System, Zentrifugationseinheit, Zentrifuge und Verfahren zur induktiven Stromerzeugung

Abstract

 Bei einem System zur Durchführung von Zentrifugationsprozessen mit einer Zentrifuge und wenigstens einer Zentrifugationseinheit (50) weist die Zentrifugationseinheit wenigstens eine Spule (56) auf. Innerhalb oder außerhalb der Zentrifuge ist wenigstens ein Magnet vorgesehen. Dieses System ist insbesondere zur induktiven Stromerzeugung vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Durchführung von Zentrifugationsprozessen mit einer Zentrifuge und wenigstens einer Zentrifugationseinheit, eine Zentrifugationseinheit, eine Zentrifuge sowie ein Verfahren zur induktiven Stromerzeugung.

Stand der Technik

[0002] Die Aufbereitung und Prozessierung von biologischen, biochemischen oder chemischen Proben, beispielsweise im Zusammenhang mit der Aufreinigung und/oder Anreicherung bestimmter Moleküle oder mit der Analyse und Charakterisierung bestimmter Moleküle, basiert im Wesentlichen auf der Handhabung von Flüssigkeiten. Herkömmlicherweise werden hierzu verschiedene Hilfsmittel, insbesondere Pipetten und verschiedene Reaktionsgefäße, eingesetzt, um bei einer manuellen Handhabung unter Zuhilfenahme verschiedener Laborgeräte die verschiedenen Prozesse durchführen zu können.

[0003] Für viele Prozessierungen sind bereits Automatisierungen verfügbar, wobei beispielsweise Pipettierroboter oder andere Spezialgeräte zum Einsatz kommen. Weiterhin können mit sogenannten Lab-on-a-Chip-Systemen viele Prozesse in vollautomatisierter Weise durchgeführt werden. Lab-on-a-Chip-Systeme sind mikrofluidische Systeme, die die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem nur etwa plastikkartengroßen Kunststoffsubstrat vereinigen. Neben dem Kunststoffsubstrat mit verschiedenen Kanälen, Reaktionskammern usw. sind vorgelagerte Reagenzien und verschiedene aktive Komponenten, wie beispielsweise Ventile oder Pumpen, sowie weitere Aktuations-, Detektions- und Steuereinheiten erforderlich.

[0004] Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 beschreibt ein System, das zum Einsetzen in einen Zentrifugationsrotor vorgesehen ist. Hierbei sind zwei oder mehr revolverartige Körper axial übereinander angeordnet. Die Revolver beinhalten jeweils ein oder mehrere Kavitäten, insbesondere Reaktionskammern und Kanäle, und gegebenenfalls weitere Strukturen für die Durchführung von Prozessen, insbesondere von fluidischen Einheitsoperationen. Ein Beschleunigungswechsel der Zentrifuge aktiviert eine integrierte Mechanik, die nach Art einer Kugelschreibermechanik funktioniert. Infolge der Zentrifugalkraft bewegen sich die Körper radial nach außen, wobei die Körper mittels einer Verzahnung und einem integrierten Rückstellmittel gegeneinander verschoben oder verdreht werden. Die Kavitäten werden hierdurch miteinander verschaltet. Darüber hinaus ist ein orientierungsabhängiges Öffnen von einzelnen Kavitäten oder Gefäßen in den Körpern möglich, wobei eine Seite der Kavität oder des Gefäßes beispielsweise mit einer durchstechbaren Folie versehen ist. Mit Hilfe eines Dorns auf einem anderen Körper wird die Folie durch die Bewegung der Körper gegeneinander durchstoßen. Auf diese Weise kann eine kontrollierte Fluidführung in der Vorrichtung erreicht werden. Beispielsweise kann eine Fluidführung von Vorlagerungskammern über zwischengeschaltete Prozessierungskammern bis hin zu Auffangkavitäten für die prozessierten Flüssigkeiten realisiert werden. Ein derartiges System kann zum Beispiel zur Aufreinigung von biologischen oder biochemischen Molekülen genutzt werden. Hierfür werden im obersten Revolver die Probe und alle zur Aufreinigung benötigten Reagenzien eingesetzt. Die darunterliegenden Revolver dienen als Reaktionsstufen für die verschiedenen Fest- oder Flüssigphasenreaktionen. Der Transport von Probe und Reagenzien vom obersten zum untersten Revolver erfolgt durch die Zentrifugalkraft, indem die Flüssigkeiten entlang des Kraftvektors der Zentrifugalkraft von im Rotor radial innenliegenden Punkten zu radial außenliegenden Punkten transportiert werden.

[0005] Mit einem solchen System lassen sich verschiedene Aufreinigungsprotokolle oder Anreicherungsprotokolle für Proteine oder andere Analyte in vollautomatisierter Weise durchführen. Für verschiedene Prozessschritte sind allerdings oftmals bestimmte Temperaturen erforderlich. Beispielsweise ist für eine Lyse von Zellen, insbesondere für eine enzymatische Lyse, eine höhere Temperatur, beispielsweise im Bereich zwischen 70°C und 110°C erforderlich. Auch eine Elution von DNA von einer Festphase erfordert im Allgemeinen eine bestimmte Temperatur zwischen ca. 55°C und 95°C. Eine isothermale DNA-Amplifikation muss bei einer bestimmten Temperatur durchgeführt werden, die zwischen 15°C und 100°C liegen kann. Auch zum Trocknen von Chromatographiesäulen kann eine erhöhte Temperatur eingesetzt werden. Bei vielen Anwendungen, beispielsweise bei der isothermalen DNA-Amplifikation, ist die genaue Einhaltung des Temperaturprofils kritisch. Insbesondere sollte die Temperatur nicht um mehr als +/- 2°C schwanken. Weiterhin ist die präzise Temperierung über einen bestimmten Zeitraum erforderlich. Der erforderliche Zeitraum kann beispielsweise 15 Minuten betragen. In anderen Anwendungen kann aber auch eine präzise Temperierung über Stunden erforderlich sein. Zudem sollten die erforderlichen Temperaturen möglichst innerhalb von Sekunden oder Minuten erreicht werden. Allgemein ist für komplexe analytische oder präparative Verfahren in einem automatisierten System eine zeitbestimmte Temperaturkontrolle und -stabilisierung erforderlich.

