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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Rühren
eines Fluids in einem Gefäß mittels eines Gasblasenhebers
mit einem vertikal in das Fluid eingetauchten und am oberen und
am unteren Ende Öffnungen aufweisenden Standrohr mit einem von
aufsteigenden Gasblasen aus einem Gas, das über eine Gaszuführung
mit einem Gaseintritt und einem Gasaustritt in das Innere des Standrohrs
eingeleitet wird, durchströmten Fluidhebebereich, an dessen
oberes Ende sich ein Fluidrückführbereich und an
dessen unteres Ende sich ein Fluidnachströmbereich anschließt.
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Derartige
Rühreinrichtungen nutzen die Hebewirkung der Gasblasen
um eine Verwirbelung oder eine umlaufende Strömung in dem
Fluid zu erzeugen, mit der das Fluid in Bewegung gehalten wird,
um zwei Flüssigkeiten zu vermischen oder eine Flüssigkeit
mit einem darin enthaltenen feinteiligen Feststoff in Mischung ohne
Sedimentation zu halten oder um sich wie Flüssigkeiten
verhaltende Stäube zu vermischen oder zu rühren.
Dabei kann die Hebe- und damit die Rührwirkung auf das
Fluid mit einer Vielzahl von kleinen Blasen bewirkt werden, die
ohne Führung in einen sich konisch nach oben ausweitenden Raum
hinein aufsteigen, wobei das jeweils über einzelnen Gasblasen
befindliche Fluid nicht seitlich ausweichen kann ohne dabei auf
eine weitere aufsteigende Gasblase zu treffen. Andererseits kann
eine Rührwirkung erzielt werden, wenn Gasblasen in einem
offenen Standrohr aufsteigen und der Blasendurchmesser etwa dem
des Standrohrs entspricht, so dass das Fluid nicht mehr ausweichen
kann und am oberen Ende aus dem Rohr austreten muss und in das Gefäß zurückfällt.
Durch die Saugwirkung des aufsteigenden Fluids wird am unteren Ende
des Standrohrs Fluid aus dem Gefäß angesaugt und
dabei etwa in Ablagerung begriffene feste Teilchen mitgerissen.
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STAND DER TECHNIK
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Aus
der
DE 10 2006
045 088 A1 ist ein Verfahren zur Durchmischung einer in
einem im wesentlichen abgeschlossenen Behälter befindlichen
Flüssigkeit oder Mischung aus einer Flüssigkeit
und einem feinteiligen Feststoff bekannt, bei dem in der
1 eine
grundsätzliche Anordnung zum Durchperlen eines Fluids mit
Gasblasen aus einer Gaszufuhr gezeigt wird. Durch die aufsteigenden
Gasblasen wird das Fluid im Umlauf gehalten, wobei bei einer derart
einfachen Anordnung eine Sedimentation nicht vollständig
verhindert werden kann. Der Gasblasenstrom wird weiter nicht geführt
und weitet sich nach oben konisch auf. Durch den nach oben abnehmenden
Druck werden die Gasblasen beim Aufsteigen größer
und weichen einander aus, wobei das erwähnte konische Volumen
entsteht und die Hebewirkung der Blasen nach oben weiter zunimmt.
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Aus
der
DE 198 36 565
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen von
Produkten bekannt, die für die Einmischung von Komponenten in
ein Fluid in einem kontinuierlichen Durchflussprozess bestimmt sind.
Dazu werden die Komponenten in einem in der Leitung des Fluids befindlichen
Mischbehälter eingebracht und durch die Hebewirkung von aus
einer Gaszufuhr entweichenden Gasblasen verwirbelt und mit guter
Wirkung mit dem Fluid vermischt. Die Gasblasen verstärken
hier allerdings nur die Wirkung einer an die innere Wandform des
Behälters angepasste flügelförmige mechanische
Rühreinrichtung.
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Aus
der
US 2007/0182033
A1 ist ein Gasblasenmischer bekannt, der große
zusammenhängende Gasblasen in einem Standrohr aufsteigen
lässt. Die großen Gasblasen werden in einem umgedrehten
Siphon erzeugt, in den Gas von oben in dessen Krümmer eingeblasen
wird. Durch das Gas wird das Fluid in dem Krümmer verdrängt,
bis der Fluidspiegel die untere Kante der in den Krümmer
nach unten hineinragenden Trennwand erreicht. Bei weiterer Gaszufuhr
tritt das Gas in den aufsteigenden Rohrteil des Siphons ein, der
mit einer seitlichen Öffnung des Standrohr verbunden ist.
