DE102008047902A1 - Bausatz für Reaktoren und Reaktor - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bausatz aus einer Vielzahl von Elementen, die sich gestapelt zu einem Reaktor zusammensetzen lassen, sowie einen zugehörigen Reaktor. Die Reaktoren lassen sich in funktioneller Reihenfolge und Volumen anpassbar zusammensetzen. Durch fluidische Querverbindungen lassen sich mehrere einzelne Reaktoren untereinander zu einem Reaktorsystem höherer Ordnung verbinden. Insbesondere weist ein Bausatz zum Aufbauen eines Reaktors mindestens zwei stapelbare Elemente auf, die so ausgebildet sind, dass sie sich fluiddicht gegeneinander abschließend zu einem Reaktor mit integrierten Kanälen, einer Reaktorkammer anpassbaren Volumens und Zugangsverbindungen zwischen den Kanälen und Reaktorkammer zusammensetzen lassen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Bausatz aus einer Vielzahl von Elementen, die sich gestapelt zu einem Reaktor zusammensetzen lassen sowie einen zugehörigen Reaktor. Die Reaktoren lassen sich in funktioneller Reihenfolge und Volumen anpassbar zusammensetzen. Durch fluidische Querverbindungen lassen sich mehrere einzelne Reaktoren untereinander zu einem Reaktorsystem höherer Ordnung verbinden.
  • Derartige Reaktoren und Reaktorsysteme höherer Ordnung können für biologische, biochemische, chemische und physikalische Prozesse sowie als elektrochemische Testzellen mit kontrollier- und steuerbaren Prozessparametern eingesetzt werden. Der modulare Aufbau erlaubt eine flexible Anpassung an das durchzuführende Experiment. Insbesondere für die parallelisierbare Verfahrensentwicklung und die kostengünstige Erprobung von Bioprozessen finden Miniatur-Bioreaktoren weit verbreitet Anwendung, wie dies beispielsweise aus dem Artikel J. I. Betts et al., Microb. Cell Fact., 2006, vol. 5, hervorgeht.
  • In EP 0 688 242 B1 wird ein modular aufgebautes chemisches Mikroreaktorsystem höherer Ordnung beschrieben, das aus einzelnen Scheiben zusammengefügt wird. Ein durchgehender Kanal, der zwischen benachbarten Plättchen genau orientiert ist, ermöglicht den fluidischen Transport. Entsprechend sind Räume zwischen benachbarten Platten geschaffen, um fluidische und reaktionstechnische Grundoperationen durchzuführen. Aufgabe dieses bekannten Mikroreaktors ist es, diese integrierten Grundoperationen, wie Mischen, Analyse, Separation und Reaktionsführung als Prozesskette vollständig in einem zusammengefügten Reaktorsystem umzusetzen. Die einzelnen Elemente sind in dem Sinne kombinierbar, dass sich eine fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Scheiben realisieren lässt. Die einzelnen Reaktorkammern sind durch die Auslegung der einzelnen Scheiben bereits bei der Herstellung der Scheiben vordefiniert. Sie können beim späteren Zusammenbau weder in ihrer Funktion noch in ihrer Größe variiert werden.
  • In der US 5 580 523 wird ein Reaktorsystem beschrieben, das aus einzelnen Reaktoren mit Analyse-, Separations- und Reaktionskammern besteht, die auf einer fluidischen Montageplatte zu einem Durchflussreaktorsystem zusammengesetzt sind. Das System wird in dieser Druckschrift als modularer Bausatz für chemische Reaktionen bezeichnet. Unter einem modularem Bausatz wird dabei verstanden, dass verschiedene Reaktoren auf einer Monta geplatte nach Belieben zusammengeschlossen werden können, wobei über den Aufbau der einzelnen Reaktoren keine Aussage getroffen wird.
  • In der DE 198 28 995 A1 wird ein Mikroreaktionssystem höherer Ordnung mit einem Mechanismus zur Aufnahme und Abgabe von Flüssigkeiten beschrieben. Ähnlich wie bei der Anordnung gemäß der US 5 580 523 basiert der Systemverbund auf einer Art fluidischen Montageplatte, die benachbarte Mikroreaktoren verknüpft. Das beschriebene Verfahren ermöglicht einen Fluid-Austausch mit der Montageplatte durch eine äußere Kraft wie einen Druckluftstoß oder eine lokale Wärmezufuhr.
  • In der DE 199 17 330 B4 wird ein Verbindungssystem beschrieben, welches einzelne Reaktoren für die Durchführung chemischer und/oder biochemischer Reaktoren formschlüssig zu einem Mikroreaktorsystem höherer Ordnung zusammengefügt. Hier erfolgt die Verbindung nicht über eine fluidische Montageplatte, sondern über einen durch die Seitenwände der einzelnen Reaktionskammern verlaufenden Verbindungskanal.
