Die Erfindung betrifft ein System zur Durchführung biologischer oder chemischer Verfahren, seine Verwendung und ein biologisches oder chemisches Verfahren.

Im Bereich der Life Science-Forschung und Entwicklung , der Synthese beispielsweise von Mo- lekülkomplexen und Nanopartikeln, der in vitro Proteinbiosynthese, Reinigung von Makromole- külen und der Zellkultur besteht ein Bedarf an vielseitig einsetzbaren funktionellen Reaktionsge- fäßen. Hierbei werden zunehmend Dialysatoren und Membranreaktoren als Einweggefäße ein- gesetzt, da sie Kontaminationen und Reinigungsaufwand vermeiden. Häufig wechselnde Auf- gaben und wechselnde Prozesse führen zu begrenzten Stückzahlen der jeweiligen Reaktions- gefäße. Diese geringe Stückzahl lässt auch nur eine Fertigung der Komponenten in kleineren Stückzahlen zu. Hierdurch ergibt sich ein höherer Fertigungsaufwand pro Stück. Dies wiederum steht im Zielkonflikt mit dem vorteilhaften Einsatz von Einweggefäßen, da der Preis sich durch den Fertigungsaufwand erhöht.

Stand der Technik

Von der scienova GmbH werden schon verschiedene Dialysatoren als Inserts mit seitlich ange- brachten semipermeablen Membranen für den vertikalen Einsatz in üblichen Deep Well- Mikroplatten und Zentrifugenröhrchen angeboten (https://www.scienova.com/). Diese zeichnen sich durch schnelle Dialyse kleiner Volumina in Dialysekapillaren aus. Probenzugabe und Ent- nahme erfolgt in dem oberen Teil der Dialysatoren mittels üblicher Liquid Handling-Technik. Sie haben den Nachteil, dass in ihnen die Mischung im Probenraum durch Dispensieren kaum praktikabel ist. Das Probenvolumen wird durch die genutzten Kapillargeometrie zur Dialyse be- grenzt, da sich bei Vergrößerung des Kapillarenquerschnitts und der Kapillarlänge zur Volu- menvergrößerung die Probenentnahme durch Abriss der Flüssigkeitssäule und dem Eindringen von Luftblasen insbesondere die Probenentnahme erschwert. Soll das Probenvolumen trotz des sehr begrenzten Raums beim Einsatz in Gefäßen nach dem SBS-Standard für Mikroplatten deutlich erhöht werden, muss eine neue Lösung gefunden werden.

Diese Lösung wird unter US 2010/0136596 A1 beschrieben. Die dort beschriebenen Dialysato- ren bestehen aus einem festen Körper mit Öffnungen und Kanälen zur Probenzugabe und Ent- nahme. Es sind in den gegenwärtig verfügbaren Ausführungen Volumina von 10 bis 1000 mI Probenvolumen möglich (https://www.scienova.com/). Vorteilhaft ist die Möglichkeit des paralle- len Probenhandlings und der schnellen Dialyse durch die Geometrie mit kleinen Diffusionsstre- cken. Sie haben aber den Nachteil, dass sie jeweils auf ihren Volumenbereich und die feste Ausgestaltung der oberen Bereiche zur Probenzugabe und -entnähme beschränkt sind. Weiter- hin bieten sie im Reaktionsraum kaum die Möglichkeit zum Anbringen von Sensoren mit der zugehörigen Energieversorgung und Datenübertragung.

Von Thermo Scientific wird (http://www.piercenet.com/product/rapid-equilibrium-dialysis -red) eine Vorrichtung angeboten, die 48 einzelne Einsätze zum vertikalen Dialysieren im Mikrotiter- plattenformat enthält. Die Inserts bestehen aus einem Plastikgrundkörper mit einer Röhre aus einer Dialysemembran, die den Probenraum bildet. Sie sind im Raster von Mikroplatten ange- ordnet. Die Inserts sind allerdings in ihrer Geometrie an eine Spezialaußenplatte für diese Inse- rts angepasst. Das erlaubt es nicht, Standardgefäße wie Deep Well-Platten zu nutzen. Der Aufwand bei der Handhabung ist relativ hoch, da diese Inserts einzeln eingesetzt werden und die Spezialaußenplatte nach Gebrauch demontiert und gereinigt werden muss. Befüllen und Entleeren erfolgt indem Pipettenspitzen bis zum Boden geführt werden müssen. Besonders bei manueller Bedienung besteht hier die Gefahr, dass die Pipettenspitze die semipermeable Membran beschädigen kann. Die große freie Öffnung erhöht das Kontaminationsrisiko. Diese Lösung ist in US 7,604,739 B2, US 8,034,242 B2, US 2006/0102547 A1 und US 2010/0264085 A1 , beschrieben. Die dort beschriebenen Vorrichtungen sind durch ihre feststehende Geometrie mit der oben vorhandenen Öffnung und dem begrenzten Probenvolumen von ca. 800mI nicht in der Lage größere Probenvolumina zu handhaben und Sensorik einzusetzen. Damit sind sie eng an ihre Spezialanwendung zur Gleichgewichtsdialyse im Volumenbereich bis 800mI gebunden.

