-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rührvorrichtung zum Rühren und Begasen von Flüssigkeiten in einem Behältnis.
-
Rührvorrichtungen zum Rühren von Flüssigkeiten in Behältnissen sind grundsätzlich bekannt. So wird beispielsweise bei der biologischen Beobachtung von Mikroorganismen, zum Beispiel Bakterien oder Zellkulturen, ein Verrühren dieser Kulturen eingesetzt. Häufig befindet sich in einem Behältnis ein Nährmedium, in welchem die zu beobachtenden Zellkulturen angeordnet sind. Ein Verrühren der Flüssigkeit bringt eine konstante Konzentrationsverteilung mit sich, sodass unter standardisierten Bedingungen eine Beobachtung des Wachstums der Zellkulturen stattfinden kann. Auch ist es bekannt, dass bei Zellkulturen, welche für ihren Stoffwechsel Sauerstoff benötigen, eine Begasung dieser Zellkulturen stattfindet. Bei bekannten Vorrichtungen wird dies dadurch erzielt, dass über eine Gasleitung Luft in das Behältnis eingepumpt wird. Auch die direkte Begasung mittels unter Druck stehendem Sauerstoff aus Gasflaschen ist bekannt. Grundsätzlich sind Begasungsvorrichtungen zum Beispiel aus der
EP 0 379 015 A1 oder der
US 2,898,094 bekannt.
-
Nachteilhaft bei den bekannten Vorrichtungen ist es, dass der Aufwand für eine solche Begasung sehr hoch ist. So müssen für diese Begasung die entsprechenden Kompressoren beziehungsweise Gasdruckflaschen vorgehalten werden. Darüber hinaus muss ein fluidkommunizierender Anschluss an das Behältnis vorgesehen werden. Auch ist noch die notwendige Einleitung des Gases in die Flüssigkeit nachteilhaft, da auf diese Weise Bauvolumen im Inneren des Behältnisses belegt wird. Insbesondere bei der Beobachtung einer Vielzahl von Zellkulturen in einer Vielzahl von Behältnissen, wie dies bei Messreihen bei biologischen Versuchen häufig der Fall ist, erzeugt die hohe Komplexität einen teilweise einen zumutbar hohen Aufwand. Werden zum Beispiel in 50 Behältnissen parallel unterschiedliche oder gleiche Zellkulturen beobachtet, um zum Beispiel unterschiedliche Wirkmedien an den Zellkulturen zu testen, so muss für jedes Behältnis ein separater Anschluss an einen oder mehrere Kompressoren beziehungsweise an eine oder mehrere Gasflaschen erfolgen. Im Ergebnis sind 50 Anschlüsse herzustellen, die nicht nur dicht sein müssen, sondern darüber hinaus auch mit einer Schlauchverbindung zu den Behältnissen geführt werden müssen. Die strukturelle Komplexität des Gesamtsystems eines solchen Versuchsaufbaus ist sehr hoch, sodass für das Vorbereiten dieses Versuches ein hoher Zeitaufwand notwendig ist. Darüber hinaus ist ein Entfernen einzelner Behältnisse aus der Versuchsanordnung aufgrund der hohen strukturellen Komplexität während der Dauer des Versuches praktisch unmöglich.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Rührvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche zum Rühren und Begasen von Flüssigkeiten in einem Behältnis ausgelegt ist und die voranstehend beschriebenen Nachteile behebt. insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Rührvorrichtung zum Rühren und Begasen von Flüssigkeiten in einem Behältnis zur Verfügung zu stellen, welche möglichst einfach und kostengünstig ausgeführt ist.
-
Voranstehende Aufgabe wird gelöst mit Hilfe einer Rührvorrichtung zum Rühren und Begasen von Flüssigkeiten in einem Behältnis mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bauteil beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
-
Eine erfindungsgemäße Rührvorrichtung zum Rühren und Begasen von Flüssigkeiten in einem Behältnis weist einen Lagerkörper mit einer Lagerbohrung auf. Der Lagerkörper dient insbesondere sozusagen für eine doppelte Lagerung, nämlich zum einen zur Lagerung der Rührvorrichtung in dem Behältnis und zum anderen zur Lagerung einer für die Rührvorrichtung ebenfalls vorgesehenen Rührwelle. Die Rührwelle ist dabei vorzugsweise durch die Lagerbohrung gesteckt, und auf diese Weise in derselben gelagert. Die Rührwelle selbst ist mit einem Hohlraum und einer Austrittsöffnung für Gas aus dem Hohlraum versehen und rotierend um eine Rührachse sowie verschiebbar entlang dieser Rührachse in der Lagerbohrung gelagert. Mit anderen Worten kann sich die Rührwelle frei um die Rührachse in der Lagerbohrung drehen und entlang dieser Rührachse verschieben. Die Rührwelle dient dabei zum Beispiel zur Aufnahme eines Rührelementes, welches durch die Drehung um die Rührachse eine gewünschte und bekannte Durchmischung der Flüssigkeit zum Konzentrationsausgleich erzielt. Darüber hinaus ist die Rührwelle mit dem Hohlraum versehen, sodass durch diesen Hohlraum eine Fluidkommunikation mit der Flüssigkeit über die Austrittsöffnung für Gas aus dem Hohlraum, also ein Begasen aus dem Hohlraum heraus, möglich wird.