  • Die bekannten Reaktoren weisen aber insbesondere für den Einsatz in Forschung und Entwicklung den Nachteil auf, dass sie zu wenig flexibel erweiterbar und zu teuer sind.
  • Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, einen Weg aufzuzeigen, wie Reaktoren wesentlich flexibler, kostengünstiger und anwenderfreundlicher herstellbar sind.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Bekannte Systeme sind so konzipiert, dass aus einzelnen Reaktoren zusammengesetzt Reaktormodule gebildet werden. Demgegenüber basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, die Grundeinheit „Reaktor” in weitere Untereinheiten zu unterteilen: Reaktoren werden erfindungsgemäß aus einer Vielzahl von stapelbaren Elementen zusammengesetzt, die sowohl in ihrer Gestalt und hinsichtlich ihres Materials wie auch in ihrer Anzahl weitgehend beliebig kombinierbar sind.
  • Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es daher, Elemente bereitzustellen, die in variabler Reihenfolge aufeinandergestapelt einen Reaktor mit Reaktionskammer und integrierten Begasungs- und Zugangskanälen ergeben. Der Reaktor kann in Volumen und Funk tionalität an die experimentellen Anforderungen anpassbar sein und mit weiteren Reaktoren zu einem Reaktorsystem höherer Ordnung zusammengeschlossen werden. Der Reaktor kann nach Gebrauch wieder in die einzelnen Elemente zerlegt werden, wobei diese Elemente mehrfach verwertbar sein können.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Elemente mit einer Aussparung, die z. B. einen rechteckförmigen, insbesondere einen abgerundeten quadratischen Querschnitt hat, und Bohrungen versehen. Aufeinandergestapelt bilden die quadratischen Aussparungen der Einzelelemente eine Reaktorkammer aus. Selbstverständlich können für die Reaktorkammer auch beliebige andere Querschnittsformen (länglich, elliptisch, kreisförmig etc.) vorgesehen sein. Die Bohrungen befinden sich seitlich der Aussparung für die Reaktorkammer und bilden ein vertikales Kanalsystem, d. h. ein Kanalsystem, dessen Richtung mit der Richtung übereinstimmt, in welcher die einzelnen Elemente aufeinander gestapelt werden. Durch Vertiefungen und/oder Aussparungen in einzelnen Elementen werden Verbindungen zwischen den Kanälen und der Reaktorkammer geschaffen.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein zusammenhängender dichter Reaktor dadurch erhalten, dass die einzelnen Elemente mittels Schrauben zusammengespannt werden. Dies stellt eine sehr einfache, kostengünstige und jederzeit leicht demontierbare Variante dar.
  • Weiterhin kann die Dichtigkeit des Reaktorgefäßes durch die abwechselnde Verwendung eines harten Materials und eines weicheren Dichtungsmaterials erhöht werden.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit nach außen reichenden Durchgangslöchern wird eine fluidische Verbindung und Verknüpfung des Reaktors, beispielsweise durch eine Verschraubung, mit benachbarten Reaktoren zu einem Reaktorsystem höherer Ordnung ermöglicht.
  • Zur Separation der Reaktormedien bei gleichzeitiger ionischer Verbindung zweier benachbarter Reaktoren kann eine Ionenaustauschmembran zwischen den Reaktoren angebracht werden.
  • Die Integration von Sensorik, insbesondere optischer Sensorik, hat sich als besonders zweckmäßig für die Prozesskontrolle erwiesen. Hierfür wird in vorteilhafter Weise eine transparentes Bodenelement vorgesehen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform für (bio-)elektrochemische Messungen werden zwei über Ionenaustauschmembranen verbundene Elektroden-Kompartimente zur jeweils anderen Seite über eine weitere Ionenaustauschmembranen mit Referenzelektroden verbunden. Die Messung der Elektroden-Potentiale gegen die jeweils benachbarte Referenzelektrode erlaubt eine vom Membranwiderstand unabhängige Bestimmung der Zellspannung.
  • Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Grundelements ohne spezielle zusätzliche Funktion;
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Düsen-Elements;
  • 3 eine perspektivische Ansicht eines Verbindungselements;
  • 4 eine perspektivische Ansicht eines Dichtungselements;
  • 5 eine perspektivische Ansicht eines Bodenelements;
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines Deckelelements für den Fall eines Reaktors ohne separat abnehmbaren Deckel;
  • 7 eine perspektivische Ansicht eines zusammengesetzten Reaktors;
  • 8 eine Darstellung eines Messaufbaus für elektrochemische Experimente mit Referenzelektroden;
  • 9 eine graphische Darstellung des Sauerstoffeintrags (kLa-Wert) als Funktion der Strömungsgeschwindigkeit;
  • 10 das Mischverhalten des Bioreaktors bei eingeschalteter Begasung mit Luft (11 ml min–1) im Vergleich zu einem nicht begasten Reaktor;
  • 11 die Entwicklung der Biomassenkonzentration, der Sauerstoff-Sättigung und des pH-Wertes während der Fermentation von E. coli;
  • 12 einen Vergleich von kohlenstoffbasierten Elektrodenmaterialien als Kathode mit adsorbierter Laccase als enzymatischem Katalysator;
  • 13 das Verhalten einer mikrobiellen Anode bei Zugabe einer lebenden (Vierecke) oder abgetöteten (Dreiecke) Wildtyp-Kultur von S. oneidensis als Katalysator unter Last.
  • Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Figuren vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1 zeigt ein Grundelement 102, das durch seine rechteckförmige Aussparung 104 einen Reaktorraum ohne zusätzliche spezielle Funktion definiert. Die beiden Bohrungen 105 bilden mit ihren oberen und unteren Nachbarn Kanalverbindungen für Begasung und/oder Medienzugang oder Medienaustausch. Die äußeren vier Bohrlöcher 106 erlauben eine Verschraubung der einzelnen Elemente. Die zentrale rechteckförmige, hier abgerundete, Aussparung 104 bildet mit seinen oberen und unteren Nachbarn die Reaktorkammer aus.
  • 2 zeigt ein Düsen-Element 108. Bohrungen in darüber oder darunter liegenden Elementen bilden einen Kanal aus, der bei der Düse 110 sein Ende findet. Über die Düse gelangen Gasblasen in den Reaktor. Diese können sowohl der Begasung als auch der Durchmischung des Reaktormediums dienen.
  • 3 zeigt ein Verbindungselement 112. Vom zentralen Reaktorbereich 111 führt eine quer zu der Stapelrichtung verlaufende Bohrung 113, welche einen Kanal bildet, durch die Seitenwand des Elementes hindurch und kann über Verschraubungen, die durch seitliche Bohrungen 115 verlaufen, verspannt mit benachbarten Elementen verbunden werden.
  • 4 zeigt ein Dichtungselement 114, das eine fluidisch abgedichtete Verbindung mit benachbarten Reaktoren ermöglicht. In der Mitte befindet sich der fluidische Durchgang, außen befinden sich Durchgänge für die Schraubverspannung.
  • 5 zeigt eine erste Ausführungsform eines Bodenelements 116. Über dem Quadrat in der Mitte befindet sich die Reaktorkammer. Optische Sensorspots 120 erlauben eine Messung von pH-Wert und Sauerstoffkonzentration. Selbstverständlich können aber auch jegliche andere Sensortechnologien, beispielsweise auf holographischer, amperometrischer oder potentiometrischer Basis, eingebaut werden. Wird der Reaktor ohne separat abnehm baren Boden realisiert, so befinden sich Gewinde in den vier äußeren Bohrungen, um die Verschraubung zu sichern.
  • 6 zeigt ein Deckelelement 118 für den Fall eines Reaktors ohne separat abnehmbaren Deckel. Die äußeren vier Löcher 106 sind als Durchgang für die Schraubverspannung vorgesehen. Die anderen Bohrungen 107 sind als Gewinde ausgeführt und ermöglichen beispielsweise über Luer-Lock-Verbinder einen flexiblen Anschluss von Begasung, Sterilfiltern oder eines Septumsverschlusses für sterile Probennahme.
  • 7 zeigt einen zusammengesetzten Reaktor 100 bestehend aus den zuvor beschriebenen Elementen. Bodenelement 116 und Deckelelement 118 sind im Unterschied zu den Ausführungsformen aus 5 bzw. 6 so ausgestaltet, dass durch eine zusätzliche Schraubverbindung, Boden und Deckel separat vom Rumpf des Reaktors abnehmbar sind. Ein abwechselndes Stapeln von harten Elementen aus Polycarbonat und dünneren Dichtungselementen aus Silikon oder Viton® erlauben den Aufbau eines fluidisch dichten Reaktors.
