DE3544115A1 - Zentrifugal-elutriator-rotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zentrifugal-Elutriator-Rotor, d. h. einen Zentrifugen-Rotor zur fortlaufenden Auftrennung von unterschiedlichen Arten von Probenpartikeln, die durch eine durch den Rotor gepumpte Pufferflüssigkeit mitgenommen werden. Die grundsätzlichen Prinzipien eines Zentrifugal- Elutriator-Rotors können wie folgt zusammengefaßt werden: Die Pufferflüssigkeit (z. B. Wasser), die die Probenteilchen mitnimmt, wird zu einem Außenende einer innerhalb eines sich drehenden Rotors eingesetzten Trennkammer zugeführt, durchläuft diese Kammer längs eines im wesentlichen radial nach innen bezüglich der Drehkammer des Rotors gerichteten Weg und gelangt so zum inneren Ende der Trennkammer. Eine Auftrennung von Teilchen mit jeweils unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften, z. B. unterschiedlicher Größe, wird dadurch auf Grundlage der Beziehung zwischen den jeweiligen Werten der Zentrifugalkraft zu den auf die Probenteilchen einwirkenden Strömungskräften erreicht. Diese Kräfte werden für jedes Teilchen zu jedem Zeitpunkt während des Elutriervorganges durch den Abstand des Teilchens von der Drehachse des Rotors, durch die Teilchengröße und durch die Strömungsgeschwindigkeit der das Teilchen mitnehmenden Pufferflüssigkeit zu diesem Augenblick bestimmt. Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Zentrifugal- Elutriator-Rotors ist in US-PS 43 50 283 beschrieben. Jedoch ergeben sich bei einem bekannten Zentrifugal-Elutriator- Rotor die folgenden Probleme: Zunächst wird die Trennung innerhalb einer kurzen rohrförmigen Elutrierzelle ausgeführt, die im Gehäuse des Rotors angebracht ist. Damit ist das tatsächlich für den Abtrennvorgang ausgenützte Volumen des Rotors sehr gering, so daß die Wirksamkeit der Abtrennung niedrig ist, d. h. die Materialmenge, die bei einem einzelnen Zentrifugalbetrieb getrennt werden kann, ist klein. Zusätzlich muß die Elutrierzelle aus dem Inneren des Rotors entnommen und dann wiederum dort angebracht werden, z. B. durch Abschrauben und dann wieder Anschrauben eines Enddeckels, der die Zelle innerhalb des Rotors zurückhält, und das jedesmal bei Ausführung eines Zentrifugiervorganges. Damit ist der Betrieb unbequem und zeitraubend.

Ein weiterer Nachteil dieses bekannen Rotors, der auch bei verschiedenen anderen Arten von Zentrifugal-Elutriator-Rotoren zutrifft, besteht darin, daß es notwendig ist, daß die Bedienungsperson eine Stroboskop-Lichtquelle benutzt, wenn sie den Fortschritt des Trennvorganges bei sich drehendem Rotor beobachten will. Das ist deswegen nötig, weil der Elutriervorgang nur innerhalb eines Segmentes des Rotors stattfindet.

Damit ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Zentrifugal- Elutriator-Rotor der beschriebenen Art zu schaffen, der die genannten Nachteile überwindet, d. h. bei dem die Abtrennung einer großen Menge von Probenteilchen während eines einzigen Zentrifugal-Abtrennvorganges möglich ist, dazu soll keine Vorbereitungsarbeit vor jedem Zentrifugaltrennvorgang notwendig sein, und der Auftrennungsgrad der Probenteilchen soll während des Auftrennens direkt sichtbar sein, ohne die Benutzung von Mitteln wie einer Stroboskop-Lampe zum Betrachten nötig zu machen.