Durch die Siphonwirkung wird nun mit dem nachdrückend den
ganzen Siphon wieder ausfüllenden Fluid die gesamte Gasmenge
in Form einer großen Gasblase in das Standrohr entlassen.
Das Fluid oberhalb der Gasblase kann durch das Standrohr seitlich
nicht ausweichen und wird gehoben, um oben aus dem Standrohr auszutreten.
Die dadurch entstehende Sogwirkung sorgt für ein Nachströmen
von Fluid durch die untere Öffnung des Standrohrs. Wenn
die folgende Gasblase in das Standrohr entlassen wird, bevor die
vorhergehende oben angekommen ist, wird ein quasi konstanter Fluss
erzeugt, der allerdings im Moment des Austritts einer Gasblase oben
aus dem Standrohr jeweils abrupt unterbrochen wird. Das Standrohr
und der Siphon müssen so bemessen werden, dass der Auftrieb
die darüber befindliche Fluidsäule noch ausreicheichend
schnell heben kann. Anderenfalls wird die Gasblase so verformt,
dass das Fluid seitlich an ihr vorbei wieder nach unten strömen
kann und keine Hebewirkung und damit kein Mischen bzw. Umrühren erfolgt.
Die Durchmischungswirkung diese Prinzips ist stark und für
große Mischer bzw. relativ zähe oder stark durchsetzte
Fluide geeignet.
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Aus
der
US 4,293,506 ist
eine Einrichtung zum Umlauf von Fluiden bekannt, die dem vorhergehenden
Gasblasenmischer weitestgehend entspricht.
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Aus
der
US 3,840,216 ist
ein Schmutzwasser-Belüfter bekannt, der in einem Gefäß einen
von unten mit Luftblasen betriebenen Heber vorsieht, der das Fluid
anhebt und es dabei über die Blasen zusätzlich
mit Luft versetzt. Am oberen Ende wird das Fluid in einen Vorratsbehälter
entlassen, der mit einem Rohr mit dem Gefäß verbunden
ist, durch das das Fluid in das Gefäß zurückgelangt.
Dieser Mischer hält das Fluid in Bewegung zur Sediment Verhinderung
und sorgt für eine Sauerstoffversorgung der reinigenden
Mikroorganismen.
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Die
DE 698 06 906 T2 ,
von der die vorliegende Erfindung als dem nächstliegenden
Stand der Technik ausgeht, beschreibt ein Gerät zum Rühren des
Inhalts eines mit einem Luftblasenheber versehenen Gefäßes.
Im Wesentlichen handelt es sich bei dem Heber um ein beidseitig
offenes Standrohr, das in der Nähe des unteren Endes eine
Gaszufuhr aufweist, durch die einfache, nicht weiter geformte oder vorbereitete
Gasblasen in das Standrohr entlassen werden und damit das in ihm
vorhandene Fluid angehoben wird. Es fließt oben aus dem
Standrohr heraus, wobei dessen oberes Ende oberhalb oder unterhalb
der Oberfläche des Fluids angeordnet sein kann. Am unteren
Ende des Standrohrs wird Fluid durch den Hebevorgang angesaugt und
der Umlauf sorgt für die Durchmischung. Durch die beliebige
Anordnung von Heber und Gaszufuhr im Gefäß ergibt sich
eine zufällige und ungleichmäßige räumliche Verteilung
der Mischzonen. Eine Sedimentation kann bei entsprechend belasteten
Fluiden nicht ausgeschlossen werden.
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Die
vorgestellten Verfahren und Einrichtungen sind auf das Mischen von
Fluiden mit und ohne feinteilige Feststoffe zu industriellen Zwecken
gerichtet. Dabei geht es in erster Linie um die Effektivität des
Misch- bzw. Rührvorgangs zur Sedimentverhinderung oder
Stoffbeimischung und weniger um Erzielung spezifischer Eigenschaften
des durchmischten Fluids wie beispielsweise besondere Homogenität und/oder
geringstmögliche Störung des Fluids. Derartige
Eigenschaften werden aber zusammen mit der Ausprägung eines
von fremden Objekten freien Raumteils zu besonderen Messzwecken
verlangt.
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AUFGABENSTELLUNG
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Die
AUFGABE für die vorliegende Erfindung besteht daher darin,
eine Einrichtung zum Rühren von Fluiden mittels Gasblasen
bereitzustellen, die für ein in hoher Dichte mit feinteiligen
Feststoffen versetztes Fluid eine homogene Vermischung herstellt und
aufrecht erhält, wobei innerhalb des Gefäßes eine
Zone derartiger homogener Vermischung ohne die Anwesenheit von Gasblasen
und Fremkörpern wie Rohrenden usw. vorhanden sein soll.