[0006] Eine Temperierung ist bei herkömmlichen automatisierten Systemen der beschriebenen Art im Allgemeinen schwierig. Bei Systemen, die für eine Zentrifugation vorgesehen sind, können Zentrifugen mit einer Temperaturregelung eingesetzt werden. Hierbei lässt sich allerdings nur eine Durchschnittstemperatur in der gesamten Zentrifugenkammer, also eine Temperatur des Rotors, einstellen. Diese Temperatur ist oftmals ungenau. Zudem erfordert das Auf- und Abkühlen der Zentrifuge im Allgemeinen mehrere Minuten, was für viele Anwendungen nicht schnell genug ist. Eine Temperierung bei herkömmlichen Systemen wird weiterhin dadurch erschwert, dass sich während des Zentrifugationsvorganges der Rotor und die eingesetzten Röhrchen im Allgemeinen erwärmen, wodurch die Aufrechterhaltung eines zeitkonstanten, homogenen Temperaturprofils weiter erschwert wird.

[0007] Es ist möglich, in eine Zentrifugationseinheit für eine automatisierte Prozessierung einzelne Elemente zu integrieren, die beispielsweise eine Temperierung ermöglichen oder auch andere Parameter wie Druck oder ähnliches einstellen können. Weiterhin können verschiedene Sensorelemente integriert werden, beispielsweise Temperatursensoren oder andere Sensoren.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

[0008] Die Erfindung stellt ein System bereit, das zur Durchführung von Zentrifugationsprozessen vorgesehen ist, wobei das System eine Zentrifuge und wenigstens eine Zentrifugationseinheit, also eine zu zentrifugierende Einheit, umfasst. Sowohl die Zentrifugationseinheit als auch die Zentrifuge weisen jeweils wenigstens eine Einrichtung auf, die insbesondere für eine induktive Stromerzeugung vorgesehen sind. Bei der Einrichtung der Zentrifuge handelt es sich um wenigstens einen Magneten. Der Magnet kann sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zentrifuge selbst angeordnet sein. Bei der Einrichtung der Zentrifugationseinheit handelt es sich um wenigstens eine Spule. Mit diesem System kann über die wirkenden Zentrifugalkräfte bei dem Betrieb der Zentrifuge Strom durch eine elektromagnetische Induktion gewonnen werden. Der hierfür erforderliche wenigstens eine Magnet und die wenigstens eine Spule werden zum einen als feststehende Einheit im Zusammenhang mit der Zentrifuge und zum anderen als bewegliche oder rotierende Einheit im Zusammenhang mit der Zentrifugationseinheit angeordnet. Durch die Bewegung der Spule in der Zentrifugationseinheit in Relation zu dem feststehenden Magneten bewegt sich die Spule im Verhältnis zum Magnetfeld, sodass mittels der hierbei resultierenden Induktion Strom erzeugt werden kann. Dieser innerhalb der Zentrifuge erzeugte Strom kann für verschiedene Zwecke mit großem Vorteil genutzt werden, wie weiter unten noch beschrieben werden wird. Insbesondere kann der in der Zentrifuge erzeugte Strom für die Stromversorgung verschiedener Elemente (Verbraucher) innerhalb der Zentrifugationseinheit genutzt werden. So können die Funktionalitäten von Zentrifugationseinheiten, beispielsweise von kartuschenbasierten Systemen, die zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten vorgesehen sind, erheblich erweitert werden.

[0009] Im Prinzip wird bei dieser induktiven Stromerzeugung eine mechanische Leistung, die in der Rotationsbewegung der Zentrifugationseinheit gegenüber dem feststehenden Teil der Zentrifuge besteht, in elektrische Leistung umgewandelt. Die Umwandlung beruht dabei auf der sogenannten Lorenzkraft, die auf bewegte, elektrische Ladungen in einem Magnetfeld wirkt. Die resultierende Ladungsverschiebung bewirkt eine Potentialdifferenz und erzeugt eine elektrische Spannung in der Spule. Die erzeugte elektrische Spannung kann zur Energieversorgung verschiedener Elemente innerhalb der Zentrifugationseinheit genutzt werden.

[0010] Eine Zentrifuge bietet vielfältige Möglichkeiten zur Anbringung eines geeigneten Magneten. Der oder die Magneten können beispielsweise im Gehäuse der Zentrifuge untergebracht sein. Es ist auch möglich, dass der oder die Magneten außerhalb des Zentrifugengehäuses angeordnet werden. Die Spule oder die Spulen können ohne Weiteres in der Zentrifugationseinheit, beispielsweise in dem Deckel eines Zentrifugationsröhrchens, untergebracht werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die in der Spule erzeugte Spannung über kurze Leitungen dem jeweiligen Verbraucher zugeführt werden kann, sodass keine weitere Verkabelung außerhalb der Zentrifugationseinheit erforderlich ist.