  • Insbesondere kann für die nichtelastischen Elemente Polycarbonat (Makrolon®) in verschiedenen Dicken (z. B. 3 mm, 5 mm, 12 mm) verwendet werden und mittels an sich bekannter Bearbeitungstechniken wie z. B. Wasserstrahlschneiden, Fräsen und Bohren, strukturiert werden. Für die elastischen Dichtelemente kann z. B. Silikonfolie mit einer Dicke von 2 mm oder Viton®-Folie mit einer Dicke von 1 mm verwendet werden, die mit Hilfe von Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden strukturiert wird. Selbstverständlich kann auch mittels abgeschiedener Schichten auf den nichtelastischen Elementen oder hochpräzise bearbeiteter Metalloberflächen die erforderliche Fluiddichtigkeit erreicht werden. Auch nicht spanende Verfahren wie z. B. Spritzguss können zur Herstellung der einzelnen Elemente vorteilhaft eingesetzt werden.
  • Mit Bezug auf die 7 bis 13 soll nachfolgend anhand eines Prototypen eine spezielle Ausführungsform eines Reaktorsystems 200 beschrieben werden, deren Reaktoren 100 nach dem erfindungsgemäßen Baukastenprinzip hergestellt wurden.
  • Reproduzierbare Untersuchungen an Bio-Mikrosystemen erfordern einen sehr flexiblen und vollständig charakterisierten experimentellen Aufbau, der in seinen Eigenschaften einem Bioreaktor entspricht. Zu diesem Zweck wurde gemäß der vorliegenden Erfindung ein Miniatur-Bioreaktor entwickelt, der aus Bausatz-Elementen zusammengesetzt wird. Der modu lare Aufbau ermöglicht eine Anpassung in Volumen und verfügbaren Schnittstellen für Begasung, Medienwechsel, Sensorik und Probenahme. Ferner können mehrere einzelne Bioreaktoren zusammengeschlossen betrieben oder für elektrochemische Messungen über Membranen gekoppelt werden.
  • Die Charakterisierung des Reaktors ergibt kLa-Werte und Mischzeiten, die im üblichen Bereich für nicht-modulare Blasensäulenreaktoren liegen. Die vielseitige Anwendbarkeit des neuen Systems wurde anhand der Wachstumskurve einer Escherichia coli Kultur sowie durch elektrochemische Untersuchungen an einer enzymatischen Kathode und einer mikrobiellen Anode für Bio-Brennstoffzellen demonstriert.
  • Parallelisierbare Verfahrensentwicklung und kostengünstige Erprobung von Bioprozessen haben Miniatur-Bioreaktoren in der Biotechnologie unerlässlich gemacht. Einzelne Herstellungsschritte für pharmazeutische, kosmetische oder andere Fermentationsprodukte werden in Reaktoren mit kleinen Volumina optimiert und anschliessend auf große Produktionsreaktoren übertragen.
  • Im Allgemeinen werden Bioreaktoren nach ihrem Misch-Mechanismus in Rührkessel-, Schüttel- und Blasensäulen-Reaktoren unterteilt. In Blasensäulen-Reaktoren steigen Blasen vom Reaktorboden aus auf und versorgen somit das System mit Sauerstoff und bewegen gleichzeitig das Medium. Vorteile von Blasensäulenreaktoren sind ihre geringe Reparaturanfälligkeit, Langlebigkeit und geringen Betriebskosten, da sie ohne bewegliche mechanische Teile auskommen.
  • Herkömmliche Bioreaktoren werden in der Regel als Glaskörper mit festen Anschlüssen gefertigt. Sie sind hinsichtlich Sauerstofftransfer und Mischverhalten optimiert, lassen sich aber nur schwer an spezifische experimentelle Bedürfnisse anpassen. In grundlegenderen Forschungs- und Entwicklungsfragen von Bio-Mikrosystemen, in denen Flexibilität gefragt ist, werden daher häufig provisorisch ausgelegte Aufbauten verwendet. Bei Untersuchungen an Bio-Brennstoffzellen kann dies dazu führen, dass durch einen zu geringen Sauerstoffeintrag oder zu hohen Membranwiderstand die erzielbaren Leistungsdichten künstlich limitiert werden.
  • Im Folgenden wird die Realisierung eines Blasensäulen-Reaktors aus den erfindungsgemäßen Bausatz-Elementen erläutert und hinsichtlich Sauerstoff-Transfer und Mischzeit charakterisiert. Neben einer beispielhaften Fermentation mit E. coli wird die spezielle Eignung des Bioreaktorsystems für elektrochemische Experimente anhand zweier Untersuchungen an Bio-Brennstoffzellen demonstriert.