Die LÖSUNG für die Aufgabe ist dem Hauptanspruch
zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen
aufgezeigt und im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher
erläutert.
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Mit
der erfindungsgemäßen Einrichtung zum Rühren
von Fluiden mittels Gasblasen sollen in-vivo-Untersuchungen von
Zellsuspensionen hoher Dichte z. B. mit der Magnetresonanz-Spektroskopie (NMR)
ermöglicht werden, wobei die Messergebnisse besonders empfindlich
von inhomogenen Strömungseffekten oder Fremdkörpern
beeinflusst werden.
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Bestimmte
nicht invasive in-vivo-Untersuchungen in der Zellforschung erfordern
zur Erzielung eines ausreichend differenzierten Signals eine hohe Dichte
der eingesetzten Zellsuspension. Dabei muss eine kontinuierliche
Bewegung der Suspension erfolgen, um Ablagerungen zu vermeiden und
die für eine möglichst genaue Beobachtung erforderliche
Homogenität zu gewährleisten. Die Untersuchungen
erfolgen in Serien in schnellem zeitlichen Ablauf in zylindrischen
Glasröhrchen z. B. in einem NMR-Spektrometer, das in der
Lage ist, einige wichtige Zell-Metabolite zu beobachten, z. B. phosphorhaltige
Verbindungen wie Phosphornukleotide, Phosphorzucker, Polyphosphate
usw. durch 31P-NMR-Spektroskopie oder kohlenstoffhaltige
Zucker-Metabolite durch 13C-NMR-Spektroskopie.
Es können Konzentrationen von Metaboliten, ph-Werte und
die Kinetik von Enzymreaktionen gemessen und damit die Wege des Stoffwechsels
aufgeklärt werden. Leider ist die NMR-Spektroskopie relativ
wenig empfindlich in Bezug auf die physiologischen Konzentrationen
von Zellstoffwechselprodukten. Im Gegensatz zu Methoden wie der
Kapillaren Elektrophorese (CE), der Gaschromatographie mit Massenspektrometrie-Kopplung
(GC-MS) und der Hochleistungsflüssigkeitschromatografie
(HPLC), die auf Basis von Nanomol (nM) und Picomol (pM) arbeiten,
werden für die NMR-Spektroskopie Millimol (mM) benötigt.
Das ist der Grund, warum Begrenzungen bei der in vivo-Beobachtung
des Zell-Metabolismus nur durch hohe Zellkonzentrationen in der
Suspension zur Verstärkung des Messsignals überwunden
werden können.
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Ein
anderer Ansatz wird in der Veröffentlichung ("A
device for maintaining viable cells at high densities for NMR-studies",
G. S. Karczmar, A. P. Koretsky, M. J. Bissell, M. P. Klein, M. W.
Weiner, Journal of Magnetic Resonance 53, 123–128 (1983)) gemacht.
Es wird darin ein System zur Aufrechterhaltung einer Zellgesellschaft
in einem konstanten und lebensfähigen Zustand bei einer
für NMR-Experimente notwendigen Dichte beschrieben, wobei
es sich hier um eine Anordnung ausschließlich zur Beobachtung
von immobilisierten Zellstrukturen handelt. Die Zellen haften an
einem Knäuel von Zelluloseacetat-Hohlfasern, das sich als
Pellet in dem Probengefäß im Messbereich befindet.
Als Probengefäße werden NMR-Röhrchen
aus Glas mit einem Durchmesser von 4 bis 20 mm im Handel angeboten.
Die Zufuhr von Nährmitteln, die Abfuhr von Stoffwechselprodukten
und eine Belüftung werden über Polyethylenröhrchen
durch den abgedichteten Deckel bewirkt. Alternativ könne
die Zellen auch in einem Agar/Kollagen-Gel eingebettet werden. Erprobt
wurde der Ansatz mit sekundären Hühnerembrio-Fibroblasten
und dem Protozoon Tetrahymena thermophila. Das zur Anhaftung verwendete
Trägermaterial verfälscht das NMR-Signal und muss
bei dem Ergebnis berücksichtigt werden.