Zur Erreichung dieses Zieles wird erfindungsgemäß ein Zentrifugal- Elutriator-Rotor geschaffen, der zum Antrieb um eine feststehende Rotationsachse durch Antriebsmittel ausgelegt ist, und der im wesentlichen ein Außengehäuse enthält, das in seinem Inneren eine so geformte Trennkammer bestimmt, das die Flächengrößen von Umfangsschnitte, die koaxial zur Drehachse des Rotors liegen und im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Pufferflüssigkeit in der Trennkammer gerichtet sind, kontinuierlich vom Außenumfang zum Innenumfang der Trennkammer hin anwachsen, und der darüberhinaus Fluidzufuhr-Einlaßmittel zum Zuführen von Fluid zum Außenumfang der Trennkammer und Fluidablaßmittel zum Ablassen von Fluid vom Innenumfang der Trennkammer enthält.

Das Außengehäuse wird vorzugsweise durch ein Rotorgehäuse gebildet, das an seiner Oberseite offen und innen so geformt ist, daß die beschriebene Trennkammerform gebildet wird, und mit einem aus einem durchsichtigen Material gebildeten Deckel, der entfernbar an der Oberseite des Rotorgehäuses angebracht ist. Eine Vielzahl von radial um die Drehachse des Rotors ausgerichteten Teilwänden ist vorzugsweise feststehend innerhalb der Trennkammer so angeordnet, daß diese in eine Anzahl von kleinen Trennkammern unterteilt wird, wobei ein Teil der Fluidzufuhr-Einlaßmittel radial gerichtete Durchlässe umfassen, die in diesen Teilwänden ausgebildet sind, um Fluid aus Stellen benachbart zur Drehachse zu den Außenumfangsabschnitten dieser kleinen Trennkammern zuzuführen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine Achsenschnittdarstellung einer Ausführung eines Zentrifugal-Elutriator-Rotors erfindungsgemäßer Art nach Linien I-I in Fig. 2, und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung nach Linien II-II in Fig. 1.

In der Zeichnung, und insbesondere in Fig. 1 ist ein Elektromotor 1 für den Antrieb eines Rotors 2 vorgesehen. Der Rotor 2 besteht aus einem Rotorgehäuse 3 und einem Kerneinsatz 4 zusammen mit einem durchsichtigen Deckel 6. Ein sich nach oben öffnender konkaver Bereich 31 ist in dem Rotorgehäuse 3 ausgebildet. Der Kern 4 ist in den konkaven Bereich 31 konzentrisch zum Drehzentrum des Rotorgehäuses 3 eingesetzt, und wird aus einer zentralen Welle 41 und vier Teilwänden 42 gebildet, welche radial von der Welle 41 mit gleichen Winkelabständen nach außen abstehen. Jede Teilwand 42 besitzt einen darin ausgebildeten Durchlauf 43, der sich radial vom Umfang des Kernes 41 zum Außenende der betreffenden Teilwand erstreckt. In dem Kern 4, d. h. in seiner Welle 41 befindet sich ein mit der Drehachse des Rotors 2 ausgerichteter Durchlaß 44 zusammen mit vier zur Seite abbiegenden Durchlässen 45, von denen jeder mit dem axialen Durchlaß 44 in Verbindung steht und vom unteren Ende desselben radial nach außen von der Drehachse des Rotors 2 bis zur Verbindung mit dem inneren Ende eines jeweiligen, in einer Teilwand 42 ausgebildeten Durchlasses 43 reicht; d. h. die Querdurchlässe 45 sind mit gleichen Winkelabständen entsprechend denen der Teilwände 42 angeordnet. Eine Reihe von vier vertikal ausgerichteten Durchlässen 46 sind gleichfalls in der Welle 41 parallel zur Drehachse des Rotors 2 ausgebildet, die konzentrisch mit Abstand um diese Achse und mit gleichen Winkelabständen angeordnet sind. Die unteren Enden der vertikalen Durchlässe 46 stehen jeweils mit in der Welle 41 ausgebildeten Seitendurchlässen 47 in Verbindung, welche radial nach außen in jeweils eine Trennkammer münden, wie später beschrieben wird. Zusätzlich ist eine Drehdichtung 5 an das obere Ende der Welle 41 angesetzt. In der Drehdichtung 5 ist ein Durchlaß 51 vertikal in der Mitte ausgebildet, der mit dem zentralen Vertikaldurchlaß 44 in Verbindung steht, und jeweils ein vertikaler Durchlaß 52 zur Verbindung mit jedem Durchlaß 46.