-
Eine erfindungsgemäße Rührvorrichtung weist die Rührwelle derart auf, dass sie in einer Art und Weise in der Lagerbohrung angeordnet ist, dass bei einer Drehbewegung der Rührwelle um die Rührachse eine sich wiederholende Verschiebung der Rührwelle entlang der Rührachse zwischen verschiedenen Hubpositionen erfolgt. Mit anderen Worten wird während der Drehung der Rührwelle gleichzeitig die Rührwelle auf und ab bewegt. Diese Auf- und Abbewegung wird, wie nachfolgend beschrieben, für eine Gaszirkulation verwendet, die unabhängig von externen Kompressionsmitteln oder unter Druck stehenden Gasen ist.
-
Bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung ist daher in dem Lagerkörper ein Lagerventil mit Öffnungsrichtung in die Lagerbohrung und in der Rührwelle ein Wellenventil mit Öffnungsrichtung in den Hohlraum angeordnet. Diese Anordnung erfolgt derart, dass zwischen diesen beiden Ventilen ein Hubvolumen ausbildet, das durch die Verschiebung der Rührwelle entlang der Rührachse veränderbar ist. Dies wird dadurch erzielt, dass eine Verschiebung der Rührwelle entlang der Rührachse relativ zum Lagerkörper erfolgt. Da sich das Lagerventil im Lagerkörper und das Wellenventil in der zu diesem verschiebbaren Rührwelle befindet, wird auf diese Weise eine Relativbewegung des Wellenventils zum Lagerventil erzielt. Das Hubvolumen wird neben den beiden Ventilen von der Lagerbohrung begrenzt, sodass sich der tatsächliche Volumenwert für das Hubvolumen in Abhängigkeit von der axialen Position der Rührwelle mit Bezug auf die Rührachse verändert. Wird die Rührwelle während der Rotation um die Rührachse angehoben verkleinert sich das Hubvolumen. Wird nachfolgend bei der Weiterrotation der Rührwelle um die Rührachse die Rührwelle wieder abgesenkt vergrößert sich dementsprechend das Hubvolumen. Diese Bewegung kann auch durch die Wiederholung dieses Auf- und Absenkens und dementsprechend die Wiederholung des Vergrößerns und Verkleinerns des Hubvolumens als „Luftpumpenprinzip” bezeichnet werden. Nachfolgend soll dieses Prinzip anhand eines kurzen Funktionsdurchlaufes näher erläutert werden.
-
Befindet sich die Rührwelle in der obersten Position und wird durch die Rotation um die Rührachse nach unten bewegt, so folgt daraus eine Vergrößerung des Hubvolumens. Durch die Öffnungsrichtungen der beiden Ventile, nämlich des Lagerventils und des Wellenventils, wird durch diese Vergrößerung das Wellenventil geschlossen bleiben und, um einen Druckausgleich zu erzeugen, das Lagerventil geöffnet werden. Durch das sich durch den ausbildenden Druckunterschied öffnende Lagerventil kann dabei auf der anderen Seite des Lagerventils befindliches Gas, insbesondere Luft, bevorzugt sogar Umgebungsluft, durch das Lagerventil in das Hubvolumen angesaugt werden. Dieses Ansaugen schreitet fort bis die Rührwelle dem untersten Punkt und damit das Hubvolumen seine größten Dimensionierung erreicht hat. Anschließend wird das Hubvolumen durch eine Bewegung der Rührwelle nach oben, welche einer Weiterrotation der Rührwelle folgt, verringert. Durch das Verringern wird aufgrund der Öffnungsrichtungen das Lagerventil geschlossen und das Wellenventil geöffnet. Durch das geöffnete Wellenventil kann Luft aus dem sich verkleinernden Hubvolumen in den Hohlraum der Rührwelle gelangen und von dort über die Austrittsöffnung für Gas aus dem Hohlraum in die Flüssigkeit um die Rührwelle herum gelangen. Die Austrittsöffnung für Gas aus dem Hohlraum ist dementsprechend vorzugsweise in einem unteren Bereich, insbesondere am unteren Ende der Rührwelle angeordnet, um dort die umgebende Flüssigkeit zu Begasen.