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In-vivo-Messungen
an nicht immobilisierten freien Zellstrukturen wie zum Beispiel
der Bierhefe Saccharomyces cerevisiae können besonders
vorteilhaft nur in trägerfreien und ausreichend dichten Zellsuspensionen
vorgenommen werden. Der Eukaryot Saccharomyces cerevisiae ist wie
der Prokaryot Escherichia coli ein Modellorganismus in der molekularbiologischen
und zellbiologischen Forschung. Aufgrund der einfachen Kulturbedingungen
und der Verwandtschaft der internen Zellstruktur zu anderen eukaryoten
Zellen in der Pflanzen- und Tierwelt wird er zum Beispiel zur Untersuchung
des Zellzyklus oder des Proteinabbaus verwendet.
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Bei
der hierzu vorgesehenen erfindungsgemäßen Rühreinrichtung
wird mit den Maßnahmen, dass eine Gaszuführung
vom oberen Ende eines Standrohrs her unter Bildung eines Zwischenraums zum
Standrohr mit einer solchen Tiefe in das Standrohr hineinragt und
Gas mit einem solchen Druck in das Innere des Standrohrs eingeleitet
wird, dass die an einem Gasaustritt der Gaszuführung austretenden
Gasblasen noch innerhalb des Standrohrs umkehren und aufsteigen,
erreicht, dass ein Fluidnachströmbereich unterhalb des
Standrohrs gasblasenfrei ist. Ein Fluidhebebereich ist dabei in
einem Zwischenraum zwischen dem Standrohr und der Gaszuführung
ausgebildet. Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
des Gasblasenhebers mit einer Gaszuführung von oben nach
unten im Inneren des Standrohres und dem Gasaustritt am unteren
Ende der Gaszuführung wird erreicht, dass die entstehenden Gasblasen
nicht den vollständigen, vom Fluid gefüllten Raum
durchlaufen, sondern durch ihre noch im Standrohr erfolgenden Richtungsumkehr
für eine gasblasenfreien Raumabschnitt unterhalb des unteren
Endes des Standrohres sorgen. Durch die Eingrenzung des Fluidhebebereichs
auf den Zwischenraum zwischen Gaszuführung und Standrohr
können die Gasblasen und damit der Gasdruck auf eine für die
effektive Anhebung des Fluids im Fluidhebebereich notwendige Größe
beschränkt werden. Dadurch wird auch erreicht, dass der
für die Richtungsumkehr der Gasblasen benötigte
Raum zwischen dem Gasaustritt und dem unteren Ende des Standrohrs
minimiert und der Aufbau der Rühreinrichtung kompakter
wird.
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Eine
erste vorteilhafte Weiterbildung der Rühreinrichtung nach
der Erfindung ergibt sich, wenn das Gefäß und
das Standrohr einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen
und konzentrisch zueinander angeordnet sind. Eine gleichmäßige
Durchmischung des Fluids ergibt sich immer dann, wenn der vom Fluid
angefüllte Raum überall einer gleichförmigen Durchmischungsströmung
unterworfen ist. Das kann in der Praxis mit einem hochgenauen Ergebnis
nur mit einer Rühreinrichtung erreicht werden, deren bestimmende
Bestandteile Gefäß, Standrohr und Gaszuführung
eine konzentrische Anordnung aufweisen. Dann und nur dann ist gewährleistet,
dass bei senkrechter Betriebsweise die austretenden Gasblasen sich
gleichmäßig im Fluidhebebereich ausbreiten und
für eine gleichmäßige Durchströmung
auch des Fluidrückführungs- und des Fluidnachströmbereichs sorgen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung der Rühreinrichtung
nach der Erfindung ergibt sich, wenn eine Öffnung am oberen
Ende des Standrohrs von einer offenen Stirnseite oder von zumindest
einer Durchtrittsöffnung in der Mantelfläche des
Standrohrs gebildet ist, an die sich ein Fluidrückführbereich anschließt.
Das Standrohr kann ein einfaches Rohr mit zylindrischem Querschnitt
sein, dass in seiner Länge so bemessen ist, dass es einerseits
nicht bis zum Grund des Gefäßes in das Fluid eintaucht,
sondern einen freien Fluidnachströmbereich unterhalb seines
unteren Endes bildet und andererseits entweder unterhalb oder knapp
oberhalb der Oberfläche der Fluidfüllung im Gefäß endet.