[0011] Der Magnet selbst kann beispielsweise als ringförmiger Magnet oder als Stabmagnet ausgestaltet sein. Ein ringförmiger Magnet kann beispielsweise in die Schüssel der Zentrifuge, innerhalb derer die eigentliche Zentrifugation abläuft, integriert sein. Beispielsweise kann in der äußeren Wandung der Schüssel eine umlaufende Vertiefung vorgesehen sein, in die der ringförmige Magnet eingesetzt ist. Vorteilhafterweise ist der Magnet verhältnismäßig flach gebaut. Ein solcher Magnet für die induktive Stromerzeugung ist ohne Weiteres beispielsweise bei einer Standardlaborzentrifuge nachrüstbar. Vorteilhafterweise wird der Magnet platzsparend in der Zentrifuge angebracht, da sich durch eine Änderung der Geometrie der Zentrifugenschüssel verglichen mit dem Standarddesign das Wirbelstromverhalten des Systems ändern würde. Um derartige Änderungen und Beeinflussungen möglichst gering zu halten, auch im Hinblick auf die Sicherheit und die maximal erreichbare Drehzahl, ist es sinnvoll, wenn der Magnet nicht in das innere Volumen der Zentrifugenschüssel hineinragt, sondern versenkt wird. Die Ausgestaltung des Ringmagneten selbst ist im Prinzip ebenfalls variabel. Es können ringförmige Magnete verwendet werden, die positive und negative Polaritäten stückchenweise aneinanderreihen. Es sind auch graduelle Verteilungen der Polarität im Kreis oder Multipolanordnungen möglich. Bei Multipolanordnungen mit einer Vielzahl von Magneten mit abwechselnder Polarität ist es zweckmäßig, wenn die Abstände der wechselnden Polaritäten größer als der radiale Abstand zu der rotierenden Zentrifugationseinheit sind. Es können auch ein oder mehrere Stabmagnete eingesetzt werden, die beispielsweise in einer umlaufenden Vertiefung in der Zentrifugenschüssel angeordnet sind.

[0012] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Einrichtungen zur induktiven Stromerzeugung, also auf der einen Seite der oder die Magnete und auf der anderen Seite die Spule(n), sich während des Betriebes der Zentrifuge im Wesentlichen auf einer Höhe befinden, sodass eine optimale elektromagnetische Induktion erzielt wird. Wenn beispielsweise ein ringförmiger Magnet in einer umlaufenden Vertiefung der Zentrifugenschüssel vorgesehen ist, sollte diese Vertiefung sich in etwa auf der Höhe befinden, auf der sich die Spule oder die Spulen der Zentrifugationseinheit während des Zentrifugationsprozesses befinden. Wenn die Zentrifuge beispielsweise mit einem ausschwingbaren Zentrifugenbecherhalter ausgestattet ist, sollte sich die umlaufende Vertiefung auf der Höhe der ausgeschwungenen Zentrifugenbecher befinden. Dies kann beispielsweise, je nach Ausgestaltung der Zentrifuge, ca. 15 bis 45 cm über dem Boden der Zentrifugenschüssel sein.

[0013] In anderen Ausgestaltungen können der oder die Magnete in einem Deckel des Zentrifugenrotors integriert sein. Diese Ausgestaltung eignet sich in besonderer Weise für die Nachrüstung einer Zentrifuge, da hierbei lediglich der Deckel des Zentrifugenrotors ausgetauscht beziehungsweise nachgearbeitet werden muss.

[0014] In einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems befindet sich der wenigstens eine Magnet außerhalb der Zentrifuge. So kann beispielsweise ein ausreichend starker Magnet außerhalb der Zentrifuge angebracht werden, um die induktive Stromerzeugung zu ermöglichen. Zu beachten ist bei dieser Ausgestaltung, dass die Stärke des Magneten beispielsweise 0,01 Tesla bis ca. 5 Tesla in der Zentrifuge bewirken sollte. Dies hängt auch von der Ausgestaltung der Spule beziehungsweise der Zahl der Spulenwindungen ab. Zu berücksichtigen ist weiterhin, dass das in der Regel aus Metall gefertigte Gehäuse der Zentrifuge selbst stark abschirmend wirken kann, sodass die Feldstärke des Magneten entsprechend groß ausgelegt sein muss.

[0015] Die wenigstens eine Spule kann sich beispielsweise im Inneren der Zentrifugationseinheit oder in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung in einem Deckel der Zentrifugationseinheit befinden. In der Regel bietet gerade ein Deckel einer Zentrifugationseinheit genügend räumlichen Spielraum, um eine oder mehrere Spulen unterzubringen. Darüber hinaus hat die Unterbringung in einem Deckel den großen Vorteil, dass ein derartiger Deckel zum Beispiel bei Einwegkartuschen mehrfach verwendet werden kann, sodass die im Deckel verbauten Komponenten, wie beispielsweise die Spule, mehrfach verwendet werden können.

[0016] Der oder die Magnete können aus verschiedenen Materialien bestehen. Insbesondere kann es sich bei dem Magneten um einen Permanentmagneten oder um einen elektrischen Magneten handeln. Als Permanentmagnet kann zum Beispiel ein Keramikmagnet oder ein Neodym-Magnet (z.B. Typ N24) eingesetzt werden, da es sich hierbei um besonders kostengünstige Bauteile handelt. Bei einem Permanentmagneten ist die erzeugte Leistung unter anderem abhängig von der Drehzahl der Zentrifuge. Dies kann dazu genutzt werden, die induzierte Leistung über eine Variation der Drehzahl zu steuern. Bei einem elektrischen Magneten ist die magnetische Feldstärke elektrisch steuerbar, sodass es trotz unterschiedlicher Zentrifugalgeschwindigkeiten durch eine Regelung der magnetischen Feldstärke möglich ist, eine konstante Spannung und damit eine konstante Leistung zu erzeugen. Vorteilhafterweise kann die Steuerung des Magneten mit der Steuerung der Zentrifuge gekoppelt werden. Hierfür können beispielsweise Sensoren und Messwiderstände vorgesehen sein, die z.B. an einen Computer oder einen Mikrocontroller eine Rückmeldung über den aktuellen Zustand geben können, sodass über einen Algorithmus die Spannung im Magneten und/oder die Zentrifugengeschwindigkeit angepasst werden kann.

