüssigkeit im Aussenge-fäss.

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10

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20

25

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S

3 Blatt Zeichnungen

Claims (19)

663 722

1. Filtrationsgerät für Flüssigkeiten mit einem Aussenge-fass und einem in der Flüssigkeit befindlichen Filtrationseinsatz, wobei das zu filtrierende Medium unter einem Überdruck in Kontakt mit dem Filterelement des Filtrationseinsatzes steht, dadurch gekennzeichnet, dass für die statische Membranfiltration auf der dem Gefassboden zugewandten Aussenseite des Filtrationseinsatzes (4) eine Filtermembran (8) mit der filtrationswirksamen Schicht nach aussen angebracht ist.

2. Filtrationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als treibende Kraft der Filtration der sich aus dem Niveauunterschied (13) zwischen Filtrationsmedium und Filtrat sowie der Zentrifugalbeschleunigung (Z) ergebende hydrostatische Druckunterschied von mindestens 0,5 bar ausgenutzt wird, wobei das Gerät so ausgelegt ist, dass die Zentrifugalbeschleunigung, von der zu filtrierenden Probe aus gesehen, keinen Vektor in Richtung der Membran aufweist.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Filtrationsgerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (8 ... 33,

41 ...) eine asymmetrische Ultrafiltrationsmembrane ist und gegenüber dem Filtereinsatz mit der aktiven Seite aussen dicht (bei 9) verbunden ist.

4. Filtrationsgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filtrationseinsatz (4) anschliessend an die aufgeklebte Membran (8) eine Bohrung (11) aufweist, von der aus der Filtrationseinsatz (4) sich innen konisch bis auf die Wandstärke des hohlen Filtrationseinsatzes (4) erweitert.

5. Filtrationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden sowohl des als Zentrifugenröhr-chen ausgebildeten Aussengefasses als auch des mit der Membrane abgeschlossenen Filtrationseinsatzes (4) eben ausgebildet ist.

6. Filtrationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdrehung (15) am offenen Ende des als Hohlkörper ausgebildeten Filtrationseinsatzes (4) aussen dessen Wandstärke vermindert.

7. Filtrationsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen eine mittige Entlüftungsbohrung aufweisenden, in einer Verlängerung (17) endenden Stopfen (16) zum Abschluss des Filtrationseinsatzes (4).

8. Filtrationsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Entlüftungsrohr (20) in einem hohlen (19) nach oben offenen Stopfen (16; 18) untergebracht ist.

9. Filtrationsgerät nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmer für reinen Unterdruckbetrieb oben mit einem Rückschlagventil (210) abgeschlossen ist und die Erdbeschleunigung, von der zu filtrierenden Probe aus gesehen, keinen Vektor in Richtung der Membrane aufweist.

10. Filtrationsgerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Membran (33) auf den Schwimmer ein Konzentratgefäss (21) aus einem Material niedrigerer Dichte als der der zu filtrierenden Flüssigkeiten aufgesteckt ist.

11. Filtrationsgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterunterstützung (10) leicht konvex ausgebildet ist.

12. Filtrationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konzentratge-fassrand (22) hochgezogen und sägezahnartig (220) mit korrespondierenden Ausnehmungen in der Wand des Schwimmers versehen ist.

13. Filtrationsgerät nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei intermittierend geschalteter Zentrifuge der Stopfen (16) auf der Unterseite ein Steigrohr (27) trägt.

14. Filtrationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für grössere Probemengen Schwimmer (30)

s mit herausnehmbarer Filterunterstützung (31) und auswechselbarer Membran (33) vorgesehen sind, wobei der Boden des Schwimmers offen mit Fortsatz (36) zum Einschieben der Filterunterstützung (31) ausgebildet ist.

15. Filtrationsgerät für grössere Probenmengen nach An-io spruch 14, eingerichtet für Vakuumbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Deckel (37) mit Überdruckventil (39) für den Schwimmer (30) vorgesehen ist und unter dem Schwimmer (30) ein oder mehrere weitere Schwimmer (40) mit eigener Filterunterstützung und eigenen Membranen unis terschiedlicher Trenngrenzen aufgesteckt sind, wobei Fortsatz (36) und Deckel (37) in ihren Abmessungen gleich sind und das Material des Schwimmers (40) eine niedrigere Dichte als das zu filtrierende Medium aufweist.

16. Filtrationsgerät nach Anspruch 15, gekennzeichnet 20 durch eine Membran im Deckel (37a) und ein Porenfilter

(45a) unterhalb des gegen den Deckel abgedichteten, als Filterunterstützung ausgebildeten Konzentratgefasses (43a).

17. Filtrationsgerät nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen den Schwimmer mit Einsatz (42) beaufschlagen-

25 den, der Innenform eines Zentrifugenröhrchens angepassten, gegebenenfalls eine ein Luftkissen aufnehmende Ausnehmung (59) aufweisenden Auftriebskörper (58);

durch Durchtrittsbohrungen (60) im Deckel (37b) zu einer von der als Filterunterstützung ausgebildeten von der Dek-30 kelinnenseite (53) getragenen, mit der filterwirksamen Seite nach innen angeordneten Ultrafiltrationsmembrane (33); und durch eine Durchtrittsbohrung (52) im Konzentratgefäss zur Membran (601),

wobei die Ausgangslösung (64) über die Bohrungen (60), 35 dann entlang der Membran (601) unter Teilfiltrierung zum Mittelpunkt der Membran (33) und von dort über Kanäle (61) nach aussen unter weiterer Aufkonzentrierung strömt und das Konzentrat sich im ringförmigen Konzentratraum des Konzentratbehälters (42) sammelt und das an der Mem-40 bran (33) gebildete Filtrat in den Filtratraum (65) strömt.

18. Filtrationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterunterstützung des als Hohlkörper ausgebildeten Filtrationseinsatzes (4) und der ihr nächst liegender Teil des Hohlkörpers auf ei-

45 nen Aussendruck von mindestens 3 bar ausgelegt ist und die Eintauchtiefe im senkrechten freischwimmenden Zustand in einer flüssigen Probe der Dichte 1 g/cm3 mindestens 10 mm beträgt.

19. Filtrationsgerät nach einem der vorhergehenden Anso sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel zwischen der Aussenwand des Filtrationseinsatzes und der Innenwand des Probengefasses sehr gering ist.