  • Polycarbonat-Elemente aus Makrolon® der Dicke 5 mm sowie Dichtungselemente (1 bzw. 2 mm Dicke) aus Viton-(Lézaud & Co Marpingen) und Silikonfolie wurden mittels Wasserstrahl geschnitten. 12 mm dicke Polycarbonat-Elemente wurden gefräst. Silikon-Schläuche sowie Luer-Lock Verbindungen wurden von Novodirekt (Kehl) geliefert. In den Experimenten kamen zwei Sterilfiltersysteme mit jeweils 0,2 μm Poren zum Einsatz: Puradisc (Whatman, Dassel) und Midisart 2000 (Sartorius, Göttingen). Sauerstoffkonzentrationen und pH-Werte wurden mit den Sensorspot-Systemen Oxy-4 mini und pH-1 mini von PreSens – Precision Sensing GmbH (Regensburg) ausgelesen. Ein InoLab® 720 Mess-System von WTW (Weilheim) wurde zur elektrochemischen pH-Wert Bestimmung verwendet. Gas-Proportionierer von ANALYT-MTC (Müllheim) wurden zur Einstellung der Sauerstoff-Konzentration eingesetzt.
  • Die Sauerstoff-Transfer-Rate (kLa) wurde mittels der Dynamischen Sauerstoff Methode bestimmt. Hierzu wurde ein einzelner Reaktor mit Stickstoff gespült, bis sich eine Sauerstoffsättigung unter 0,1% einstellte. Anschließend wurde der Reaktor mit reinem Sauerstoff begast. Die Gasflussrate wurde über einen Gasproportionierer kontrolliert. Aus dem resultierenden exponentiellen Anstieg zwischen 20% und 80% Sauerstoffsättigung wurden kLa-Werte errechnet.
  • Für die Wachstumskurve mit E. coli wurden 7 ml LB-Medium (Sigma-Aldrich, Taufkirchen) mit 50 μg/ml Ampicillin (Roche, Mannheim) und 0,2 ml einer Übernachtkultur von E. coli JM109 mit Kontrollvektor pGEM-3Z (beides Promega, Mannheim) angeimpft und bei 37°C unter Begasung mit Luft kultiviert. Stichproben von 0,15 ml wurden in „UV-Küvetten mikro” (Brand, Wertheim) hinsichtlich ihrer optische Dichte bei 650 nm (UV300, Unicam Instruments, Cambridge, UK) untersucht. Die Messwerte wurden mittels der im Anschluss bestimmten Biotrockenmasse in Biomassekonzentrationen umgerechnet.
  • Für enzymatische Kathoden wurden 20 U Laccase von Trametes versicolor in 100 mM Citratpuffer (beides Sigma-Aldrich, Taufkirchen) bei pH = 5 und Raumtemperatur verwendet und mit Luft begast. Die Kompartimente wurden durch Membranen aus Fumapem F-950® (FuMA-rech, St. Ingbert) getrennt. Elektroden aus Graphitvlies (Alfa Aesar, Karlsruhe), HOPG (highly ordered pyrolytic graphite, SPI supplies, West Chester, PA, USA) und Stücken von porösen Kohlenstoffröhren (Novasep, Epone, Frankreich) wurden zur elektri schen Kontaktierung mit Leit-C (Piano, Wetzlar) an Platindraht (Chempur, Karlsruhe) geklebt.
  • Für mikrobielle Anoden wurde Shewanella oneidensis anaerob in Minimalmedium mit 50 mM Natrium-Lactat und 100 mM Fumarat angezogen. Diese Kultur (OD600: 0,3) wurde in Mineralmedium ohne Lactat und Fumarat gewaschen, in den Bioreaktor überführt und bei Raumtemperatur unter Begasung mit Stickstoff inkubiert. Die Kompartimente waren durch Nafionmembranen (Quintech, Göppingen) getrennt, die elektrische Kontaktierung der Graphitvlies-Elektroden erfolgte wie für enzymatische Elektroden beschrieben. Um den Versuch zu starten, wurde Natrium-Lactat (50 mM) zugegeben.
  • Galvanostatische Lastkurven wurden durch Messung der Elektrodenpotentiale gegen Referenzelektroden (SCE, KE 11, Sensortechnik Meinsberg GmbH, Ziegra-Knobelsdorf) unter stufenweise erhöhter galvanostatischer Last bestimmt. Im Falle enzymatischer Kathoden wurde die Last jede Stunde um 5 μA heraufgesetzt und der letzte Wert in die Lastkurve eingetragen. Während der Untersuchung der mikrobiellen Anoden wurde mit Datennahme und Lastwechsel gewartet bis das Elektrodenpotential um weniger als 4 mV/Std schwankte. Die Einstellung der galvanostatischen Lasten erfolgte über einem Stimulus-Generator (STG2008, Multichannel Systems, Reutlingen). Für die Datennahme wurde ein Keithley 2700 Datennahme-System (Keithley, Gemering) verwendet.