-
In der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe „nach oben” und „nach unten”, beziehungsweise „auf” und „ab” dahingehend verwendet, dass der Lagerkörper am oberen Ende eines Behältnisses, welches häufig gleichzeitig der Einfüllbereich dieses Behältnisses ist, oben definiert. Nach unten, beziehungsweise abwärts ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Richtung, welche dem Boden des Behältnisses, welcher zumindest abschnittsweise mit der Flüssigkeit bedeckt ist, zugewendet ist.
-
Die Ausführung einer Rührvorrichtung gemäß der voranstehenden Beschreibung bringt den Vorteil mit sich, dass durch das „Luftpumpenprinzip” der Rührvorrichtung ein Begasen der Flüssigkeit stattfinden kann, wobei ausschließlich die bereits bestehende Rührbewegung der Rührwelle Verwendung findet. Ein externer Anschluss für die Begasung, wie dies im Stand der Technik noch notwendig war, kann auf diese Weise vermieden werden. Wird darüber hinaus für die Rührwelle ein Antrieb gewählt, welcher frei von einer zusätzlichen Verkabelung ist, wie dies zum Beispiel bei einem Magnetantrieb der Fall ist, so kann es sich bei der Rührvorrichtung quasi um eine kabellose Vorrichtung handeln. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass auch eine Vielzahl von Behältnissen mit einer Vielzahl von erfindungsgemäßen Rührvorrichtungen bestückt werden können, ohne dass eine hohe strukturelle Komplexität vorliegt. Darüber hinaus können Kosten reduziert werden, da weder eine externe Begasung durch einen Kompressor, noch durch eine Druckflasche notwendig sind.
-
Eine erfindungsgemäße Rührvorrichtung ist vorteilhafter Weise derart ausgebildet, dass diese wenigstens einen radial von der Rührwelle abstehenden Hubkörper und zumindest eine an dem Lagerkörper angeordnete Hubfläche aufweist, entlang der sich der Hubkörper bei der Rotation der Rührwelle um die Rührachse bewegt. Darüber hinaus weist die Hubfläche zumindest zwei Hubabschnitte auf, die voneinander in Richtung der Rührachse beabstandet sind. Man kann die Hubfläche auch als Lauffläche für den Hubkörper bezeichnen. Der Hubkörper kann dabei in unterschiedlichster Weise ausgebildet sein. So ist es möglich, dass dieser rotierend gelagert ist und eine Art Wälzkörper darstellt. Darüber hinaus ist es jedoch auch denkbar, dass der Hubkörper für eine Gleitlagerung auf der Hubfläche ausgebildet ist. Eine Gleitlagerung kann dabei zum Beispiel ein Verschiebeelement sein, welches, insbesondere sogar vollständig in Umfangsrichtung, radial abstehend die Rührwelle umgibt.
-
Die Hubfläche ist ebenfalls insbesondere vollständig im Umfang um die Rührwelle angeordnet. Sie ist in fester Verbindung zum Lagerkörper, sodass durch die Relativrotation zwischen der Rührwelle und dem Lagerkörper automatisch auch eine Relativrotation zwischen dem Hubkörper und der Hubfläche erzielt wird. Durch das Vorsehen von zumindest zwei Hubabschnitten in unterschiedlicher axialer Positionierung, also mit einem Abstand in Richtung der Rührachse voneinander, wird die gewünschte „Luftpumpenfunktion” erzeugt, also das Auf und Ab der Rührwelle in Abhängigkeit von der Rotation. So kann diese Führung grundsätzlich auch als eine Art Kulissenführung bezeichnet werden. Die einzelnen Hubabschnitte können selbstverständlich auch eine Vielzahl von Hubabschnitten sein, die insbesondere hinsichtlich ihrer axialen Position mit Bezug auf die Rührachse kontinuierlich voneinander beabstandet sind. Insbesondere wird dadurch eine wellenförmige Ausbildung der Hubfläche erzielt, auf welcher die Hubkörper entlang bewegt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, dass die einzelnen Hubabschnitte im Wesentlichen senkrecht zur Rührachse stehen und zwischen diesen rampenähnliche Bereiche vorliegen, die in der Lage sind, den Hubkörper zwischen den beiden Hubabschnitten auf und ab zubewegen. Auch diese Rampen sind dementsprechend Hubabschnitte der Hubfläche.
