CH676802A5

CH676802A5 -

Info

Publication number: CH676802A5
Application number: CH2609/88A
Authority: CH
Inventors: Karin Golz; Rainer Jung; Sebastian Kaehler; Frank Dr Raddatz; Wilhelm Schelle; Frank Dr Vogel; Renate Winkler
Original assignee: Berlin Kosmetik Veb
Priority date: 1987-07-10
Filing date: 1988-07-08
Publication date: 1991-03-15
Also published as: SE504469C2; ATA131488A; DD284131A7; DE3821354A1; AT396594B; US5074474A; SE8802585D0; FR2618793A1; SE8802585L; FR2618793B1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo besonders effiziente Verfahren zur Herstellung von bioaktiven Suspensionen erforderlich sind. Typische Anwendungsgebiete in der biotechnologischen, kosmetischen und pharmazeutischen Produktion sind deshalb: Desintegration von Zellen verschiedenen Ursprungs, wie Hefen, Bakterien etc. und die Gewinnung von Zellinhaltsstoffen; zum Beispiel Enzymen, Nukleinsäuren und andere physiologisch aktiven Stoffen.

Grundsätzlich lassen sich die geeigneten Verfahren zur Herstellung bioaktiver Suspensionen unterteilen in: herkömmliche mechanische Verfahren und Verfahren, bei denen Ultraschall zur Anwendung kommt.

Industrielle Bedeutung erlangten bisher nur herkömmliche mechanische Verfahren, die üblicherweise Vorrichtungen zur mechanischen Zerstörung beinhalten. Dazu gehören insbesondere Kugelmühlen, Mörser und Extrusionshomogenisatoren. Die in den Erfindungsbeschreibungen DE 3 139 093, DD 216 628 und DE 3 515 231 angegebenen Verfahrensschritte beziehen sich in erster Linie auf Zerkleinerungsmethoden mit Kugelmühlen, zeitlich gestaffelte Temperaturregimes und zusätzlich angewendetes intensives Rühren.

In der PS DE 3 226 016 ist eine Anlage mit einem Extrusionshomogenisator beschrieben, bei dem die Zellen durch einen hohen Druckgradienten, Kavita-tions- und Turbolenzeffekte im engen Spalt zerstört werden.

Ein grundlegender Nachteil dieser Verfahren und Anordnungen besteht darin, dass sie sehr zeitaufwendig sind und ein unbefriedigendes Aufschlussergebnis aufweisen. Nachteilig ist auch, dass in vielen Fällen nur zeitlich dauerhafte organische Verbindungen behandelt werden können. Hinzu kommt, dass die oben genannten mechanischen Verfahren sehr energieaufwendig sind, hohe Anlagen- und Betriebskosten verursachen und ihre Leistungsfähigkeit auf weniger widerstandsfähige Substanzen reduziert bleibt.

Von den möglichen Aufschlussmethoden, bei denen Ultraschallgeräte angewendet werden, sind nur wenige aus der Literatur und Prospekten von Herstellerfirmen bekannt, die sich auf Laboranwendung beschränken. Kennzeichnend für diese Verfahren ist die bekannte Anordnung einer Ultraschallanlage, bestehend aus HF-Generator, elektromechani-schem Wandler mit Arbeitswerkzeug (Sonotrode) und einer Vielzahl meist offener Beschallungsge-fässe, die zusätzlich kühlbar sein können und eine kontinuierliche Beschickung mit dem Medium ermöglichen.

Es sind auch spezielle Beschallungsvorrichtungen (Zellen) bekannt, die direkt an einen elektrome-chanischen Ultraschallwandler gekoppelt sind - PS DE 2 027 533 und DD 2 836 741. Nachteilig ist, dass durch die notwendige Ausführung als wellenlängenabhängiges Resonatorelement keine vorteilhafte konstruktive Dimensionierung des Beschallungsvolumens möglich ist und eine Kühlung entfallen muss.

Aus den technischen Erfindungsbeschreibungen sind viele, für eine Beschallung geeignete Sonotro-denformen bekannt. Entscheidender Nachteil dieser Verfahren und Anordnungen ist ein ungenügendes Aufschlussergebnis von maximal 60%, verursacht dadurch, dass keine den Ultraschalleffekt begünstigenden Mittel eingesetzt werden und die notwendige konstruktive Dimensionierung eines effektiven Beschallungsvolumens nicht berücksichtigt ist.

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Herstellung bioaktiver Suspensionen mittels Leistungsultraschall zu entwickeln, um mit geringem Aufwand ein höchstmögliches Aufschlussergebnis zu erzielen.

Die erfindungsgemässe Aufgabe besteht darin, ein Verfahren, möglichst im Durchfluss und eine dazugehörige Vorrichtung zu entwickeln, bei dem unter Einwirkung von Leistungsultraschall biologisches Material vollständig aktiviert und schonend aufgeschlossen wird.

Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Suspension Ultraschall-Aktivatoren zugesetzt werden. Das Verdrängungsvolumen dieser Ultraschall-Aktivatoren beträgt nicht mehr als ein Sechstel des Behältervolumens. In ihren geometrischen Abmessungen liegen die Ultraschall-Akti-vatoren ca. um zwei Grössenordnungen über der wirksamen Ultraschallamplitude. Zweckmässigerweise bestehen die Ultraschall-Aktivatoren aus weitgehend kavitationsresistentem schallhartem Material, beispielsweise aus Hartkeramik.

Die Ultraschall-Aktivatoren können vielgestaltige Formen aufweisen. Besonders geeignet ist neben der Suspensionsflüssigkeit ein Zusatz von Propylenglykol als Ultraschallaufschlussmedium.