[0017] In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems weist das System und insbesondere die Zentrifugationseinheit weiterhin wenigstens einen Energiespeicher auf, beispielsweise einen Kondensator und/oder einen Akkumulator. Durch ein solches Speicherelement kann die erzeugte Leistung zwischengespeichert werden und je nach Bedarf den jeweiligen Verbrauchern zugeführt werden. Der Akkumulator oder der Kondensator kann insbesondere in der räumlichen Nähe der Spule angeordnet sein. Beispielsweise kann sowohl die Spule als auch ein Akkumulator oder ein Kondensator im Deckel der Zentrifugationseinheit vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich zu einem Akkumulator kann auch ein sogenannter Superkondensator ("super-cab") verwendet werden, um die gewonnene Energie zwischenzuspeichern. Vorteilhafterweise weist das System und insbesondere die Zentrifugationseinheit weiterhin wenigstens einen Gleichrichter und/oder einen Spannungsbegrenzer auf. Beispielsweise kann die Induktionsspule an einen Gleichrichter angeschlossen sein, um die erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Weiterhin kann eine Glättung der Spannung in einem Kondensator erfolgen. Durch eine Begrenzer-Diode oder einen Spannungsregler kann die Spannung beispielsweise nach oben begrenzt werden.

[0018] Das System und insbesondere die Zentrifugationseinheit weist weiterhin vorzugsweise eine Steuer- und/oder Regeleinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller (Mikrokontrolleinheit) auf. Hierüber können die Steuerparameter des jeweiligen Verbrauchers, wie beispielsweise eines Temperaturelementes, geregelt oder gesteuert werden.

[0019] Insbesondere wird die induktiv gewonnene Energie, also die induktiv erzeugte Spannung oder der induktiv erzeugte Strom, zur Energieversorgung von Verbrauchern, also stromverbrauchenden Einrichtungen, innerhalb der Zentrifugationseinheit genutzt. Beispielsweise können Mittel zur Überwachung und/oder Einstellung von Prozessbedingungen innerhalb der Zentrifugationseinheit auf diese Weise mit Energie versorgt werden, beispielsweise ein oder mehrere Temperaturelemente. Auch Sensorelemente können auf diese Weise mit Energie versorgt werden. So kann beispielsweise die gewonnene Energie für einen SMD-Widerstand (SMD = Surface mounted device) als Temperaturelement und für einen NTC-Temperaturfühler verwendet werden, um die Temperatur innerhalb der Zentrifugationseinheit einzustellen und zu steuern oder zu regeln. Auch eine Überwachung der Temperatur ist auf diese Weise möglich. Darüber hinaus können auch andere Parameter durch entsprechende Elemente überwacht und/oder eingestellt werden. So kann beispielsweise der pH-Wert oder der Druck in Reaktionsräumen der Zentrifugationseinheit überwacht und/oder eingestellt werden.

[0020] Die Erfindung umfasst weiterhin eine Zentrifugationseinheit, die wenigstens eine Spule zur induktiven Stromerzeugung aufweist. Im Zusammenspiel mit einem oder mehreren Magneten außerhalb der Zentrifugationseinheit kann in der beschriebenen Weise induktiv eine Spannung in der Spule erzeugt werden, die zur Stromversorgung von Verbrauchern innerhalb der Zentrifugationseinheit genutzt werden kann. Bezüglich weiterer Merkmale der Zentrifugationseinheit wird auf die obige Beschreibung verwiesen.

[0021] Weiterhin umfasst die Erfindung eine Zentrifuge mit wenigstens einem Magneten, der zur induktiven Stromerzeugung innerhalb der Zentrifuge vorgesehen ist, wie oben beschrieben.

[0022] Schließlich umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Stromerzeugung in einer Zentrifuge. Bei diesem Verfahren wird der Strom beziehungsweise eine Spannung durch elektromagnetische Induktion zwischen wenigstens einem Magneten der Zentrifuge und wenigstens einer Spule in einer Zentrifugationseinheit innerhalb der Zentrifuge erzeugt. Für dieses Verfahren wird insbesondere ein System verwendet, wie es oben beschrieben ist. Auch diesbezüglich wird auf die obige Beschreibung verwiesen. Je nach Ausgestaltung des oder der Magneten kann die elektromagnetische Induktion beispielsweise durch die Drehzahl der Zentrifuge gesteuert werden. Bei der Verwendung eines elektrischen Magneten kann die elektromagnetische Induktion auch über die Ansteuerung des Magneten gesteuert werden. Allgemein wird der Strom über die Zentrifugalkräfte gewonnen. Die gewonnene Energie kann gegebenenfalls direkt einem Verbraucher innerhalb der Zentrifugationseinheit, z.B. einem Heizelement, zugeführt werden. Andererseits ist es auch möglich, dass die Energie in einem Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator, für eine spätere Verwendung gespeichert wird.