-
Als Materialien für eine erfindungsgemäße Rührvorrichtung sind insbesondere sterilisierbare Materialien einzusetzen. Diese können zum Beispiel Teflon oder das sogenannte CDEX sein. Auch Edelstahl, insbesondere V4A, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft.
-
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung die Rührwelle beabstandet von der Lagerung in der Lagerbohrung eine Aufnahme für ein Rührelement, insbesondere mit einem darin aufgenommenen Rührelement, aufweist. Eine solche Aufnahme kann zum Beispiel als Schnapprastaufnahme oder als Formschlussaufnahme ausgebildet sein. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass insbesondere bereits bestehende oder sogar standardisierte Rührelemente verwendet werden können. Bei einem Antrieb über ein Magnetrührsystem sind dies insbesondere Magnetrührer, also magnetisierte Stäbe, welche in dieser Aufnahme angeordnet werden können. Bei einer Formschlussaufnahme wird das Rührelement in diesen Formschluss eingebracht, während bei einer Schnapprastaufnahme das Rührelement eingeklickt werden kann. Insbesondere weist die Rührvorrichtung bereits ein Rührelement auf, welches in diese Aufnahme einsetzbar ist, beziehungsweise dort bereits aufgenommen ist.
-
Das Rührelement ist insbesondere als Magnetrührer ausgebildet, sodass es gleichzeitig als Kopplungselement für ein Magnetrührsystem dient. So kann über das Rührelement gleichzeitig die Antriebskraft für die gewünschte Rotation des Rührelementes und die gewünschte Rotation der Rührwelle eingebracht werden. Selbstverständlich sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch auch grundsätzlich andere Antriebsmöglichkeiten für die Rührwelle denkbar. So kann bereits die Rührwelle selbst ein teilweise magnetisiertes Material aufweisen, welches von einem Magnetrührsystem angetrieben wird. Auch separate Antriebe der Rührwelle, zum Beispiel motorisch oder elektromotorisch, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich denkbar.
-
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung zumindest einer der Hubkörper als Wälzkörper ausgebildet und rotierend an der Rührwelle gelagert ist. Der Wälzkörper weist dabei vorzugsweise eine Tonnenform auf, sodass er insbesondere nur entlang einer Linie oder entlang im Wesentlichen einer Linie eine Berührung mit der Hubfläche mit sich bringt. Die voranstehend beschriebenen Ausführungen bringen den Vorteil mit sich, dass die Reibung zwischen dem Hubkörper, als Wälzkörper, und der Hubfläche minimiert wird. An Stelle einer Gleitreibung wird ein Rollreibsystem erzeugt, wodurch ein verringerter Abrieb zwischen Hubkörper und Hubfläche erzielt werden kann. Der Abrieb ist insbesondere bei biologischen Systemen, die sehr sensibel auf solchen Abrieb reagieren, ein entscheidendes Kriterium für die Funktionalität und die Einsetzbarkeit einer solchen Rührvorrichtung. Die Lagerung in rotierender Weise kann dabei besonders einfach dadurch erzeugt werden, dass der Hubkörper eine zentrale Bohrung entlang seiner gewünschten Rotationsachse aufweist, durch welche sich eine mit der Rührwelle verbundene Achse erstreckt. Darüber hinaus wird durch die Erzeugung eines Rolllagersystems ein „sanfteres” Begasen möglich. Insbesondere, wenn die Hubfläche kontinuierliche Abstandsübergänge zwischen den einzelnen Hubabschnitten aufweist, wird das Begasen noch sanfter. Ein sanftes Begasen bringt den Vorteil mit sich, dass sensible Zellkulturen durch das Begasen möglichst wenig beeinträchtigt werden. Insbesondere die mechanische Belastung beim Einbringen von Luft oder anderen Gasen kann auf diese Weise für die Zellkulturen reduziert werden.