Bei biologischem Material ist eine Kühlung vorteilhaft. Die bevorzugten Temperaturen liegen zwischen 0 und 10 °C. Beide Massnahmen, der Zusatz von Propylenglykol und das Arbeiten bei niedrigen Temperaturen erfolgen, um durch eine Verbesserung der Schalleitung und Erhöhung der dynamischen Trägheit der Zellen eine Zunahme des Ultraschalleffektes im Behälter zu erreichen.

Damit wirken pro Zeiteinheit auf die sich im Behälter befindlichen Mengen an bioaktiver Substanz mehrere den Aufschluss- und Durchmischungspro-zess erhöhende Faktoren. Das Verfahren ist besonders effektiv, wenn es als Durchflussverfahren durchgeführt wird.

Die Suspension wird dazu in einen dickwandigen kugelförmigen Durchflussraum, dessen Durchmesser nicht grösser als das Dreifache der Strahlungsfläche der Sonotrode ist, eingebracht. Die Sonotrode ist so angebracht, dass die Strahlungsfläche annähernd im Mittelpunkt des kugelförmigen Durchflussraumes liegt. Vorzügsweise befindet sich der Zufluss am Boden des Durchflussraumes und der Abfluss oberhalb der Strahlungsfläche der Sonotrode.

Die konstruktive Dimensionierung des kugelförmigen Durchflussraumes, der Sonotrodenstrah-lungsfläche und der Ultraschall-Aktivatoren zueinander ist so ausgelegt, dass die bioaktive Suspension intensiver als bisher hohen Ultraschallamplituden ausgesetzt ist. Dadurch ist nur eine kurze und

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einmalige Beschallung der Suspension erforderlich, auch wenn der Feststoffanteil auf bis zu 50% erhöht wird. Das erfindungsgemässe Verfahren ist damit wesentlich weniger zeit- und kostenaufwendig als die bekannten Verfahren. Durch den Einsatz verschiedener, den Ultraschalleffekt begünstigenden Faktoren, wie zum Beispiel die oben angeführten Ultraschali-Aktivatoren, erhöht sich die Ausbeute auf ca. 100% und es ist selbst bei sehr widerstandsfähigen organischen Substanzen ein sicherer und schneller Aufschluss gewährleistet.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Darstellung der erfindungsge-mässen Vorrichtung.

Eine Hochleistungssonotrode 1 ragt in einen kugelförmigen Durchflussraum 2, in dem sich neben der Suspension 4 Ultraschall-Aktivatoren 3 befinden. Die Suspension 4 wird mittels der Pumpvorrichtung 5 durch die Eintrittsöffnung 7 kontinuierlich in den Durchflussraum 2 gepumpt.

Dabei befindet sich die Strahlungsfläche 9 der Hochleistungssonotrode 1, deren Schwingungsamplitude ca. 50 um beträgt, in der Mitte des kugelförmigen Durchflussraumes 2. Der Durchflussraum 2 hat den dreifachen Durchmesser der Strahlungsfläche 9. Material und Wandung des Durchflussraumes 2 sind technisch so ausgeführt, dass die Schallabsorption auf ein Minimum begrenzt ist. Von Bedeutung für das Verfahren sind die Ultraschall-Aktivatoren 3, die sich ebenfalls im Durchflussraum 2 befinden und ein Sechstel seines Volumens betragen. Bewährt haben sich Ultraschall-Aktivato-ren aus Hartkeramik in Scheibenform, deren Durchmesser das ca. Hundertfache der Ultraschallamplitude beträgt.

Nach der Schalleinwirkung tritt die Suspension aus der Austrittsöffnung 8 aus.

Von besonderem Vorteil ist, der Suspension 15% Propylenglykol zuzugeben und ausser dem Durchflussraum 2 bereits die Zuführung 10 mit der Kühleinrichtung 6 zu kühlen, so dass die Suspension 4 schon beim Eintritt in den Durchflussraum 2 eine Temperatur von ca. 4 °C hat. .

Bezugszeichenaufstellung

1 Hochleistungssonotrode

2 Durchflussraum, kugelförmig

3 Ultraschall-Aktivatoren

4 Suspension

5 Pumpeinrichtung

6 Kühlvorrichtung

7 Eintrittsöffnung

8 Austrittsöffnung

9 Strahlungsfläche der Sonotrode

10 Zuführung

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung bioaktiver Suspensionen, mittels Leistungsultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass der Suspension Ultraschall-Aktivatoren zugesetzt werden.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallaufschlussmedien verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Ultraschallaufschlussmedium Propylenglykol zugesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungsvolumen der Ultraschall-Aktivatoren nicht mehr als ein Sechstel des Behältervolumens beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Akti-vatoren vielgestaltig sind und in ihren geometrischen Abmessungen um zwei Grössenordnungen über der wirksamen Ultraschallamplitude liegen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ultraschall-Akti-vatoren aus weitgehend kavitationsresistentem schallhartem Material, beispielsweise Hartkeramik, bestehein.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Kühlung vorzugsweise bei 0 bis 10°C durchgeführt wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend einen Behälter mit Zu- und Abfluss, einen HF-Generator, ein elektromechanisches Wandlersystem, eine Hochleistungssonotrode (1) sowie eine Pumpeinrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, dass als Behälter ein dickwandiger, kugelförmiger Durchflussraum (2) eingesetzt ist, dessen Durchmesser nicht grösser als das Dreifache der Strahlungsfläche (9) der Sonotrode beträgt und in dem die Sonotrode so angeordnet ist, dass ihre Strahlungsfläche annähernd im Mittelpunkt liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zufluss (10) am Boden des kugelförmigen Durchflussraumes und der Abfluss (8) oberhalb der Strahlungsfläche der Sonotrode befindet.

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