[0023] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0024] In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

übliche Standardlaborzentrifuge zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Systems;

Fig. 2

schematische Aufsicht auf eine Zentrifugenschüssel mit Magnetring;

Fig. 3A/B

Ausführungsformen von Ringmagneten für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen System;

Fig. 4

schematische Aufsicht auf eine Zentrifugenschüssel mit einem Stabmagneten;

Fig. 5

schematische Schnittdarstellung einer Zentrifugationseinheit gemäß der Erfindung zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten und

Fig. 6A-F

Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Zentrifugationseinheit zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten und Einzelansichten einzelner Komponenten der Zentrifugationseinheit.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

[0025] Fig. 1 illustriert eine übliche Standardlaborzentrifuge 10 mit einem Zentrifugengehäuse 11 und einem Zentrifugendeckel 12. Ein inneres Volumen der Zentrifuge wird von der Zentrifugenschüssel 13 gebildet. In der Zentrifugenschüssel 13 befindet sich der Zentrifugenrotor 14 mit einzelnen Zentrifugationsbechern 15, deren Aufhängung nicht näher dargestellt ist. In dieser Ausgestaltung der Zentrifuge 10 sind es sechs Zentrifugationsbecher, die zur Aufnahme von Zentrifugationseinheiten, beispielsweise von Zentrifugenröhrchen, vorgesehen sind. Zur induktiven Stromerzeugung innerhalb der Zentrifuge können eine derartige standardmäßige Laborzentrifuge und die entsprechenden Zentrifugationseinheiten auf der einen Seite mit einem oder mehreren Magneten und auf der anderen Seite mit einer oder mehreren Spulen ausgestattet werden. Hierbei kann eine übliche Standardzentrifuge ohne Weiteres entsprechend nachgerüstet werden, sodass das erfindungsgemäße System in sehr kostengünstiger Weise realisiert werden kann.

[0026] Bei dem erfindungsgemäßen System bewegt sich durch die Drehung des Zentrifugenrotors auf der einen Seite die Spule, die sich innerhalb der Zentrifugationseinheit befindet, gegenüber dem feststehenden Magneten auf der anderen Seite, der in oder an der Zentrifuge angeordnet ist. Somit bewegt sich die Fläche der Spule relativ gegenüber dem Magnetfeld, wodurch elektromagnetisch eine Spannung in der Spule induziert wird, die erfindungsgemäß für verschiedene Verbraucher, beispielsweise Heizelemente, innerhalb der Zentrifugationseinheit verwenden werden kann. Weiterhin können innerhalb der Zentrifugationseinheit Steuer- und Regeleinheiten sowie Energiespeicher vorgesehen sein, um die gewonnene Energie in zweckmäßiger Weise nutzen zu können.

[0027] Der oder die Magnet(e) sowie die Spule(n) können auf unterschiedliche Weise und in unterschiedlicher Form auf die Zentrifuge auf der einen Seite und auf die Zentrifugationseinheit auf der anderen Seite verteilt und angeordnet werden. Beispielsweise kann der Magnet als ringförmiger Magnet innerhalb der Zentrifugenschüssel angeordnet sein. Fig. 2 illustriert diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems, wobei eine Aufsicht auf die Zentrifugenschüssel 23 in einer erfindungsgemäßen Zentrifuge 20 gezeigt ist. In einer zentralen Position innerhalb der Zentrifugenschüssel 23 befindet sich der Zentrifugenrotor 24 mit daran befestigten Zentrifugenbechern oder Zentrifugationseinheitenhaltern 25. In dieser Ausgestaltung sind vier Zentrifugationseinheitenhalter 25 realisiert. In der inneren Wandung der Zentrifugenschüssel 23 befindet sich eine Magnetringeinlage 26. Die Spule, die für die induktive Strom- bzw. Spannungserzeugung erforderlich ist, wird über die Zentrifugationseinheiten, die in die Zentrifugenbecher 25 eingesetzt werden, in die Zentrifuge 20 eingebracht. Vorteilhafterweise wird die Magnetringeinlage 26 in platzsparender Weise in die Zentrifugenschüssel eingebracht, um keine veränderten Wirbelströme oder ähnliches in der Zentrifuge während des Betriebs zu verursachen. Dies könnte sich nachteilig auf die Sicherheit insbesondere bei maximalen Drehzahlen auswirken. Für die Einbringung der Magnetringeinlage 26 kann beispielsweise eine umlaufende Vertiefung in Anpassung an die Dicke des Magneten im Inneren der Zentrifugenschüssel vorgesehen sein, wodurch die Magnetringeinlage 26 in der Oberfläche der Zentrifugenschüssel 23 versenkt werden kann. Hierfür kann insbesondere ein flach gebauter Magnetring, beispielsweise mit einer Dicke von 3 cm oder weniger, abhängig von Größe und Volumen der Zentrifuge, verwendet werden. Vorteilhafterweise wird der Magnetring 26 in einer Höhe in der Zentrifugenschüssel angebracht, die in etwa der Höhe der Spule(n) der Zentrifugationseinheiten, die in der Zentrifuge gedreht werden, entspricht. Je nach Ausgestaltung und Abmessungen der jeweiligen Zentrifuge kann dies beispielsweise 15 - 45 cm über dem Boden der Zentrifugenschüssel sein, insbesondere auf Höhe der ausgeschwungenen Zentrifugationseinheitenhalter 25.

[0028] Fig. 3A/B illustrieren mögliche Ausführungsformen von verwendbaren Ringmagneten. Fig. 3A zeigt beispielsweise einen Ringmagneten 261, bei dem die Polaritäten Nord (N) und Süd (S) stückchenweise aneinander gereiht sind. Fig. 3B zeigt einen Ringmagneten 262, bei dem die Polarität graduell über den Ringmagneten verteilt ist. Weiterhin sind auch Multipol-Anordnungen mit einer Vielzahl von Magneten mit abwechselnder Polarität geeignet, wobei es zweckmäßig ist, wenn die Abstände der wechselnden Polaritäten größer als der radiale Abstand zu der Spule innerhalb der rotierenden Zentrifugationseinheit sind.