  • Die Reaktorkammern des Miniatur-Bioreaktors werden wie in 7 gezeigt aus abwechselnd aufeinandergestapelten Polycarbonat-Elementen und Silikon-Dichtungen gebildet. Bohrungen in den aufeinanderliegenden Elementen bilden die für Begasung und Mediumszugang notwendigen Kanäle. Funktionen wie Düsen oder Mediumszugang sind als Strukturen in die Dichtungs-Elemente eingearbeitet. Die notwendige Durchmischung des Mediums wird, wie bei Blasensäulen-Reaktoren üblich, durch aufsteigende Blasen bewirkt.
  • Wie aus 7 erkennbar, weist der Miniatur-Bioreaktor einen Begasungskanal, eine Düse, einen Medienzugang, einen Medien-Port und einen Verbindungskanal zu benachbarten Zellen auf. Deckel- und Bodenplatte sind für eine vereinfachte Handhabung separat verschraubt. 8 zeigt den Aufbau für elektrochemische Experimente mit zwei Referenzelektroden 124.
  • Am Deckel stehen Luer-Lock Verbindungen für Medienwechsel, Gaszufuhr und -abfuhr sowie für einen Septumsanschluss zur sterilen Probennahme zur Verfügung. Auf der Bodenplatte befinden sich optische Sensorspots, die eine kontinuierliche Aufzeichnung von Sauerstoff-Konzentration und pH-Wert von außen ermöglichen. Alle Anschlüsse befinden sich an der Ober- und Unterseite, so dass einzelne Reaktorkammern nebeneinander aufgebaut und über ein Verbindungs-Element zu größeren Systemen zusammengeschlossen werden können.
  • Mittels einer ionenleitenden Membran lassen sich einzelne Reaktorkammern mit unterschiedlichen Medien bei gleichzeitiger ionischer Verbindung betreiben. Für elektrochemische Experimente werden zwei Reaktorkammern (Anoden- und Kathoden-Kompartiment) mit zwei Referenzelektroden-Halterungen als seitlichen Abschluss verwendet (siehe 8). Die separate Messung der Elektrodenpotentiale gegen Referenzelektroden ermöglicht eine vom Membranwiderstand unbeeinflusste Bestimmung der Zellspannung.
  • Durch Mischen von Luft mit Stickstoff mittels Gas-Proportionierer lassen sich der Partialdruck von Sauerstoff in der Gaszuleitung sowie auch der Sauerstofftransfer ins Reaktorsystem regulieren. Zwischen Gas-Proportionierer und Bioreaktor durchströmt das Gas eine 60 cm hohe mit Wasser gefüllte Blasensäule. Hierdurch wird das zugeführte Gas mit Wasser gesättigt. Dies verhindert ein durch Flüssigkeitsaufnahme verursachtes Austrocknen. Über Sterilfilter tritt das Gas nach Durchlaufen der Bioreaktor-Peripherie in den sterilen Reaktorbereich ein.
  • 9 zeigt die Abhängigkeit der gemessenen kLa-Werte von der eingestellten Strömungsgeschwindigkeit der Blasen an der Düse. Mit 2,5 × 10–3 s–1 bei 0,2 m s–1 Strömungsgeschwindigkeit liegt der kLa-Wert etwas tiefer als bei modernsten Reaktoren, jedoch noch im für Blasensäulenreaktoren üblichen Bereich. Bei Blasensäulenreaktoren lässt sich für die Abhängigkeit des kLa-Wertes von der Strömungsgeschwindigkeit u meist ein einfaches Potenzgesetz der Art kLa = cub angeben. Die hier erhaltenen Daten zeigen einen zu u0,4 proportionalen Zusammenhang.
  • Zur Darstellung des Mischverhaltens wurden 0,1 ml verdünnte Tintenlösung zu 7 ml deionisierten Wasser in den Reaktor gegeben. 10 zeigt, dass im Falle einer Blasen getriebenen Bewegung des Reaktormediums bereits nach 2 s keine Schlieren mehr zu identifizieren sind. Ohne Begasung sind nach 30 s noch deutliche Schlieren zu erkennen.
  • 11 zeigt die aufgenommene Wachstumskurve der E. coli-Fermentation. Die Zunahme der Biomassenkonzentration sättigt nach sechs Stunden bei 17 g l–1. Während der Kultivierung wurden die Sauerstoffsättigung und der pH-Wert mittels optischer Sensorik aufgezeichnet. Die Sauerstoffsättigung nimmt während der Wachtumsphase stark ab und erholt sich, sobald die Wachtumsrate sinkt. Der pH-Wert entwickelt sich parallel zum Verlauf der Biomassenkonzentration und steigt von 7,1 auf 8,8 an. Die Beobachtungen aus 10 und 11 entsprechen den in der Literatur gezeigten Verläufen. Dabei zeigt 10 das Mischverhalten des Bioreaktors bei eingeschalteter Begasung mit Luft (11 ml min–1) im Vergleich zu einem nicht begasten Reaktor. 11 zeigt die Entwicklung der Biomassenkonzentration, der Sauerstoff-Sättigung und des pH-Wertes während der Fermentation von E. coli.