-
Auch vorteilhaft ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung die Hubfläche zumindest teilweise als Oberfläche einer Steuerscheibe ausgebildet ist, die mit dem Lagerkörper fest verbunden ist. Die feste Verbindung kann dabei zum Beispiel durch das Einsetzen mittels eines Formschlusses oder aber auch durch das Fixieren mittels Verschrauben, Vernieten oder einer Schnapprastverbindung erzielt werden. Die Steuerscheibe ist dabei insbesondere austauschbar, sodass durch das Einsetzen unterschiedlicher Steuerscheiben unterschiedliche Begasungskennlinien durch unterschiedliche Hubkennlinien erzielbar werden können. Darüber hinaus ist die Steuerscheibe insbesondere eine Wellenscheibe, die insbesondere zwei Wellenberge und zwei Wellentäler aufweist. Diese korrelieren vorzugsweise mit zwei Hubkörpern, sodass eine im Wesentlichen symmetrische Abstützung der Rührwelle erfolgt. Damit kann die Symmetrie für die Lagerung der Rührwelle verbessert werden, sodass eine verbesserte Laufeigenschaft derselben erzielbar wird.
-
Auch vorteilhaft kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung ein Sterilfilter derart angeordnet ist, dass Gas durch das Lagerventil nur gelangen kann, wenn es vorher den Sterilfilter passiert hat. Dabei kann dieser Sterilfilter zum Beispiel direkt ein Bestandteil des Lagerventils an dessen Eingangsseite sein. Auch separate Sterilfilter, die insbesondere austauschbar an der Rührvorrichtung angeordnet sind, sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Sie dienen dazu, Zellen, insbesondere Bakterien, außerhalb des Behältnisses zu belassen und eine Kontamination von Zellkulturen im Inneren des Behälters zu vermeiden. Dies kann in besonders einfacher Weise ein Gitter oder ein anderes Filtermaterial sein, welches insbesondere eine Maschenweite von kleiner 1 μm aufweist.
-
Bei der Verwendung eines Sterilfilters kann vorteilhafter Weise bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung eine Filterscheibe derart angeordnet sein, dass der Sterilfilter zwischen dieser Filterscheibe und dem Lagerkörper einklemmbar ist. Der Sterilfilter ist somit besonders einfach montierbar, da er nach dem Aufsetzen durch die Filterscheibe durch ein Einklemmen fixiert wird. Die Seiten des Sterilfilters werden durch die Einklemmkraft und damit durch die Befestigungskraft abgedichtet. Auch muss die Filterscheibe nicht zwangsläufig eigene Mittel für das Erzeugen der Klemmkraft aufweisen. Vielmehr kann es vorteilhaft sein, wenn Lagerkörper und auch Filterscheibe derart ausgebildet sind, dass mittels einer Überwurfmutter, die für ein Behältnis vorgesehen ist, ein Verspannen des gesamten Systems und damit auch ein Einklemmen des Sterilfilters möglich wird. Dies erzeugt eine besonders leichte Montierbarkeit einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung.
-
Die Filterscheibe hat darüber hinaus vorzugsweise zumindest einen Luftkanal mit Bezug zu einer solchen Überwurfmutter, sodass Gas aus dem Inneren des Behältnisses auch trotz des Vorhandenseins eines Klemmkraftsystems zwischen Überwurfmutter, Filterscheibe und Lagerkörper das gesamte System wieder verlassen kann. So wird ein Druckausgleich möglich, der ein kontinuierliches Fördern von Frischluft in das Behältnis ermöglicht, ohne einen Druck in demselben aufzubauen.
-
Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung der Lagerkörper ausgebildet ist, um die Rührvorrichtung in der Öffnung eines Behältnisses zu lagern. Dabei kann der Lagerkörper insbesondere hinsichtlich seiner radialen Erstreckung Absätze aufweisen, welche einen teilweisen Einsatz des Lagerkörpers in einen Flaschenhals eines Behältnisses ermöglichen. Über einen solchen Absatz kann am oberen Abschluss der Lagerkörper ansetzen, sodass ein Hineinfallen in das Innere des Behältnisses vermieden wird. Darüber hinaus kann ebenfalls über die Überwurfmutter ein Fixieren des Lagerkörpers und damit ein Fixieren der gesamten Rührvorrichtung am Behältnis erfolgen.
-
Wird die Überwurfmutter mit einer Öffnung versehen, so kann ein Frischluftbetrieb erfolgen, welche also Luft von außerhalb des Behältnisses durch das mehrfach erläuterte „Luftpumpenprinzip” in das Innere des Behältnisses ansaugt. Wird eine Überwurfmutter mit im Wesentlichen geschlossener Kontur verwendet, so kann das erfindungsgemäße System der Rührvorrichtung für einen sogenannten Umluftbetrieb Verwendung finden.