[0029] Weiterhin ist es auch möglich, Stabmagnete für das erfindungsgemäße System einzusetzen. Fig. 4 illustriert eine Zentrifuge 30 für das erfindungsgemäße System, bei dem ein Stabmagnet 36 in eine umlaufende Vertiefung 37 der Zentrifugenschüssel 33 integriert ist. Auch in dieser Ausgestaltung kann bei entsprechender Magnetfeldstärke des Magneten 36 und bei geeigneten Drehzahlen des Zentrifugenrotors 34 (beispielsweise 6.000 rpm) eine induktive Spannungserzeugung zwischen dem Magneten 36 und den Spulen, die innerhalb der Zentrifugationseinheiten, die in die Zentrifugenbecher 35 eingesetzt werden, erreicht werden. Die Spulen bewegen sich beispielsweise ca. 1.000 Mal in der Sekunde an dem Magneten 36 vorbei, wodurch eine ausreichende Energiemenge innerhalb der Zentrifugationseinheiten gewonnen werden kann, um Verbraucher innerhalb der Zentrifugationseinheiten mit Energie zu versorgen.

[0030] Alternativ zu den hier in den Figuren 2 und 4 gezeigten Anordnungen des Magneten in der Zentrifugenschüssel 23 beziehungsweise 33 kann ein Magnet beispielsweise auch in einem Zentrifugendeckel angeordnet werden. Weiterhin kann ein Magnet auch an anderer Stelle im Gehäuse der Zentrifuge oder außerhalb der Zentrifuge angebracht werden, sofern das elektromagnetische Feld stark genug ist, beispielsweise 0,01 Tesla bis ca. 5 Tesla in der Zentrifuge, wobei die erforderliche Magnetfeldstärke auch von der Ausgestaltung beziehungsweise Zahl der Spulenwindungen der Spule(n) in der oder den Zentrifugationseinheiten abhängt. Zu berücksichtigen ist hierbei eine Abschirmung durch das jeweilige Zentrifugengehäuse. Dies sollte bei der Auslegung der Magnetfeldstärke berücksichtigt werden, wobei im Allgemeinen die Magnetfeldstärke mindestens eine Größenordnung höher gewählt werden sollte, wenn der Magnet außerhalb der Zentrifuge angeordnet wird.

[0031] Allgemein hängt die benötigte Magnetfeldstärke einerseits von der Spule und deren Windungszahl sowie auch von der Zentrifugalbeschleunigung ab. Weiterhin ist zu berücksichtigen, wie viel Spannung erzeugt werden soll beziehungsweise wie viel Energie benötigt wird. Wenn beispielsweise eine elektromagnetische Feldstärke von B = 0,2 T und eine Spule mit einer Windungszahl n = 100 bei einer Länge von d = 0,01 m verwendet wird und die Zentrifuge mit einer Drehzahl von 4.000 rpm (Geschwindigkeit v = 20 m/s) beschleunigt wird, wird eine Spannung von 4 V gemäß der folgenden Formel:

induziert. Hierbei wird als Modell davon ausgegangen, dass sich die Spulenfläche mit der Zeit gegenüber dem Magnetfeld durch die Bewegung der Spule ändert beziehungsweise relativ dazu bewegt.

[0032] Fig. 5 illustriert ein Beispiel, wie eine Spule in eine Zentrifugationseinheit 50 integriert werden kann. Die äußere Form der Zentrifugationseinheit 50 wird von einem Zentrifugenröhrchen 51 gebildet, das mit einem Deckel 52 verschließbar ist. Die Zentrifugationseinheit 50 kann in einen Zentrifugenbecher oder Zentrifugationseinheitenhalter (Bezugszeichen 15, 25, 35 in Figuren 1, 2, 4) eingesetzt werden. Die Zentrifugationseinheit 50 ist zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten bei wirkenden Zentrifugalkräften vorgesehen. Insbesondere können hiermit chemische und/oder biochemische und/oder biologische Prozessierungsprotokolle beispielsweise im Hinblick auf eine Proteinreinigung oder eine DNA-Aufreinigung durchgeführt werden. Im Inneren der Zentrifugationseinheit 50 sind drei axial übereinander angeordnete Revolver 53, 54, 55 angeordnet, die gegeneinander verdrehbar sind. Die Revolver 53, 54, 55 umfassen jeweils verschiedene Kavitäten, die als Behältnisse oder Reaktionsräume dienen. Die Verdrehung der Revolver 53, 54, 55 zueinander basiert auf einer integrierten Kugelschreibermechanik. Durch an bestimmten Positionen an oder in den Revolvern 53, 54, 55 angeordnete Dorne können einzelne Kavitäten in vorbestimmter Weise geöffnet werden, sodass ein vorbestimmter Fluidfluss in Abhängigkeit von den wirkenden Zentrifugalkräften innerhalb der Zentrifugationseinheit 50 erzielt werden kann. Eine Probe, die in eine Kavität des obersten Revolvers 53 eingebracht wird, kann damit in vorbestimmter Weise verschiedene vorgesehene Prozessierungsschritte innerhalb der Revolver 53 bis 55 durchlaufen. Bezüglich weiterer Einzelheiten dieses an sich bekannten Systems wird auf die bereits eingangs erwähnte deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 003 223 A1 verwiesen.