  • Mit der in 8 gezeigten Aufbauvariante werden nachfolgend Untersuchungen an enzymatischen und mikrobiellen Bio-Brennstoffzellen beschrieben. Die Trennung der einzelnen Kompartimente durch Membranen in Kombination mit dem Einsatz von Referenzelektroden erlaubt, Anode und Kathode unabhängig voneinander zu charakterisieren. Somit kann der Einfluss verschiedener Parameter auf die Leistungsfähigkeit einer einzelnen Elektrode untersucht werden.
  • Die enzymatische Biobrennstoffzellen-Kathode enthält Laccase als Katalysator. Das Enzym Laccase reduziert selektiv Sauerstoff zu Wasser und kann nach Adsorption Elektronen ohne Mediator mit einer Kohlenstoff-Elektrode austauschen. Dabei hängt die Leistungsfähigkeit der Kathode auch von der Beschaffenheit des Elektrodenmaterials ab.
  • Allerdings sind solche in der Literatur beschriebenen Kathoden, mit den unterschiedlichsten Anoden kombiniert und nicht unabhängig von diesen untersucht. Mit dem beschriebenen Aufbau wurden Kathoden mit verschiedenen Elektrodenmaterialien ohne Anoden-Einflüsse charakterisiert und konnten damit erstmals direkt verglichen werden. Wie in 12 erkennbar, ist das Kathodenpotential von Elektroden aus dreidimensionalen Materialien deutlich höher als das von Elektroden aus zweidimensionalen Materialien. Die bessere Leistung wird bedingt durch die höhere spezifische Oberfläche.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde eine mikrobielle Biobrennstoffzellen-Anode mit S. oneidensis als Katalysator aufgebaut. Mikroorganismen als Anoden-Katalysatoren stellen besondere Anforderungen an den Versuchsaufbau. Zum einen ist für die Kultivierung ein Bioreaktor nötig, der sterile kontrollierte Bedingungen bereitstellt. Zusätzlich müssen anaerobe Bedingungen garantiert werden, um Leistungsverlust durch direkten Transfer der Elektronen auf Sauerstoff zu verhindern.
  • In mikrobiellen Biobrennstoffzellen werden meist Eisenreduzierer wie das γ-Proteobakterium S. oneidensis eingesetzt. 13 zeigt eine deutliche Absenkung des Anodenpotentials durch den Stoffwechsel von S. oneidensis. Durch den Vergleich von Anoden mit verschiedenen Mutanten wird untersucht, welche Gene für den mediatorlosen Elektronentransfer zur Elektrode verantwortlich sind. Dabei wird die Spezifität von Mutanten in potentiellen Cytochromen der äußeren Zellmembran gegenüber metallischen Elektronenakzeptoren erfasst.
  • Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass für die Charakterisierung von Bio-Mikrosystemen ein Bioreaktor entwickelt wurde, der aus aufeinander gestapelten Bausatz-Elementen flexibel aufgebaut werden kann. Dieser zeigte mit einem kLa-Wert von 0,3 × 10–2 s–1 und einer Mischzeit von unter 2 s bei 11 ml min–1 Gasfluss Eigenschaften, die vergleichbar zu konventionellen Blasensäulen-Reaktoren sind. Mittels Wachstumskurve einer E. coli-Kultur und Bio-Brennstoffzellen Untersuchungen wurde die vielseitige Anwendbarkeit des Systems demonstriert. Weitere Verbesserungen dieser lediglich das Funktionsprinzip demonstrierenden experimentellen Ergebnisse sind bei entsprechender Optimierung der biologischen, chemischen und geometrischen Parameter zu erreichen.
  • Durch weitere Ergänzungen wie beispielsweise automatisierte Probennahme, holographische Sensorik oder automatisierbare pH-Regulierung kann der vorgestellte Aufbau zu einem komplexen Reaktorsystem höherer Ordnung ausgebaut werden. Auch Untersuchungen von elektrochemischen Reaktionsprodukten oder Zytotoxizitäts-Untersuchungen von Implantat-Elektroden können mit diesem System durchgeführt werden.
  • Die vorliegende Erfindung bietet zusammenfassend gegenüber bekannten Lösungen die folgenden Vorteile:
    Der Einsatz verschiedener aufeinander genormter Elemente aus einer Art Bausystem erlaubt sowohl eine Volumenanpassung durch die Anzahl eingebauter Elemente, wie auch eine funktionelle Anpassung durch Auswahl und Einbaureihenfolge der Bausatz-Elemente.