-
Es ist vorteilhaft, wenn wenigstens ein Luftkanal in oder an dem Lagerkörper ausgebildet ist, der Luft aus dem Behältnis, in welches die Rührvorrichtung eingesetzt ist, an die Umgebung abführen kann. Die Umgebung ist dabei insbesondere ein Teil außerhalb des Behältnisses. Befindet sich eine Überwurfmutter mit im Wesentlichen geschlossener Kontur zum Verschluss des Behältnisses auf demselben, so wird ein Umluftbetrieb erzeugt, da die zurückgeführte Luft nach dem Luftkanal wieder durch das Hubvolumen und das Lagerventil angesaugt werden kann. Ist die Überwurfmutter zumindest teilweise offen, so wird die Abluft durch diesen Luftkanal abgeführt und der Umgebung zurückgegeben, während über das Lagerventil frische Außenluft angesaugt wird.
-
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäße Rührvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Rührwelle zumindest zwei reversibel miteinander verbundene Rührwellenelemente aufweist. Diese Rührwellenelemente erstrecken sich, insbesondere voneinander beabstandet, in axialer Richtung, sodass sie eine Verlängerung der Rührwelle entlang der Rührachse mit sich bringen. Die Rührwellenelemente sind insbesondere unterschiedlich ausgestaltet, sodass sie einerseits zur Lagerung in der Lagerbohrung und andererseits zur Begasung durch die Austrittsöffnung für Gas in der Rührwelle ausgebildet sind. Auch einzelne Verlängerungsstücke solcher Rührwellenelemente sind denkbar. Diese modulare Ausbildung der Rührwelle bringt den Vorteil mit sich, dass die Rührvorrichtung besonders kostengünstig und einfach an unterschiedliche Behältnisformen und unterschiedliche Behältnisgrößen anpassbar ist.
-
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei der Rührvorrichtung beabstandet von dem Lagerkörper wenigstens ein Verteilerelement, insbesondere eine Verteilerscheibe, an der Rührwelle in fluidkommunizierender Verbindung mit der Austrittsöffnung angeordnet ist. Die Verteilerscheibe bezieht sich dabei auf eine Verteilung des gepumpten Gases, also insbesondere der Luft. Die Verteilung erfolgt dabei derart, dass die Austrittsöffnung in diese Verteilerscheibe mündet, und in dieser eine fluidkommunizierende Verteilung des austretenden Gases erfolgen kann. Dies kann zum Beispiel bei der Ausbildung des Verteilerelementes aus einer gesinterten Struktur, insbesondere aus Glassinter, oder einer siebartigen Struktur erfolgen. Auch feine Kanäle innerhalb des Verteilerelementes sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. Durch die Verwendung von Verteilerelementen kann der Vorteil erzielt werden, dass Gas besonders fein verteilt in die Flüssigkeit abgegeben werden kann. So kann eine erhöhte Reaktionsoberfläche und dementsprechend eine erhöhte Wirksamkeit des Gases in der Flüssigkeit erzielt werden. Auch ist es möglich, dass eine Verteilung des Gases über eine größere Fläche der Flüssigkeit hinsichtlich des Bodens des Behältnisses erzielbar ist, sodass auch hier verbesserter ein Konzentrationsausgleich der Begasung erzielbar wird.
-
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung die Veränderung des Hubvolumens variierbar ist. Das bedeutet, dass pro Umdrehung die Veränderung des Hubvolumens eingestellt werden kann und dementsprechend der aktive Hub des Hubvolumens, also die Menge an Gas, die pro Umdrehung in das Innere des Behältnisses gefördert wird, variierbar und demnach einstellbar ist.
-
Die vorliegende Erfindung wird näher erläutert anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die dabei verwendeten Begrifflichkeiten „links”, „rechts”, „oben” und „unten” beziehen sich auf eine Ausrichtung der Zeichnungsfiguren mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung,
-
2 einen schematischen Teilschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung
-
3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Steuerscheibe,
-
4 einen schematischen Teilschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung, und
-
5 eine Ausführungsform einer Filterscheibe.
-
In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rührvorrichtung 10 dargestellt. Diese ist in einem schematischen Schnitt gezeigt. Sie ist in einem Behältnis 100, welches zum Beispiel ein Glasbehältnis sein kann, eingesetzt. Dabei wurde sie durch den Flaschenhals des Behältnisses 100 durchgeführt und lagert mit Hilfe von radialen Absätzen in dem Flaschenhals des Behältnisses 100. Fixiert wurde die Rührvorrichtung 10 mit Hilfe einer Überwurfmutter 110, die in ein Außengewinde des Behältnisses 100 eingreift.