GENE BIO APPLIC LTD beschreibt in WO 2001/090731 A3 ein Röhrchen mit vertikal geklemm- tem Dialyseschlauch und Schraubverschluss. Dieses dient als Dialysevorrichtung zur schwim- menden Dialyse in unterschiedlichen Volumina. In Ausführung als Produkt durch GENE BIO APPLIC LTD wird eine Kombination des Röhrchens mit Schraubverschlüssen unterschiedlicher Dimension zur Volumenverdrängung des Probenvolumens im Röhrchen eingesetzt. Diese ver- drängt die Probe vom Boden des Röhrchens, so dass die Membran bei kleineren Probenvolu- men auf einer größeren Fläche im Austausch mit dem Probenvolumen steht. Damit ist es mög- lich, bei verschiedenen Probenvolumen die aktive Membranfläche zu vergrößern. Ansonsten dient der Schraubverschluss ausschließlich dem sicheren Verschließen des Röhrchens und weist keine Öffnungen auf. Damit können keine Mischung, Begasung und Probenzuführung, bzw. -entnähme erreicht werden. Auch der Einsatz von Sensoren im Probenraum ist weder vor- gesehen noch möglich.

Die Aufgabenstellung für die Erfindung bestand darin, einen vielseitig verwendbaren Typ von mit semipermeablen Membranen versehenen Reaktionsgefäßen zu entwickeln. Hierbei sollte der Fertigungsaufwand für eine große Anzahl variabel einsetzbarer Reaktionsgefäße so niedrig gehalten werden, dass die Realisierung von Einwegreaktionsgefäßen möglich ist. Einweggefä- ße haben den Vorteil, dass aufwendige Reinigungs- und Sterilisationsprozesse entfallen kön- nen. Die Gefäße sollen passfähig zu vorhandener Liquidhandling-Technik sein, einfache Pro- bennahme und -zugabe, Durchmischung und Begasung ermöglichen sowie den Einsatz von Onlinemessungen durch den Einsatz von Sensoren im Reaktionsraum mit der zugehörigen Energieversorgung, Datenspeicherung und Datenübertragung ermöglichen.

Dies wird gelöst durch die in der Erfindung beschriebene Kombination von Grundkörpern mit semipermeablen Membranen mit passfähigen Deckeln, die verschiedene Funktionsträger mit Funktionsmerkmalen aufweisen können. Das erfindungsgemäße System kann eine Vielzahl von (m) verschiedenen Deckeln und/oder (n) verschiedenen Grundkörpern aufweisen, um eine noch größere Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten mit Einweggefäßen zu erschließen. Die Deckel können sich insbesondere hinsichtlich ihrer Funktionsmerkmale unterscheiden, wobei ein De- ckel auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Funktionsmerkmale aufweisen kann. Beson- ders bevorzugt können Deckel in dem erfindungsgemäßen System sich ergänzende Funkti- onsmerkmale aufweisen, wie z.B. in das Verfahren eingreifende Funktionsmerkmale und Ver- fahrensdaten erfassende Funktionsmerkmale. Grundkörper können sich insbesondere hinsicht- lich ihrer Größe und äußeren Form unterscheiden, um verschiedenen Außenvolumina ange- passt werden zu können.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein System zur Durchführung biologischer oder chemischer Ver- fahren mit wenigstens einem Grundkörper und wenigstens einem separat bereitgestellten De- ckel, der so an den Grundkörper angepasst ist, dass Deckel und Grundkörper eine feste Ver- bindung miteinander eingehen können, wobei der Grundkörper wenigstens ein Strukturelement und wenigstens eine Membran aufweist und die Membran zumindest abschnittsweise ein Innenvolumen des Grundkörpers als im We- sentlichen parallel zur Längsachse des Grundkörpers verlaufende Seitenwand begrenzt, wobei der Deckel zumindest einen Funktionsträger aufweist, welcher an seinem proximalen Ende mit einem Dichtabschnitt des Deckels verbunden ist, und im Bereich seines distalen En- des eines oder mehrere Funktionsmerkmale aufweist, wobei das Innenvolumen einen proximalen Abschnitt aufweist, der bei Verbindung von Deckel und Grundkörper in der Nähe des Dichtabschnitts angeordnet ist, und einen distalen Abschnitt, der bei Verbindung von Deckel und Grundkörper eine Entfernung von dem Dichtabschnitt auf- weist, die wenigstens 90 % des maximalen Abstands von dem Dichtabschnitt innerhalb des Innenvolumens beträgt, wobei das distale Ende des Funktionsträgers bei Verbindung von Deckel und Grundkörper in dem distalen Abschnitt angeordnet ist, wobei die Funktionsmerkmale geeignet sind, Zustände biologischer oder chemischer Verfahren zu erfassen, zu ändern und/oder zu beeinflussen.

Unter einer„festen“ Verbindung wird eine Verbindung verstanden, die sich nicht unbeabsichtigt wieder löst. Bevorzugte Verbindungen sind formschlüssige Verbindungen wie beispielsweise einrastende oder einschnappende Verbindungen oder Verzahnungen. Die feste Verbindung kann so ausgeführt sein, dass sie sich nicht ohne Zerstörung des Deckels und/oder des Grund- körpers wieder lösen lässt. In einer Ausführungsform wird die feste Verbindung über eine Kom- bination eines eindringenden Verbindungselements, insbesondere am Deckel, mit einem auf- nehmenden Verbindungselement, insbesondere am Grundkörper realisiert.

Der Deckel ist insbesondere hinsichtlich seiner äußeren Form so an den Grundkörper ange- passt, dass der Funktionsträger des Deckels in das Innenvolumen des Grundkörpers eingeführt werden kann. Nach vollendetem Einschub befindet sich das distale Ende des Funktionsträgers im distalen Abschnitt des Innenvolumens und eine Deckel und Grundkörper gehen die feste Verbindung insbesondere durch Einrasten der jeweiligen Verbindungselemente ein.