Ein aus einem transparenten Material ausgebildeter Deckel 6 ist entfernbar an dem Rotorgehäuse 3 und dem Kerneinsatz 4 angebracht, und zwar mittels eines Befestigungsringes 7. Der Befestigungsring 7 ist mit einem Innengewinde versehen, das mit einem entsprechenden am Außenumfang des Rotorgehäuses 3 ausgebildeten Außengewindes in Eingriff bringbar ist.

Zwischen demn konkaven Abschnitt 31 des Rotorgehäuses 3 und dem Deckel 6 ist eine Trennkammer 8 ausgebildet, und wie ein Blick auf Fig. 2 zeigt, wird die Trennkammer 8 durch die Teilwände 42 in eine Reihe von vier kleineren Trennkammern 81 unterteilt. Die in den Trennwänden 42 enthaltenen Durchlässe 43 stehen über in den Außenenden der Teilwände 42 ausgebildete Nuten 48 mit den Trennkammern 81 in Verbindung, d. h. die äußeren Enden der Durchlässe 43 münden in die Nuten 48 und damit in die jeweiligen Trennkammern. Zur Abdichtung des Kerneinsatzes 4 mit dem Rotorgehäuse 3 und dem Deckel 6, bzw. des Deckels mit dem Gehäuse dienen Dichtringe 9, 10 und 22.

Es ist eine obere Deckplatte 12 aus einem durchsichtigen Material vorgesehen, die einen Teil des Außengehäuses des den Rotor 2 enthaltenden Zentrifugal-Trennmechanismus bildet. Ein Dichtelement 15 wird in einer Weise abgestützt, die eine begrenzte Bewegungsgröße in Vertikalrichtung mittels Wendelfedern 13 in Verbindung mit einer Stützklammer 14 zuläßt, welche auf der oberen Platte 12 angebracht ist. Eine feste Dichtung 16 ist an dem unteren Ende des Dichtelementes 15 in Berührung mit der Drehdichtung 5 angebracht. In der festen Dichtung 16 sind Durchlässe 161, 162 ausgebildet, wobei das untere Ende des Durchlasses 161 mit dem oberen Ende des Durchlasses 51 und das untere Ende des Durchlasses 162 mit den oberen Enden der Durchlässe 52 in Verbindung steht. Das obere Ende des Durchlasses 161 wird dann durch einen weiteren Durchlaß 151 im Dichtelement 15 weitergeführt, und das obere Ende des Durchlasses 162 steht mit dem unteren Ende eines Durchlasses 152 im Dichtelement 15 in Verbindung.

Ein Federdruckteil 17 ist, beispielsweise durch Schrauben, fest an der oberen Deckplatte 12 angebracht. Ein Anschluß- oder Zuführrohr 18 ist mit dem oberen Ende des Durchlasses 151, und ein Auslaßrohr 19 mit dem oberen Ende des Durchlasses 152 verbunden. Damit ist zu sehen, daß die Durchlässe 151, 161, 51, 44, 45 und 43 eine Reihe von aufeinanderfolgend miteinander in Verbindung stehenden Fluid-Zuführdurchlässen bilden, während die Durchlässe 152, 162, 52, 46 und 47 eine Reihe von aufeinanderfolgend in Verbindung stehenden Fluidauslaß-Durchlässen bilden.