-
Der Lagerkörper 20 der Rührvorrichtung 10 ragt durch den Flaschenhals des Behältnisses 100 in den Innenraum desselben hinein. Erweist eine Lagerbohrung 22 auf, in welcher eine Rührwelle 30 rotierend und axial verschiebbar gelagert ist. Die Rotation und die axiale Verschiebbarkeit der Rührwelle 30 bezieht sich dabei auf die Rührachse 36 derselben, welche in 1 ebenfalls dargestellt ist. Die Rührwelle 30 selbst ist aus einzelnen Rührelementen 30a, 30b und 30c zusammengesetzt. Das Zusammensetzen erfolgt mit Hilfe von Gewinden, sodass eine beliebige Verlängerung der Rührwelle 30 möglich wird und somit ein Anpassen an die Größe des Behältnisses 10 erzielt werden kann.
-
Um einen Gasstrom in eine Flüssigkeit im Inneren des Behältnisses 100 einzubringen, wird Gas in den Hohlraum 32 der Rührwelle 30 gepumpt. Darüber hinaus ist eine Austrittsöffnung 34, bei der 1 zwei Austrittsöffnungen 34, vorgesehen, aus welchen Gas aus dem Hohlraum 32 der Rührwelle 30 austreten kann. Um das Pumpen gemäß einem Luftpumpenprinzip zu erzielen, sind zwei Ventile, nämlich ein Lagerventil 28 im Lagerkörper 20 und ein Wellenventil 38 in der Rührwelle 30, angeordnet. Zwischen diesen beiden Ventilen 28 und 38 bildet sich ein Hubvolumen 40 aus.
-
Die Rotationsbewegung der Rührwelle 30 wird bei der Rührvorrichtung 10 dieser Ausführungsform zusätzlich in eine Hubbewegung der Rührwelle 30 umgewandelt. Während der Drehung der Rührwelle 30 um die Rührachse 36 bewegt sich ein, in 1 nicht erkennbarer, Hubkörper 42 entlang einer Hubfläche 44. Diese Hubfläche 44 ist auf einer Steuerscheibe 46 angeordnet, wie sie zum Beispiel in 3 in einer Ausführungsform dargestellt ist. Diese Steuerscheibe 46 weist demnach eine Hubfläche 44 auf, die verschiedene Hubabschnitte 44a und 44b aufweist. Die Hubabschnitte 44a und 44b sind mit Bezug auf die Rührachse 36 der Rührwelle 30 voneinander beabstandet, insbesondere kontinuierlich, sodass sich bei vorliegender Ausführungsform der 3 eine Wellenform der Hubfläche 44 ausbildet.
-
In 4 ist zu erkennen, dass sich die Hubkörper 42 in berührendem Kontakt mit der Hubfläche 44 befinden. Die Hubkörper 42 sind bei dieser Ausführungsform als Wälzkörper, insbesondere als tonnenförmige Wälzkörper, ausgebildet und rollen entlang der Hubfläche 44. Bewegt sich nun die Rührwelle 30 um die Rührachse 36 in rotierender Weise, so bewegen sich in rollender Weise die Hubkörper 42 auf der Hubfläche 44 der Steuerscheibe 46. Sie folgen dem wellenartigen Verlauf der Hubfläche 44 und heben, durch die Anbindung an die Rührwelle 30, diese aufgrund dieses Nachfolgens Auf und Ab. Mit der Rotation der Rührwelle 30 folgt dementsprechend auch eine Auf- und Abbewegung derselben entlang der Rührachse 36.
-
Die voranstehend beschriebene Auf- und Abbewegung, die automatisch der Drehung der Rührwelle 30 folgt, führt zu einer Variation des Hubvolumens 40. bewegt sich die Rührwelle 30 nach oben, so verkleinert sich das Hubvolumen 40. Bewegt sich die Rührwelle 30 anschließend wieder nach unten, so vergrößert sich das Hubvolumen 40.