In einer Ausführungsform weist der Grundkörper eine Öffnung des Innenvolumens auf, die bei Verbindung des Grundkörpers mit dem Deckel durch dessen Dichtabschnitt verschlossen wird. Hierbei ist insbesondere eine flüssigkeits- und/oder gasdichte Verbindung erfindungsgemäß, wodurch beispielsweise eine gezielte Begasung des Innenvolumens und/oder eine Steuerung des Drucks oder der Reaktionsatmosphäre möglich ist. Bevorzugt wird durch die Verbindung von Deckel und Grundkörper ein Verschluss durch eine Lippendichtung oder eine elastische Dichtung erzielt. Der Verschluss kann auch über eine Dichtung durch Klebung, Verschweißung, Passung der Teile (z.B. konische Flächen), oder Vergießen der Spalten erreicht werden.

Der Grundkörper umfasst Strukturelemente und zumindest eine Membran. In einer Ausfüh- rungsform bilden Strukturelemente und Membran den Grundkörper. Das Innenvolumen wird zumindest abschnittsweise durch die Membran begrenzt, insbesondere zu einem Großteil. Vor- zugsweise wird das Innenvolumen auf mindestens 50%, mindestens 65% oder mindestens 75% seiner Fläche durch die Membran begrenzt. Dies ermöglicht einen möglichst effizienten Stoff- austausch mit einem Außenvolumen. Die Strukturelemente dienen dazu, die Membran aufzu- spannen, da diese selbst nicht fest genug ist, das Innenvolumen auszubilden. Vorzugsweise fällt das Innenvolumen im distalen Abschnitt auf einen Tiefpunkt oder eine Linie ab, so dass sich dort eine im Innenvolumen vorhandene Flüssigkeit oder auch Feststoffe sammeln können. So lassen sich auch kleine Volumina gut mit dem System behandeln, insbesondere auch ent- nehmen bzw. von unten begasen.

Die Strukturelemente bestehen vorzugsweise im Wesentlichen aus spritzgießbaren Kunststoff, wie insbesondere Polystyrol, Polycarbonat, Polypropylen, Polyethylen, Polyoxymethylen, ther- moplastisches Polyurethan oder Kombinationen davon. Dies hat den Vorteil, dass die Grund- körper über Spritzguss hergestellt werden können, was sehr wirtschaftlich ist. Gleiches gilt vor- zugsweise auch für den Deckel und seine Teile, insbesondere Dichtabschnitt und Funktionsträ- ger.

Die Membran bildet zumindest einen Teil der Seitenwand des Innenvolumens. Die Ausrichtung des Grundkörpers bei der Anwendung ist vorzugsweise vertikal, d.h. die Längsachse weist nach unten, so dass die Seitenwand in der Vertikalen ist. Dies hat den Vorteil, dass sich die Memb- ran nicht mit Schwebstoffen oder anderen partikulären oder zellulären Bestandteilen zusetzt.

Die Membran ist insbesondere eine semipermeable Membran, die vorzugsweise aus regene- rierter Zellulose, Zellulosemischester, Polyethersulfon, Polycarbonat, Mikrozellulose, Keramik, Silikon, Kunststoffmischung oder Kombinationen davon besteht. Die Membran kann auf den dafür vorgesehenen Flächen, insbesondere an Strukturelementen, durch Kleben, Bonden, Schweißen, Klemmen oder Anspritzen des Kunststoffs des Trägers auf der Membran befestigt werden.

In einer Ausführungsform umfasst das Innenvolumen von 50 pl bis 200 ml, insbesondere von 1.000 mI bis 150 ml, von 3 ml bis 100 ml, von 6 ml bis 75 ml, von 10 ml bis 50 ml oder von 15 ml bis 30 ml. Aufgrund der Flexibilität hinsichtlich der Funktionsmerkmale lassen sich auch relativ große Innenvolumina verwenden. So kann ein Funktionsmerkmal beispielsweise ein Rühren oder ein Durchmischen des Innenvolumens ermöglichen. Aufgrund der Anordnung der Funkti- onsmerkmale am distalen Ende des Innenvolumens sind gleichermaßen auch kleine Volumina problemlos behandelbar.

Erfindungsgemäß weist der Deckel wenigstens ein Funktionsmerkmal auf. Erfindungsgemäß wird zwischen Funktionsmerkmalen unterschieden, die in das Verfahren eingreifen („eingreifen- de Funktionsmerkmale“), und solchen, die eine Eigenschaft des Verfahrens erfassen („erfas- sende Funktionsmerkmale“). Das einfachste eingreifende Funktionsmerkmal ist eine Öffnung in dem Funktionsträger, der rohrförmig ausgestaltet sein kann. So lässt sich eine Probennahme, Befüllung und/oder Begasung des Innenvolumens realisieren. Auch bei dichter Anordnung meh- rerer Systeme oder anderweitig engen Verhältnissen kann durch den Deckel eine Probenzuga- be und -entnähme erfolgen. Bevorzugte eingreifende Funktionsmerkmale sind Öffnungen zum Füllen und Entnehmen von Material aus dem Innenvolumen, oder zum Begasen des Innenvo- lumens, sowie Rührer zum Durchmischen des Innenvolumens.