[0033] Um die verschiedenen Funktionalitäten innerhalb eines solchen Systems zu erweitern, kann es erforderlich sein, in einzelnen Reaktionsräumen innerhalb der Zentrifugationseinheit 50 bestimmte physikalische Parameter, wie beispielsweise die Temperatur, einzustellen. Auch eine Überwachung verschiedener Parameter, wie beispielsweise Temperatur, pH oder Druck, innerhalb von einzelnen Kavitäten oder Reaktionsräumen einer solchen Einheit kann erforderlich sein. Diese Einstellung und Überwachung von physikalischen Parametern kann insbesondere durch elektronische Bauteile realisiert werden, beispielsweise durch Heizelemente oder verschiedene Sensorelemente. Derartige Elemente erfordern eine Energieversorgung. Um diese Energieversorgung zu gewährleisten, realisiert das erfindungsgemäße System eine induktive Strom- beziehungsweise Spannungserzeugung innerhalb der Zentrifuge. Hierfür ist in dieser Ausgestaltung der Zentrifugationseinheit als Bestandteil des erfindungsgemäßen Systems im Deckel 52 der Zentrifugationseinheit 50 eine Spule 56 vorgesehen. Unterhalb der Spule 56 ist ein Mikrocontroller 57 angeordnet, der die Energieversorgung von innerhalb der Revolver 53, 54 und/oder 55 vorgesehenen Verbrauchern, beispielsweise Thermoelementen (zum Beispiel ein SMD-Widerstand) und Temperatursensoren (zum Beispiel ein NTC-Temperaturfühler) steuert. In dieser Ausgestaltung können die elektrischen Verbraucher direkt mit der gewonnenen Energie versorgt werden. In einer anderen Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich zum Mikrocontroller 57 ein Energiespeicher, beispielsweise ein üblicher Akkumulator, im Deckel 52 vorgesehen, um eine Zwischenspeicherung der Energie vorzunehmen und die elektrischen Verbraucher innerhalb der Zentrifugationseinheit 50 je nach Bedarf mit Energie beziehungsweise Strom zu versorgen.

[0034] Mithilfe der Spule 56 können elektrische Spannungen in der gewünschten Größe und eine entsprechende Leistung, also insbesondere eine entsprechende Stromstärke erzeugt und bereitgestellt werden. Die Spule kann in an sich bekannter Weise aus einem Metall, beispielsweise Kupfer oder Eisen, bestehen. Sie kann, wie in der hier gezeigten Ausgestaltung, in den Deckel integriert sein. In anderen Varianten ist es auch möglich, die Spule an anderer Position innerhalb der Zentrifugationseinheit zu positionieren, beispielsweise innerhalb eines der Revolver 53, 54 oder 55.

[0035] Durch den Einsatz eines Speicherelementes, also insbesondere eines Akkumulators oder eines Kondensators, kann die gewonnene Energie so gespeichert werden, dass eine konstante Leistung für die Energieversorgung der elektrischen Verbraucher bereitgestellt werden kann.

[0036] Fig. 6 illustriert eine beispielhafte Ausgestaltung einer Deckelkonstruktion 62 für eine Zentrifugationseinheit 60, die in besonders vorteilhafter Weise für die Integration einer Spule geeignet ist. Fig. 6A zeigt eine Außenansicht der Zentrifugationseinheit 60, wobei es sich hierbei um ein kartuschenbasiertes System zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten handelt. Das System wird mit dem Deckel 62 verschlossen. Fig. 6B zeigt im Detail eine kastenförmige Aussparung 621 (Vertiefung) innerhalb des Deckels 62 der Zentrifugationseinheit 60. Die Aussparung 621 ist rechteckförmig und kann mit einer Clipeinrichtung 622 versehen sein, sodass einzusetzende Elemente sicher in dem Deckel 62 verrastet werden können. Fig. 6C zeigt einen Einsatz 623 mit einer Spule 624, die in die Aussparung 621 des Deckels 62 einzusetzen ist. Die Spule 624 ist in dieser Ausführungsform mit einem Akkumulator, also einem Energiespeicher kombiniert. Durch die Verwendung des Einsatzes 623 kann die Spule 624 in besonders stabiler Form, insbesondere mithilfe des Clipverschlusses 622, in die kastenförmige Vertiefung 621 des Deckels 62 eingebracht werden, sodass auch bei hohen Drehzahlen innerhalb der Zentrifuge eine sichere Verankerung gewährleistet ist. Die Darstellung in Fig. 6D zeigt eine Ansicht des Deckels 62 von unten, wobei ein Schraubgewinde 625 der Deckelkonstruktion zu erkennen ist. Über dieses Schraubgewinde 625 wird der Deckel 62 auf einem Außengewinde der Zentrifugationseinheit 60 befestigt. Innerhalb des Deckels 62 ist eine Platte 626 vorgesehen, die die Vertiefung 621, die zur Aufnahme der Spule vorgesehen ist, gegenüber dem unteren Bereich des Deckels 62 abgrenzt. Innerhalb der Platte 626 sind zwei kleine Aussparungen 627 vorgesehen, über die die Spule 624 mit einem im unteren Bereich des Deckels anzuordnendem Regelelement verbunden werden kann. Fig. 6E zeigt ein solches Regelelement, das in dieser Ausführungsform als Mikrocontroleinheit 628 in Form einer runden Platine ausgestaltet ist. Über die armförmigen Leiter 629 wird der Mikrocontroller 628 mit der Spule 624 durch die Aussparungen 627 hindurch verbunden. Über eine Verkabelung 630 können darunterliegende Verbraucher innerhalb der Zentrifugationseinheit 60 mit Energie versorgt werden. Eine Regelung der Steuerparameter, beispielsweise der Temperatur, kann über den Mikrocontroller 628 erfolgen. Fig. 6F zeigt eine zylinderförmige Hülle 631, die innerhalb der Zentrifugationseinheit 60 angeordnet ist und die die inneren Einheiten der Zentrifugationseinheit 60 (z.B. gegeneinander verdrehbare Revolver) umhüllt. In dieser Hülle 631 ist eine rinnenförmige Vertiefung 632 vorgesehen, über die die Kabel 630 zur Energieversorgung von innerhalb liegenden Verbrauchern geführt werden können. Beispielsweise kann auf diese Weise ein SMD-Widerstand als Heizelement und ein Temperaturfühler in geregelter oder gesteuerter Weise mit Energie versorgt werden, um so eine Temperierung innerhalb der Zentrifugationseinheit 60 in bestimmten Reaktionsräumen realisieren zu können. In der hier gezeigten Ausgestaltung weist die rinnenförmige Vertiefung 632 im unteren Bereich eine Öffnung 633 auf, die zu einem innen liegenden Element, insbesondere einem Revolver, führt, sodass in dieser Ausführungsform elektrische Verbraucher, die im untersten Revolver vorgesehen sind, mit Energie versorgt werden können.