  • Der Reaktor kann nach Gebrauch demontiert und bei entsprechender Materialauswahl können alle Elemente wiederverwendet werden.
  • Bei entsprechender Auswahl des Materials kann der Reaktor autoklaviert werden. Die einzelnen Elemente lassen sich derart verbinden, dass der Reaktor anschliessend steril oder auch unter anaeroben Bedingungen betrieben werden kann.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere bei einem Bausatz zum Herstellen von Miniatur-Reaktoren zum Tragen. Jedoch ist das Prinzip nicht auf eine bestimmte Reaktorgröße beschränkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0688242 B1 [0003]
    • - US 5580523 [0004, 0005]
    • - DE 19828995 A1 [0005]
    • - DE 19917330 B4 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - Artikel J. I. Betts et al., Microb. Cell Fact., 2006, vol. 5 [0002]

Claims (17)

  1. Bausatz zum Aufbauen eines Reaktors (100), wobei der Bausatz eine Vielzahl von stapelbaren Elementen aufweist, die so ausgebildet sind, dass sie sich fluiddicht gegeneinander abschliessend zu einem Reaktor mit integrierten Kanälen, einer Reaktorkammer anpassbaren Volumens und Zugangsverbindungen zwischen Kanälen und Reaktorkammer zusammensetzen lassen.
  2. Bausatz nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der stapelbaren Elemente eine Aussparung (104) zum Ausbilden einer Reaktorkammer aufweist.
  3. Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eines der stapelbaren Elemente mindestens eine Bohrung (105) zum Ausbilden eines Teils eines Fluidkanals, der entlang einer Stapelrichtung verläuft, aufweist.
  4. Bausatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der stapelbaren Elemente mindestens eine Vertiefung und/oder Öffnung (113) zum Ausbilden eines Teils eines Fluidkanals, der quer zu einer Stapelrichtung verläuft, aufweist.
  5. Bausatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der stapelbaren Elemente aus einem harten Material hergestellt ist.
  6. Bausatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der stapelbaren Elemente aus einem elastischen Dichtungsmaterial hergestellt ist.
  7. Bausatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der gestapelten Elemente zumindest teilweise aus einem lichtdurchlässigen Material zum Ankoppeln einer optischen Sensorvorrichtung hergestellt ist.
  8. Bausatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der gestapelten Elemente mindestens ein nach außen offenes Durchgangsloch zum Verknüpfen des aufgebauten Reaktors mit einem weiteren Reaktor aufweist.
  9. Bausatz nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der gestapelten Elemente mindestens eine als Düse (110) geformte Kanalstruktur aufweist.
  10. Reaktor, der modular aus einem Bausatz mit einer Vielzahl von gestapelten Elementen gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zusammengesetzt ist.
  11. Reaktor nach Anspruch 8, wobei die gestapelten Elemente abwechselnd aus einem harten Material und einem elastischen Dichtungsmaterial hergestellt sind.
  12. Reaktor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei eines der Elemente ein Deckelelement ist und eines der Elemente ein Bodenelement ist und wobei das Deckelelement und/oder das Bodenelement separat mit dem übrigen Reaktor verschraubt sind.
  13. Reaktorsystem höherer Ordnung, das mindestens zwei Reaktoren nach einem der Ansprüche 10 bis 12 umfasst, wobei die Reaktoren jeweils über eine quer zu der Stapelrichtung verlaufende fluidische Verbindung miteinander verbunden sind.
  14. Elektrochemische Messzelle, die als Messreaktoren mindestens zwei Reaktoren nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12 aufweist, wobei die Messreaktoren über eine Ionenaustauschmembran separiert miteinander verbunden sind.
  15. Elektrochemische Messzelle nach Anspruch 14, weiterhin umfassend als Referenzreaktoren zwei weitere Reaktoren, die jeweils eine Referenzelektrode (124) aufweisen und über eine Ionenaustauschmembran mit den Messreaktoren verbunden sind.
  16. Verfahren zum Herstellen eines Reaktors unter Verwendung eines Bausatzes nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die folgenden Schritte: Stapeln einer Vielzahl von stapelbaren Elementen, um einen Reaktor mit definiertem Volumen und integrierten Kanälen und Zugängen zusammenzusetzen; Verspannen der gestapelten Elemente gegeneinander, um den Reaktor in einem betriebsbereiten Zustand, in welchem die Elemente sich fluiddicht gegeneinander abschliessen, zu fixieren.
  17. Verwendung eines Reaktors nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12 zur Durchführung biologischer und/oder biochemischer Prozesse.
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