Die erfindungsgemäß auf dem Funktionsträger vorhandenen Funktionsmerkmale können sehr verschiedenartig sein. Ein erfindungsgemäß bevorzugtes erfassendes Funktionsmerkmal ist ein Sensor, insbesondere ein Temperatursensor oder ein Leitfähigkeitssensor oder eine Kombina- tion davon. Bevorzugte erfassende Funktionsmerkmale umfassen Sensoren zur Messung von Temperatur, Viskosität, Leitfähigkeit, pH-Wert, Glucosegehalt, Sauerstoffgehalt, CC> ₂ -Gehalt, lonenkonzentration, insbesondere mittels ionenselektiver Sensoren (Ca ²⁺ , K ⁺ , Na ⁺ , F , NH ₄ ⁺ ), Potentiometrie und/oder Radioaktivität.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Funktionsmerkmal eine Begasungs-, Befüllungs- oder Entnahmeöffnung, oder eine Kombination davon. In einer bevorzugten Ausführungsform weist ein Funktionsträger sowohl eines oder mehrere erfassende als auch eines oder mehrere eingreifende Funktionsmerkmale auf. In einer Ausführungsform weist ein Deckel mehrere Funk- tionsträger auf, die jeweils eines oder mehrere Funktionsmerkmale aufweisen können, insbe- sondere unterschiedliche Funktionsmerkmale.

In einer Ausführungsform weist der Deckel wenigstens ein Positionierelement auf zur Verbin- dung des Deckels mit weiteren Deckeln, einem Außengefäß und/oder einem Schwimmer.

In bestimmten Ausführungsformen kann der Deckel Kontaktierungselemente aufweisen, insbe- sondere zur Stromversorgung und/oder Datenübertragung. Dies ist besonders bei Verwendung von Funktionsträgern mit erfassenden Funktionsmerkmalen wie Sensoren vorteilhaft, da somit eine kabelgebundene Übermittlung der erfassten Daten möglich ist. In einer anderen Ausgestal- tung wird eine kabellose Übermittlung der erfassten Daten realisiert. Der Funktionsträger bildet die Verbindung zwischen Dichtabschnitt des Deckels und dem Funktionsmerkmal im distalen Abschnitt des Innenvolumens. Er kann einen flachen oder einen runden Querschnitt haben und kann insbesondere rohrförmig ausgestaltet sein.

Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchfüh- rung biologischer oder chemischer Verfahren, insbesondere zur Durchführung von Probenvor- bereitung, chemischen Reaktionen, Dialyse, enzymatischer/mikrobiologischer Fermentation, Mehrstufenprozessen, in vitro-Protein-Biosynthese im Labormaßstab, Mehrschrittprobenbear- beitung, Probentransport, Proteinrenaturierung, Probenaufbewahrung, Probenreinigung, Pro- benkonzentrierung, Probenverdünnung, Fermentierung mit oder ohne Zellen, in vitro Protein- biosynthese, enzymatische oder nicht enzymatische Mehrstufenreaktionen, Umpuffern, pH- Einstellung, Probendialyse, Medienwechsel, Zellkultur, Probenbegasung, Probenentgasung sowie Kombinationen davon.

Die Verwendung umfasst insbesondere die nur einmalige Verwendung des Deckels und oder Grundkörpers im Sinne eines Disposibles/Einwegartikels.

Auch ein Verfahren zur Durchführung biologischer oder chemischer Verfahren unter Anwen- dung des erfindungsgemäßen Systems ist Teil dieser Erfindung. Das Verfahren umfasst folgen- de Schritte:

Bereitstellen eines Außenvolumens,

Bereitstellen eines Grundkörpers,

Auswahl eines geeigneten Deckels im Hinblick auf dessen Funktionsmerkmale,

Verbinden von Grundkörper und Deckel,

Einsetzen von Grundkörper mit Deckel in das Außenvolumen,

Durchführen einer biologischen, physikalischen und/oder chemischen Reaktion.

Das Außenvolumen kann insbesondere gebildet sein durch übliche Laborgefäße, wie insbeson- dere Bechergläser, Wannen, Fotoschalen, Eimer, Schüsseln, Becken und Gefäße im Grund- format von SBS Mikroplatten, oder speziell passfähig angefertigte Gefäße.

Die Durchführung der Reaktion kann insbesondere unter Umwälzung und/oder Begasung der Probe, insbesondere mit Luft, durchgeführt werden.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den Schritt

Entsorgen des Deckels und/oder des Grundkörpers nach der Verwendung.

Während der Verwendung des Systems bzw. der Durchführung des Verfahrens findet ein selek- tiver Stoffaustausch über die Membran statt. Der Stoffaustausch wird durch osmotischen Druck bzw. Konzentrationsgradienten versursacht und ist insbesondere nicht druckgetrieben.

Das erfindungsgemäße System beinhaltet insbesondere funktionelle vertikale Einwegreaktions- gefäße mit vertikal angebrachter semipermeabler Membran für Probenvorbereitung, chemische Reaktionen, Dialyse, enzymatische/mikrobiologische Fermentation, Mehrstufenprozesse, in vitro-Protein-Biosynthese im Labormaßstab, gebildet aus einem Grundkörper, einem wechsel- baren Deckel mit unterschiedlichen Funktionen. Das oder die Reaktionsgefäße werden für den Austausch über die Membran vertikal in ein Außenvolumen gesetzt bestehend aus Gas, Flüs- sigkeit oder Feststoffen, wie Vliesen, Granula oder Schwämmen, zur selektiven Aufnahme von Stoffen über die Membran. Das Reaktionsgefäß kann aus einem formstabilen Grundkörper und einem flüssigkeitsdichten Deckel bestehen mit einem Rohr das zum Boden des Grundkörpers geht, wobei der formstabile Grundkörper mindestens einen nichtkapillaren Reaktionsraum als Innenvolumen mit mindestens einer semipermeablen Membran als Seitenwand bildet.