[0037] Um die erfindungsgemäß induktiv erzeugte Spannung gleichzurichten, kann die Induktionsspule 624 an einen Gleichrichter angeschlossen sein. Die Spannung kann in einem Kondensator geglättet und durch eine Begrenzer-Diode oder einen Spannungsregler nach oben begrenzt werden. Weiterhin kann die gewonnene Energie in einem Energiespeicher, beispielsweise einem Akkumulator oder einem "super-cab", zwischengespeichert werden.

[0038] Mit dem beschriebenen System kann in besonders vorteilhafter Weise die Energieversorgung für eine lokale und zeitlich geregelte Temperaturkontrolle innerhalb eines zentrifugierbaren Systems, insbesondere in einem System zur automatisierten Prozessierung von Flüssigkeiten, realisiert werden. Es kann dabei innerhalb eines definierten Zeitrahmens in einzelnen Reaktionsräumen eines solchen Systems eine bestimmte, konstante Temperatur durch Ansteuerung eines entsprechenden Heizelements erzielt werden. Die vorgesehene Temperatur kann innerhalb weniger Sekunden oder Minuten auch bei hohen Drehzahlen erreicht werden. Die erfindungsgemäß gewonnene Energie kann weiterhin auch beispielsweise für eine Prozesskontrolle, für eine biochemische Reaktionssteuerung oder für andere Messungen, zum Beispiel für pH-Wert-Messungen, genutzt werden. Darüberhinaus ist die erfindungsgemäße Energiegewinnung auch für eine Qualitätskontrolle insbesondere bei der Durchführung von automatisierten Prozessierungen innerhalb einer Zentrifuge verwendbar. Verschiedene energieverbrauchende Prozesse können gezielt gesteuert und parallelisiert werden. Mit besonderem Vorteil ist dies auch unabhängig von den wirkenden Zentrifugalkräften und insbesondere auch bei hohen Zentrifugalkräften möglich. Die erfindungsgemäße Energiegewinnung kann für verschiedene Anwendungen genutzt werden und ist daher sehr breit einsetzbar. Insbesondere ist das erfindungsgemäße System für im Prinzip alle Prozesse nutzbar, die innerhalb einer Zentrifugationseinheit durchgeführt werden.

Ansprüche

1. System zur Durchführung von Zentrifugationsprozessen mit einer Zentrifuge (20; 30) und wenigstens einer Zentrifugationseinheit (50; 60), dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugationseinheit (50; 60) wenigstens eine Spule (56; 624) aufweist und dass innerhalb oder außerhalb der Zentrifuge wenigstens ein Magnet (26; 36) angeordnet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spule (56; 624) und der wenigstens eine Magnet (26; 36) zur induktiven Stromerzeugung vorgesehen sind.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet ein ringförmiger Magnet (26) oder ein Stabmagnet (36) ist.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (26; 36) in einer Schüssel (23; 33) der Zentrifuge integriert ist, wobei vorzugsweise der Magnet in eine umlaufende Vertiefung der Schüssel der Zentrifuge eingebracht ist, oder dass der Magnet in einen Deckel des Zentrifugenrotors oder der Zentrifuge integriert ist oder dass die Einrichtung der Zentrifuge außerhalb der Zentrifuge angeordnet ist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (56; 624) im Inneren der Zentrifugationseinheit (50; 60) oder in einem Deckel (52; 62) der Zentrifugationseinheit angeordnet ist.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (26; 36) ein Permanentmagnet oder ein elektrischer Magnet ist.

7. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugationseinheit (50; 60) weiterhin wenigstens einen Energiespeicher, insbesondere einen Kondensator und/oder einen Akkumulator, und/oder wenigstens einen Gleichrichter und/oder einen Spannungsbegrenzer aufweist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugationseinheit (50; 60) weiterhin wenigstens eine Steuer- und/oder Regeleinheit für einen Verbraucher des induktiv erzeugten Stroms, insbesondere eine Mikrokontrolleinheit (628), aufweist.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der induktiv erzeugte Strom zur Energieversorgung von Verbrauchern innerhalb der Zentrifugationseinheit (50; 60) vorgesehen ist, insbesondere zur Energieversorgung von Mitteln zur Überwachung und/oder Einstellung von Prozessbedingungen, vorzugsweise zur Energieversorgung von Mitteln zur Temperaturüberwachung und/oder Temperatureinstellung innerhalb der Zentrifugationseinheit (50; 60).

10. Zentrifugationseinheit (50; 60), dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugationseinheit wenigstens eine Spule (56; 624) zur induktiven Stromerzeugung aufweist.

11. Zentrifugationseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifugationseinheit wenigstens eines der Merkmale gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9 aufweist.

12. Zentrifuge (20; 30), dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge wenigstens einen Magneten (26; 36) zur induktiven Stromerzeugung aufweist.

13. Zentrifuge nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrifuge wenigstens eines der Merkmale gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9 aufweist.

14. Verfahren zur Stromerzeugung in einer Zentrifuge (20; 30), dadurch gekennzeichnet, dass der Strom durch elektromagnetische Induktion zwischen wenigstens einem Magneten (26; 36) der Zentrifuge (20; 30) und wenigstens einer Spule (56; 624) einer Zentrifugationseinheit durch wirkende Zentrifugalkräfte erzeugt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 verwendet wird.

Zeichnung