Eine Photofühlereinheit 20 ist an der unteren Fläche der oberen Deckplatte 12 befestigt, und enthält einen Licht aussendenden und einen Licht empfangenden Abschnitt. Die Photofühlereinheit 20 wird verwendet, um eine Trennschicht zu überwachen, die in zu beschreibender Weise gebildet wird.

Eine Lichtquelle 21 ist über der oberen Deckplatte 12 angebracht und dient zur Beleuchtung der Oberseite des Rotors 2, um eine direkte Beobachtung des allgemeinen Trennvorganges zu gestatten.

Das Gerät wird auf folgende Weise betrieben: Ein mit aufzutrennenden Probenteilchen versehenes Pufferfluid wird durch das Zuführrohr 18 zugepumpt, während der Rotor 2 durch den Motor 1 angetrieben wird. Das Fluid durchläuft die oben beschriebene Reihe von Fluid-Zuführdurchlässen, bis es jeweils an den Außenumfängen in die kleinen Trennkammern 81 eintritt, und dann findet in jeder Kammer eine Zentrifugal-Elutrierung statt. D. h. während das Fluid vom Umfang jeder Trennkammer 81, wie durch die Pfeile in Fig. 2 bezeichnet, fließt, nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Fluides kontinuierlich in durch die Form der Trennkammer 8 bestimmter Weise ab. Jedes Probenteilchen wird dann, wenn die Strömungsgeschwindigkeit auf einen Wert abgefallen ist, bei dem die auf das Teilchen einwirkende Zentrifugalkraft gleich der durch die Fluidströmung darauf ausgeübten Strömungskraft wird, an dieser Stelle festgehalten und nicht weiter zur Drehachse des Rotors mitgenommen. Der Abstand von der Drehachse des Rotors, bei dem dieser Gleichgewichtszustand eintritt, hängt von gewissen physikalischen Eigenschaften des Teilchens ab, und so werden größere Teilchen weiter radial nach innen mitgenommen als kleinere Teilchen. Auf diese Weise tritt eine Auftrennung der Teilchen in besonderen Arten auf. Dieses Prinzip trifft auch auf die bekannten Arten von Zentrifugal-Rotoren zum Elutrieren zu. Es ist jedoch ein die vorliegende Erfindung auszeichnendes Merkmal, daß dieser Trennvorgang innerhalb der gesamten Trennkammer 8 stattfindet, die den größtenTeil des Innenvolumens des Rotors 2 einnimmt, statt innerhalb einer kleinen Zelle, die nur einen sehr kleinen Teil der Gesamtgröße des Rotors einnimmt, wie es bei den bekannten Zentrifugal-Rotoren für Elutrierung der Fall ist.

Um die Trennung in der beschriebenen Weise auszuführen, müssen die Flächengrößen der Umfangsschnitte des Innenraums der Trennkammer 8, die jeweils konzentrisch um die Drehachse des Rotors 2 genommen und im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Pufferflüssigkeit ausgerichtet sind, fortschreitend vom Außenumfang der Trennkammer 8 zum Innenumfang derselben hin anwachsen, wobei die Flächengrößen umgekehrt proportional zum Radialabstand jedes Umfangsquerschnittes von der Drehachse des Rotors 2 sind. Die Fläche Fx eines entsprechenden Umfangs- Segmentquerschnittes irgendeiner der kleinen Trennkammern 81 errechnet sich auf folgende Weise:

wobei Rx der Radialabstand dieser Querschnittsfläche von der Drehachse des Rotors 2 und Hx die an diesem Ort vorhandene Höhe der Trennkammer 8 ist.

Bei der beschriebenen Ausführung wird die angesprochene Form der Trennkammer 8 dadurch erreicht, daß die untere Fläche des Innenraumes der Trennkammer 8 mit bestimmter konkaver Krümmung ausgeführt ist, wie der Innenraum 31 in Fig. 1 zeigt, während der transparente Deckel 6 eine ebene Unterfläche besitzt.