Die hohe Einsatzflexibiliät des Systems dieser Erfindung ergibt sich aus der Kombination von Varianten der Grundkörper mit verschiedenen Deckelvarianten für unterschiedliche Einsatzge- biete. Die Grundkörper mit verschiedenen Membranen und Volumina können mit Deckeln mit verschiedenen Beschickungsöffnungen, Kontakten, Sensorträgern, Begasungen, Umwälzmög- lichkeiten etc. gekoppelt werden. Damit ergeben sich bei m verschiedenen Grundkörpern und n verschiedenen Deckelvarianten m x n Kombinationen mit verschiedenen Eigenschaften.

Fiqurenbeschreibunq

Figuren 1A bis 1C zeigt das erfindungsgemäße System (10) und seine wesentlichen Teile, nämlich den Grundkörper (11 ) und den Deckel (12). Der Deckel besteht aus einem Dichtab- schnitt (20) und einem Funktionsträger (13). Der Grundkörper (11 ) bildet ein Innenvolumen (17).

Figuren 2A und 2B zeigen einen Grundkörper (11 ), der seitlich nach unten führende Holme (21 ) als Strukturelemente aufweist. Generell haben die Strukturelemente vorzugsweise im We- sentlichen gleichmäßige Stärke von vorzugsweise 0,5 mm bis 5 mm und Dicken von 1 mm bis 8 mm und vorzugsweise eine Mittelstrebe (22) von in etwa gleicher Dicke wie die Holme (21 ). Im oberen Teil enthält der Grundkörper (1 1 ) eine Öffnung (23) mit glatten Innenseiten, welche die Gegenflächen zu Dichtelementen des Deckels bilden. Oberhalb der Mittelstrebe (22) befindet sich eine Einrastöffnung (24) welche als Gegenlager einer Snap-In-Befestigung des Deckels dienen kann. Die Strukturelemente (21 , 22, 25) des Grundkörpers (1 1 ) bestehen vorzugsweise, aber nicht notwendig, im Wesentlichen aus spritzgießbaren Kunststoff wie Polystyrol, Polycar- bonat oder Polypropylen. Die Membran wird, wie in Figur 2B gezeigt, durch Kleben oder Schweißen auf den seitlichen Holmen (21 ), der Mittelstrebe (22) sowie der Seitenflächen (25) bündig befestigt und verschließt ebenfalls die Einrastöffnung (24). Durch den Grundkörper (1 1 ) und die vorzugsweise bündig darauf sitzende Membran (16) wird der Innenraum (17) gebildet. Die semipermeable Membran (16) sorgt dafür, dass das im Innenvolumen (17) befindliche Pro- benvolumen im Stoffaustauch mit einem Außenvolumen steht. Der untere Teil (26) des Grund- körpers ist hier V-förmig ausgebildet. Das Probenvolumen läuft damit in der Mitte des Grund- körpers zusammen und Restmengen sammeln sich in einer zentralen Aushöhlung im distalen Abschnitt (26), in welche der Funktionsträger des Deckels (nicht gezeigt) reicht. An dieser tiefs- ten Stelle kann die, das Innenvolumen (17) des Reaktionsgefäßes ausfüllende Flüssigkeit (Pro- be) damit fast vollständig durch ein Funktionsmerkmal auf dem Funktionsträger behandelt oder mit Sensoren erfasst werden. Die äußeren Dimensionen des vorliegenden Grundkörpers (1 1 ) sind so bemessen, dass das System sowohl im rechten Winkel zu den Wänden des Standard- Reaktionsgefäßes„hitplate 80" 80,0ml Deep Well Mikrotiterplatte als auch diagonal in den Re- aktionsraum desselben eingesetzt werden kann, wobei Noppen am Deckel für das Halten der Position sorgen können.

Figuren 3A und 3B zeigen einen Deckel, der in der vorliegenden Ausführungsform ein Spritz- gussteil aus Polypropylen und zwei Öffnungen (36 und 37) aufweist, welche den oberen Teil des Deckels durchdringen und konisch (LUER-Konus nach DIN 13090) ausgeführt sind. Die Einfüllöffnung (36) ist mit einem Funktionsträger (13) in Form eines Steigrohrs verbunden und reicht bis in den distalen Abschnitt des Grundkörpers. Die Öffnung (37) durchdringt den oberen Teil des Deckels und dient hier der Entlüftung des Innenvolumens beim Befüllen desselben durch die Öffnung (36) oder ggf. durch weitere Öffnungen. Der Luer-Konus ermöglicht das flüs- sigkeitsdichte Anschließen von Injektionsspritzen zum Befüllen und Entleeren des Innenvolu- mens, ist aber auch für die Verwendung von gebräuchlichen Pipetten mit wechselbaren Pipet- tenspitzen, Pipetten, serologischen Pipetten, Pasteurpipetten sowie Pipettierautomaten geeig- net. Ebenso ist es möglich, das Innenvolumen unter Verwendung einer geeigneten Injektions- kanüle durch die Öffnung (36) und das Steigrohr (Funktionsträger, 13) zu Befüllen und zu ent- leeren, wobei durch die Führung der Injektionskanüle im Funktionsträger (13) jegliche Beschä- digung der Membran verhindert wird. Eine weitere Öffnung (38) ist mit größerem Durchmesser ausgeführt und mit einem Konus NS7/16 nach DIN 12242 versehen. Sie ermöglicht das Befül- len, Entleeren des Innenvolumens und die Probennahme mittels größerer Pipetten oder Fluid- handling-Systemen mit geeignetem Anschluss. Bei Nichtgebrauch können alle Öffnungen durch geeignete Stopfen verschlossen werden.