-
Während der Vergrößerung des Hubvolumens 40 wird Luft von außen durch das Lagerventil 28 angesaugt. Während der Verkleinerung des Hubvolumens 40 wird Luft durch das Wellenventil 38 aus dem Hubvolumen 40 in den Hohlraum 32 der Rührwelle 30 eingepresst. Um einen Druckausgleich zu erzielen, strömt das Gas im Inneren des Hohlraums 32 nach unten und tritt durch die Austrittsöffnung 34 zur Begasung der umliegenden Flüssigkeit aus. Um voranstehende Funktionalität, also das sogenannte „Luftpumpenprinzip”, zu schaffen, sind die beiden Ventile 28 und 38 insbesondere als Einwegventile ausgebildet. Die Öffnungsrichtung beider Ventile 28 und 38 ist gleichgerichtet, sodass das Lagerventil 28 eine Öffnungsrichtung in Richtung des Hubvolumens 40 und das Wellenventil 38 eine Öffnungsrichtung in Richtung des Hohlraums 32 der Rührwelle 30 aufweist.
-
Bei der Ausführungsform wie sie in den Figuren dargestellt ist, ist darüber hinaus ein Sterilfilter 60 verwendet. Dieser überspannt die Oberseite des Lagerkörpers 20 und verhindert, dass eine Kontamination durch externe Zellkulturen, insbesondere externe Bakterien erfolgt. Der Sterilfilter 60 ist dabei vorzugsweise mit einer Maschenweite von kleiner als 1 μm ausgebildet. Um den Sterilfilter 60 zu fixieren, ist eine Filterscheibe 62 vorgesehen, wie sie in einer Ausführungsform beispielhaft in 5 dargestellt ist. Diese ist auf den Sterilfilter 60 aufgesetzt und klemmt diesen zwischen sich und dem Lagerkörper 20 ein. Für dieses Verklemmen ist zusätzlich die Überwurfmutter 110 verwendet worden, die eine Verspannung zwischen der Überwurfmutter 110 und dem Behältnis 100 mit sich bringt, sodass dazwischen der Lagerkörper 20, der Sterilfilter 60 und die Filterscheibe 62 liegen.
-
Um einen Überdruck im Inneres des Behältnisses 100 zu vermeiden, sind Luftkanäle 80 vorgesehen. Diese erstrecken sich bei der vorliegenden Ausführungsform sowohl in Lagerkörper 20, als auch durch die Filterscheibe 62. Die Wirkung dieser Luftkanäle 80 kann besonders gut in 2 gesehen werden. So handelt es sich bei den Luftkanälen 80 dieser Ausführungsform abschnittsweise um Ausfräsungen des Lagerkörpers 20, sodass dieser einen Freiraum zwischen dem Lagerkörper 20 und dem Behältnis 100 erhält. Durch diesen Freiraum wird ein Kanal gebildet, der vom Lagerkörper 20 und der Innenwandung des Behältnisses 100 begrenzt wird. Ist Luft aus dem Inneren des Behältnisses 100 am Lagerkörper vorbei durch diesen Luftkanal 80 in den Zwischenraum zwischen Lagerkörper 20 und Überwurfmutter 110 gelangt, so kann die dort befindliche Luft über die Luftkanäle 80 zwischen der Filterscheibe 62 und der Überwurfmutter 110 an die Umgebung abgegeben werden.
-
Wird nun anstelle einer geöffneten Überwurfmutter 110, wie sie in den 1, 2 und 4 dargestellt ist, eine geschlossene Überwurfmutter 110 verwendet, so kann dieser Luftkanal 80 dafür verwendet werden, um einen Umluftbetrieb zu erzeugen. Die in den Zwischenraum zwischen Überwurfmutter 110 und Sterilfilter 60 gelangte Luft wird bei dem nächsten Pumpenhub der Rührvorrichtung 10 wieder angesaugt und im Umluftbetrieb durch die Rührvorrichtung 10 gepumpt.
-
Die voranstehend beschriebenen Ausführungsformen beschreiben die vorliegende Erfindung nur im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können Merkmale einzelner Beispiele, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander kombiniert werden ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Rührvorrichtung
- 20
- Lagerkörper
- 22
- Lagerbohrung
- 28
- Lagerventil
- 30
- Rührwelle
- 30a
- Rührwellenelement
- 30b
- Rührwellenelement
- 31
- Aufnahme für Rührelement
- 32
- Hohlraum
- 34
- Austrittsöffnung
- 36
- Rührachse
- 38
- Wellenventil
- 40
- Hubvolumen
- 42
- Hubkörper
- 44
- Hubfläche
- 44a
- Hubabschnitt
- 44b
- Hubabschnitt
- 46
- Steuerscheibe
- 50
- Rührelement
- 60
- Sterilfilter
- 62
- Filterscheibe
- 80
- Luftkanal
- 100
- Behälter
- 110
- Überwurfmutter