Infolge dieser Form der Trennkammer 8 wird die Auftrennung der Probenteilchen entsprechend der Teilchengröße, entsprechend der Winkelgeschwindigkeit des Rotors 2 und der Fließrate oder Fließgeschwindigkeit der Pufferflüssigkeit ausgeführt. Teilchen von kleiner Abmessung werden relativ stark durch die von der Pufferflüssigkeit darauf ausgeübten Strömungskräfte beeinflußt im Vergleich zu den Auswirkungen dieser Strömungskräfte auf größere Partikel, während die größeren Partikel stärker durch die Zentrifugalkräfte beeinflußt werden als es bei den kleineren Partikeln der Fall ist. Damit werden die großen Probenteilchen oder -partikel in einem Bereich in der Nähe des Umfangs der Trennkammer 8 verbleiben, wie es beispielsweise durch den Abschnitt 23 in Fig. 1 dargestellt ist, während die kleinen Teilchen mit der Pufferflüssigkeit zum Innenumfang der Trennkammer 8 mitgenommen und dort längs des beschriebenen Ablaßweges aus der Trennkammer 8 herausgeschwemmt werden.

Aus der bisherigen Beschreibung der bevorzugten Ausführung ist zu verstehen, daß ein Zentrifugal-Elutrations-Rohr gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen ein Außengehäuse (d. h. die Kombination aus Deckel 6 und Rotorgehäuse 3) enthält, das in seinem Inneren eine Trennkammer 8 bestimmt und so geformt ist, daß die Flächengrößen aufeinanderfolgender Umfangsschnitte, die koaxial zur Drehachse des Rotors ausgerichtet und im wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung der Pufferflüssigkeit innerhalb der Trennkammer gerichtet sind, kontinuierlich vom Außenumfang zum Innenumfang der Trennkammer hin anwachsen, und darüberhinaus Fluidzufuhr-Einlaßmittel (in dieser Ausführung Rohr 18 und Durchlässe 151, 161, 51, 44 und 43) zum Zuführen von Fluid zum Außenumfang jeder Trennkammer und Fluid-Ablaßmittel (in dieser Ausführung Durchlässe 47, 46, 52, 162 und Rohr 19) zum Ablassen von Fluid vom Innenumfang der Trennkammer enthält. Mit einem erfindungsgemäßen Zentrifugal-Elutrations-Rotor kann eine große Menge von Probenteilchen während eines einzelnen Zentrifugalvorganges getrennt werden, so daß die Trennung hochwirksam verläuft. Wie sich durch die Beschreibung der Ausführung klar ergibt, wirkt der Rotor selbst als Behälter für die abgetrennten Probenteilchen, und der Deckel kann zum Entfernen der Probe nach dem Zentrifugieren rasch entfernt werden. Damit ist die Notwendigkeit beseitigt, wiederholt eine kleine Trennzelle aus dem Rotor zu entnehmen und wieder einzusetzen, wie es bei bekannten Arten von Zentrifugal-Elutrations- Rotoren der Fall ist. Zusätzlich sind, da die abgetrennten Teilchen dicht am Umfang der Trennkammer 8 verbleiben, diese Teilchen klar als ringförmige Schicht sichtbar, die sich um den Außenumfang der Trennkammer 8 erstreckt, und sie können durch den durchsichtigen Deckel 6 beobachtet werden. Es ist so nicht notwendig, ein Stroboskop oder ähnliche Mittel zu benutzen, um den Trennzustand der Probe zu beobachten, wie es bei bekannten Rotoren dieser Art nötig ist. Diese Tatsache macht es möglich, Mittel vorzusehen, durch die eine automatische Anzeige geschaffen werden kann, daß der Trennzustand eine bestimmte Stufe erreicht hat. Das kann beispielsweise durch den optischen Fühler 20 geschehen, der über dem durchsichtigen Deckel 6 in der Nähe des Außenumfangs der Trennkammer 8 angebracht ist. Es ist ersichtlich, daß durch den optischen Fühler 20 erzeugte elektrische Signale beispielsweise benutzt werden können, um automatisch den Rotor 2 anzuhalten und/oder ein hör- oder sichtbares Signal zu erzeugen, zur Anzeige, daß der Trennvorgang beendet ist.