Die Fläche (32) trägt Dichtelemente, welche in der vorliegenden Form als mehrere, hintereinan- derliegende Dichtlippen ausgeführt worden sind. Sie liegen beim Zusammenpressen von De- ckel und Grundkörper an den Innenflächen der Öffnung (23, nicht gezeigt) des Grundkörpers an und verhindern den Flüssigkeitsaustritt. Ein Vorsprung (31 ) schnappt beim Zusammenpressen von Deckel und Grundkörper irreversibel in die Öffnung (24, nicht gezeigt) des Grundkörpers ein und verhindert ein Lösen von Deckel und Grundkörper durch mechanische Kräfte. Die Hal- temittel (39), hier in Form von Noppen, dienen ebenfalls der Verbindung von Deckel und Grundkörper.

Figuren 4A bis 4C zeigen Beispiele für das Volumen (47) außerhalb des Grundkörpers (Au- ßenvolumen), mit welchem die im Innenvolumen befindliche Lösung durch die semipermeable Membran in Kontakt steht. Das Außenvolumen kann ebenfalls aus einem gebräuchlichen La- borgefäß (Becherglas, Wanne, Eimer) (42) bestehen, wobei das Reaktionsgefäß durch einen aus spezifisch leichtem, inerten Material z.B. geschäumten Kunststoff gefertigten Schwimmkör- per (45) an der Flüssigkeitsoberfläche gehalten werden kann. Die Membran besteht vorzugs- weise aus regenerierter Zellulose, kann aber auch aus den in der obigen Beschreibung aufge- führten Materialien einzeln oder in Kombination bestehen.

Figur 5 zeigt beispielhafte Deckelvarianten 5a bis 5d. Der Deckel nach Variante 5a enthält elektronische Komponenten (51 ) als Funktionsmerkmale, welche auf einem Funktionsträger (13) angeordnet sind. Der Träger wird in eine korrespondierende Aussparung des Deckels (52) dicht eingesetzt. Der Träger (13) kann aber auch integraler Bestandteil des Deckels, z.B. ange- spritzt sein.

Der Deckel nach Variante 5b enthält in den Funktionsöffnungen des Deckels Winkelstücke (53) mit Schlauchanschlussoliven welche z.B. von bekannten Firmen für medizintechnische Fluid systeme (fluid management components) bezogen werden können. Diese Winkelstücke (53) sind in die Funktionsöffnungen des Deckels mittels LUER-Konus mechanisch fest, flüssigkeits- und gasdicht, aber reversibel entnehmbar eingesetzt. Sie erlauben den Anschluss des Systems an externe Systeme bzw. die Umwälzung des im Innenvolumen enthaltenen Flüssigkeitsvolu- mens mittels einer Pumpe und/oder die Begasung insbesondere zur Durchmischung und Gasanreicherung oder Abreicherung der Probenlösung durch eine Pumpe oder Gaszuleitung mit erhöhtem Druck.

Der Deckel nach Variante 5c enthält einen Ausströmer (54), durch welchen mittels eines An- schlussstücks (55) Gase durch die im Innenvolumen befindliche Flüssigkeit geleitet werden können. Das Gas wird durch feine Öffnungen, Bohrungen oder Schlitze im Ausströmer (54) in feine Bläschen verteilt. Alternativ kann der Ausströmer auch aus porösen Materialien bestehen. Das eingeleitete Gas strömt durch eine Funktionsöffnung ins Freie. Alternativ kann in die Funk- tionsöffnung ein Anschlussstück (z.B. wie 53) eingesetzt und das Gas, z.B. zum Zwecke der Durchmischung des Flüssigkeitsvolumens im Kreis geleitet werden.

Der Deckel nach Variante 5d enthält eine Rührvorrichtung, bestehend aus einem Miniatur- Elektromotor (56), einem weiteren Funktionsträger (13) in Form einer Rührwelle und einem Funktionsmerkmal in Form eines Propellerrührers (57). Diese Vorrichtung dient der kontinuierli- chen und/oder periodischen Durchmischung der Innenvolumen befindlichen Flüssigkeit.

Figuren 6A und 6B zeigen erfindungsgemäße Systeme in beispielhaften Anwendungsfällen. Das System befindet sich in Figur 6A in einem Außenvolumen (47) welches mit dem Innenvo- lumen (17) des Reaktionsgefäßes durch die semipermeable Membran (nicht gezeichnet) in Verbindung steht. Das Innenvolumen (17) wird durch eine Pumpe (61 ) umgewälzt, welche über flüssigkeitsführende Verbindungen (62) an die Funktionsöffnungen (36 und 37) angeschlossen sind. Es erfolgt ein Stoffaustausch zwischen dem Innenvolumen (17) und dem Außenvolumen (47). Figur 6B zeigt ein erfindungsgemäßes System mit Umwälzfunktion und einem externem Volumen (63). Das System befindet sich in einem Außenvolumen (47) welches mit dem Innen- volumen (17) des Systems durch die semipermeable Membran (nicht gezeichnet) in Verbindung steht. Das Innenvolumen (17) steht über flüssigkeitsführende Verbindungen (62) in Verbindung mit einem externen Volumen (63) und wird kontinuierlich oder periodisch durch eine Pumpe (61 ) umgewälzt, welche an die Funktionsöffnungen (36 und 37), sowie an das externe Volumen (63) angeschlossen ist. Es erfolgt ein Stoffaustausch zwischen dem Innenvolumen (17) und dem externen Außenvolumen (63) durch die Pumpe (61 ) sowie zwischen dem Innenvolumen (17) und dem Außenvolumen (47) durch die semipermeable Membran.

Figur 7 zeigt mehrere erfindungsgemäße Systeme in korrespondierenden Außenvolumina (47), welche mit Innenvolumina (17) der Grundkörper durch die semipermeable Membran (nicht ge- zeichnet) in Verbindung stehen. Das Innenvolumen (17) des ersten Reaktionsgefäßes, welches mit dem Außenvolumen (47) durch die semipermeable Membran(en) (nicht gezeichnet) in Ver- bindung steht, wird durch eine Pumpe (61 ), die über flüssigkeitsführende Verbindungen (62) und die Öffnungen (36 und 37) angeschlossen ist, kontinuierlich oder periodisch in ein zweites Reaktionsgefäß gefördert, welches mit dem Außenvolumen (47) durch die semipermeable Membran(en) (nicht gezeichnet) in Verbindung steht. Von dort wird es wiederum durch eine Pumpe (61 ), die über flüssigkeitsführende Verbindungen (62) und die Öffnungen (36 und 37) angeschlossen ist, kontinuierlich oder periodisch in ein drittes Innenvolumen gefördert, welches mit dem Außenvolumen (47) durch die semipermeable Membran(en) (nicht gezeichnet) in Ver- bindung steht. Es erfolgt ein Stoffaustausch zwischen dem Innenvolumina (17) und den Außen- volumina (47), wobei diese eine gleiche oder unterschiedliche Startzusammensetzung aufwei- sen können.

Figuren 8A und 8B zeigen beispielhafte Ausgestaltungen einer externen Prozessverfolgung der Vorgänge im erfindungsgemäßen System. In Figur 8A befindet sich das System in einem Außenvolumen (47) welches mit dem Innenvolumen durch die semipermeable Membran (nicht gezeichnet) in Verbindung steht. Das Innenvolumen wird durch eine Pumpe (61 ) kontinuierlich oder periodisch durch eine Messzelle (64) umgewälzt, welche über flüssigkeitsführende Verbin- dungen (62) an die Öffnungen (36 und 37) angeschlossen ist. Es erfolgt ein Stoffaustausch zwi- schen dem Innenvolumen und dem Außenvolumen (47) wobei sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Innenvolumen ändert. Diese Änderungen werden durch eine oder mehrere Messvorrichtungen (65) erfasst. Messgrößen können beispielsweise, aber nicht ausschließlich, Temperatur, Viskosität, Leitfähigkeit, pH-Wert, Glucosegehalt, Sauerstoffgehalt, CC>2-Gehalt, lonenkonzentration, welcher mittels ionenselektiver Sensoren (Ca ²⁺ , K ⁺ , Na ⁺ , F , NH4 ⁺ ) gemes- sen werden, Potentiometrie, Radioaktivität usw. sein. In Figur 8B befindet sich das System in einem Außenvolumen (47) welches mit dem Innenvolumen des Reaktionsgefäßes durch die semipermeable Membran (nicht gezeichnet) in Verbindung steht. Das Innenvolumen wird durch eine Pumpe (61 ) kontinuierlich oder periodisch durch eine Messzelle (64) umgewälzt, welche über flüssigkeitsführende Verbindungen (62) an die Öffnungen (36 und 37) angeschlossen ist. Es erfolgt ein Stoffaustausch zwischen dem Innenvolumen und dem Außenvolumen (47) wobei sich die Zusammensetzung der Flüssigkeit im Innenvolumen ändert. Die Flüssigkeit des Innen- volumens kommt hierbei nicht mit der Messeinrichtung selbst in Berührung, sondern nur mit einem, z.B. als Küvette ausgebildeten Hilfsvolumen in der Messzelle (64). Die Messvorrichtung besteht beispielsweise aus einem Emitter (66), welcher einen Lichtstrahl (67) durch die Küvette als Messzelle (64) schickt und mittels des Detektors (68) analysiert wird. Gemessen werden können so beispielsweise, aber nicht ausschließlich: Fluoreszenz, Absorbanz, Farbe, Lumines- zenz, Trübung, optischer Drehwinkel, usw.

Figur 9 zeigt mehrere Bestandteile eines Deckels und dazu gehörigen Funktionsträgers. Wie bereits beschrieben, ist die Analyse und Verfolgung des Stoffaustausches zwischen dem In- nenvolumen und dem Außenvolumen ein wesentlicher Vorteil von Ausführungsformen des er- findungsgemäßen Systems. Die hierzu nötigen Sensoren können Bestandteil des Deckels, des Grundkörpers oder beider Teile sein. Bevorzugt sind sie ein Funktionsmerkmal des Deckels. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Sensoren auf einem Funktionsträger (13) angeord- net. Der Träger enthält eine oder mehrere Sorten von Sensoren, im vorliegenden Beispiel einen Temperatursensor (71 ) sowie zwei flächige Elektroden (72) zur Messung der elektrischen Leit- fähigkeit. Es sind aber auch verschiedene andere Sensoren möglich. Die Sensoren sind mit im Träger eingearbeiteten, gegen die Flüssigkeit elektrisch isolierten Leiterbahnen mit dem proxi- malen Ende des Funktionsträgers (18) verbunden, dessen oberes Ende Kontaktstifte (73) trägt. An diese wird mittels Steckverbindung die Auswerteelektronik der Sensoren angeschlossen.

Die Seitenflächen (74) des Kopfstücks (18) dienen gleichzeitig als Dichtflächen, die ein medien- dichtes Einsetzen des Funktionsträgers (13) in eine entsprechende Aussparung (52) des De- ckels ermöglichen.