Es ist auch ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf die Verwendung einer Trennkammer mit der bei der bevorzugten Ausführungsform beschriebenen Innenform beschränkt ist, sondern es sind auch andere Formen durchaus möglich.

Claims (6)

1. Zentrifugal-Elutriator-Rotor, ausgelegt, um eine feste Drehachse durch Antriebsmittel gedreht zu werden, zur kontinuierlichen Abtrennung von Probenpartikeln mit besonderen physikalischen Eigenschaften aus durch eine Pufferflüssigkeit transportierten Partikeln, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Außengehäuse (3) vorgesehen ist, dessen Innenraum (31) so geformt ist, daß eine eingeschlossene Abtrennkammer (8) gebildet wird, die symmetrisch um und koaxial mit der Drehachse angeordnet ist, und
daß Fluidzuführ-Einlaßmittel (18, 161, 151, 51, 44, 45, 43, 48) in Verbindung mit einem Außenumfang der Abtrennkammer (8) und Fluid-Ablaßmittel (47, 46, 52, 152, 162, 19) in Verbindung mit einem Innenumfang der Abtrennkammer (8) vorgesehen sind, wobei die Fluidzuführ-Einlaßmittel und die Fluid- Ablaßmittel ausgelegt sind, eine kontinuierliche Strömung der Pufferflüssigkeit und der damit transportierten Probenpartikel in einer Richtung von dem Außenumfang zu dem Innenumfang der Abtrennkammer (8) zu erzeugen,
daß die Abtrennkammer (8) so besonders geformt ist, daß die Flächengrößen von Umfangsschnitten des Innenraums der Abtrennkammer, jeweils koaxial zur Drehachse und im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Pufferflüssigkeit gerichtet, aufeinanderfolgend umgekehrt proportional zu dem jeweiligen Radialabstand (Rx) der betreffenden Umfangsschnitte von der Drehachse zunehmen.

2. Zentrifugal-Elutriator-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengehäuse des Rotors aus einem an der Oberseite offenen Rotorgehäuse (3) und einem abnehmbar an dem Rotorgehäuse angebrachten Deckel (6) gebildet ist, um so den oberen Abschnitt des Rotorgehäuses abzudichten, und daß die besondere Form der Trennkammer (8) durch eine nach oben konkave Krümmung (31) einer Innenfläche des Rotorgehäuses (3) gebildet ist.

3. Zentrifugal-Elutriator-Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von sich radial erstreckenden Teilwänden (42) feststehenden in der Trennkammer (8) mit gleichen Winkelabständen um die Drehachse angeordnet sind, um die Trennkammer (8) in eine Vielzahl von kleinen Trennkammern (81) aufzuteilen.

4. Zentrifugal-Elutriator-Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (43) der Fluidzufuhr-Einlaßmittel (18, 151, 161, 51, 44, 43, 48) innerhalb der Teilwände (42) ausgebildet ist und, bezüglich der Drehachse radial gerichtet, in die kleinen Abtrennkammern (81) mündet.

5. Zentrifugal-Elutriator-Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß um einen Außenumfangsabschnitt des Rotorgehäuses (3) ein Außengewinde gebildet ist, und daß ein mit einem entsprechenden Innengewinde versehener Befestigungsring (7) vorgesehen ist zum entfernbaren Anbringen des Deckels (6) an dem Rotorgehäuse (3).

6. Zentrifugal-Elutriator-Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (6) aus einem optisch durchsichtigen Material gebildet ist.