Figuren 10A und 10B illustrieren den Anschluss der Sensoren an entsprechende Auswer- teelektronik mittels Kabel (Fig. 10A) oder kabellos mittels Funk, RFID, WLAN, Bluetooth, WiFi, etc. (Fig. 10B). Figur 11 illustriert die optionale Kennzeichnung bzw. Speicherung von Informationen auf dem System, insbesondere auf dem Deckel, z.B. Seriennummer, Membrantyp, auf Beschriftungsfeld (82) in menschen- oder maschinenlesbarer Form (z.B. Strichcode). Auch fälschungssicheres Branding z.B. mittels Hologramm ist erfindungsgemäß. Möglich ist auch die Kennzeichnung bzw. Speicherung von Informationen auf dem System, z.B. Seriennummer, Membrantyp, in ma- schinenlesbarer Form (z.B. RFID-Chip, (81 )).

Figur 12 zeigt weitere Varianten des Grundkörpers des erfindungsgemäßen Systems, insbe- sondere in verschiedenen Größen.

Beispiel

1. Kinetik bei Raumtemperatur

Durchführung einer Dialyse von 0,5 mM pNP (Paranitrophenol) gegen PBS (Phosphate Buffe- red Saline) in Zeitabhängigkeit bei Raumtemperatur in einem erfindungsgemäßen System (XMR-1 ) mit einem Außenvolumen gemäß Figur 4a (n=6). Die Probenmenge im Innenvolumen betrug 15 ml, die Puffermenge in der Hitplate 50 ml. Die Messung erfolgte nach 30, 60, 120, 240, 360, 480 und 1440 min im UV/Vis-Spektrometer Spectramax (Software Softmax Pro 7.0) bei 400 nm.

Die Entwicklung der Extinktion im Laufe der Zeit ist in Figur 13A gezeigt, Figur 13B zeigt die Retention. Bei der Dialyse im XMR-1 wird das Gleichgewicht spätestens nach ca. 24h erreicht. Die im Dialyzer verbliebene Konzentration beträgt nach 24h 25% der Ausgangskonzentration.

2. Dialyse im Kühlschrank und Inkubator

Durchführung einer Dialyse von 0,5 mM pNP gegen PBS in XMR-1 im Kühlschrank (bei 4,8- 7,7°C) und im Inkubator (bei 40,2-42,3°C) (n=3). Die Probenmenge im Innenvolumen betrug 15 ml, die Puffermenge in der Hitplate 50 ml. Die Messung erfolgte nach 60, 120, 240, 480 und 1440 min im UV/Vis-Spektrometer Spectramax (Software Softmax Pro 7.0) bei 400 nm.

Die Entwicklung der Extinktion im Laufe der Zeit ist in Figur 14A gezeigt, Figur 14B zeigt die Retention. Figur 15 zeigt einen Vergleich der Retentionsverläufe in Abhängigkeit von der Tem- peratur. Die Dialyse verläuft im Inkubator signifikant schneller als im Kühlschrank. Im Kühl- schrank wiederrum verläuft die Reaktion langsamer als bei Raumtemperatur. Zur Darstellung im Vergleich bei Raumtemperatur wurden die Werte des in Punkt 1. genannten Versuches ver- wendet. 3. Dialyse unter Probenumwälzung

Durchführung einer Dialyse von 0,5 mM pNP gegen PBS bei Raumtemperatur in XMR-1. Mit Hilfe einer Schlauchpumpe wurde in einem XMR-1 die Probe umgewälzt, wie in Figur 6A ge- zeigt, und in einem weiteren Versuch die Probe mittels Schlauchpumpe mit Luft durchmischt (n=1 , Standard n=2). Die Probenmenge im Innenvolumen betrug 15 ml, die Puffermenge in der Hitplate 50 ml. Die Messung erfolgte nach 60, 120, 180, 240 min im UV/Vis-Spektrometer Spectramax (Software Softmax Pro 7.0) bei 400 nm.

Die Entwicklung der Extinktion im Laufe der Zeit ist in Figur 16A gezeigt, Figur 16B zeigt die Retention. Die Dialyse geht mit Umwälzung signifikant schneller von statten. Im Vergleich der Umwälzung durch Umpumpen der Probe und dem Pumpen von Luft zeigt sich, dass es nach einmaligem Versuch keine deutlichen Unterschiede in der Dialysegeschwindigkeit gibt.

Bezuqszeichenliste

10 System

1 1 Grundkörper

12 Deckel

13 Funktionsträger

14 Funktionsmerkmal

15 Strukturelement

16 Membran

17 Innenvolumen

18 proximales Ende des Funktionsträgers

19 distales Ende des Funktionsträgers

20 Dichtabschnitt

21 Holme

22 Mittelstrebe

23 Öffnung im Grundkörper

24 Einrastöffnung

25 Seitenflächen

26 distaler Abschnitt

27 Funktionsöffnung

31 Vorsprung

32 Dichtfläche

33 Dichtelement

34 Snap-In-Befestigung

35 Dichtabschnitt

36, 37 Funktionsöffnungen im Deckel

38 Einfüllöffnung

39 Haltemittel

41 Mikrotiterplatte

42 Laborgefäß

43 Deckel

44 Aussparung

45 Schwimmer

47 Außenvolumen

51 elektronische Komponenten

52 Aussparung im Deckel

53 Winkelstücke Ausströmer

Anschlussstück

Elektromotor

Propellerrührer

Pumpe

flüssigkeitsführende Verbindung

externes Volumen

Messzelle

Messvorrichtungen

Emitter

Lichtstrahl

Detektor

Sensor

Elektroden

Kontaktierungsmittel

Seitenflächen am proximalen Ende des Funktionsträgers

Datenträger

Beschriftungsfeld