In beiden Fällen ist zu berücksichtigen, dass
eine notwendige Halteeinrichtung für das Standrohr im Fluidrückführbereich vorgesehen
sein muss. Wenn das Standrohr hingegen länger ist und zusammen
mit dem Gefäß in einem gemeinsamen oberen Abschluss
unter Vermeidung einer gesonderten Halteeinrichtung enden soll, muss
es knapp oberhalb der Oberfläche des Fluids zumindest eine,
vorteilhaft aber mehrere, am Umfang gleichmäßig
verteilte Durchtrittsöffnungen in seiner Mantelfläche
aufweisen. Das im Fluidhebebereich von den Gasblasen angehobene
Fluid strömt dann durch diese Durchtrittsöffnungen
in den Fluidrückführbereich.
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Weiterhin
wird die Rühreinrichtung nach der Erfindung vorteilhaft
weitergebildet, wenn der gasblasenfreie Fluidnachströmbereich
als Messbereich ausgebildet ist. Für die Bildung eines
Messbereichs ist es von besonderem Vorteil, wenn er über
seine gesamte Ausdehnung konstante Abmessungen aufweist, von einem
möglichst homogenen Fluid angefüllt ist und keine
Fremdkörper, z. B. mechanische Rührelemente usw.,
aufweist. Diese Forderungen werden von der Rühreinrichtung
nach der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise erfüllt.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Rühreinrichtung nach der
Erfindung ergeben sich, wenn die Gaszuführung als Düse
mit einem Düsenkörper mit in Richtung auf den
Gasaustritt verengtem Durchmesser ausgebildet und konzentrisch zum Standrohr
angeordnet ist, und wenn der Durchmesser des Düsenkörpers
zwischen dem verengten Durchmesser am Gasaustritt und dem Durchmesser oberhalb
der Durchtrittsöffnung stetig auf den Durchmesser des Standrohrs
erweitert und mit diesem fest und dicht verbunden ist, wobei der
Gaseintritt durch das obere Ende des Standrohrs gebildet ist. Eine Ausbildung
des Gaszuführung als Düse mit nach unten verengtem
Düsenkörper führt zu einer exakten, mit
dem Gasdruck einstellbaren Größe und Anzahl der
Gasblasen. Damit ist eine Unterscheidung zum Beispiel in eine erste
gröbere Vormischphase und eine spätere Feinmischphase
möglich. Für eine Messphase kann die Durchmischung
sogar für kurze Zeit ganz abgeschaltet werden, bis die
einsetzende Sedimentierung des Fluids eine von der Messaufgabe abhängige
kritische Grenze erreicht. Wenn der Düsenkörper
unten verengt und bis oberhalb der Durchtrittsöffnung auf
den Durchmesser des Standrohrs stetig erweitert ist, ist der Fluidhebebereich
im Zwischenraum zwischen der Gaszufuhr, hier als Düsenkörper ausgebildet,
und dem Standrohr von unten nach oben stetig verengt. Dadurch wird
die Hebewirkung der Gasblasen nach oben verstärkt und der
Transport des Fluids durch die Durchtrittsöffnungen sichergestellt.
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Die
Rühreinrichtung nach der Erfindung wird auch vorteilhaft
weitergebildet, wenn das Gefäß einen ebenen Boden
oder einen runden Boden aufweist, der zumindest bis zum Beginn des
zylindrischen Teils des Gefäßes zur Bildung eines
ebenen Grundes des Fluids mit einem festen, in Bezug auf das Fluid inerten
Material gefüllt oder gegen das Fluid abgedichtet ist.
Ein ebener Boden begrenzt den Fluidnachströmbereich auf
den Messbereich, wodurch die Rührleistung reduziert werden
kann.
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Schließlich
wird eine vorteilhafte Weiterbildungen der Rühreinrichtung
nach der Erfindung erzielt, wenn zur Zentrierung des Standrohres
in dem Gefäß zumindest zwei zwischen dem Standrohr
und dem Gefäß eingefügte gasdurchlässige
Abstandhalter vorgesehen sind. Die Gasdurchlässigkeit kann
bei Verwendung von einfachen Dichtringen, die das Standrohr fest
umschließen durch einen Spalt bewirkt werden, der bei entsprechender
Auswahl der Ringe zwischen Ihnen und der Wandung des Gefäßes
offen bleibt. Die Größe des Spalts muss optimiert sein
zwischen den Forderungen, die zur Erzeugung der Gasblasen verwendete
Gasmenge drucklos hindurchtreten zu lassen und eine ausreichend
sichere Zentrierung des Standrohrs im Gefäß zu
gewährleisten. Diese Forderungen werden auch durch spezielle Abstandshalter
erfüllt, die fest zwischen dem Standrohr und dem Gefäß angeordnet
sind und in ihrem Material eigene Öffnungen zum Gasdurchlass
aufweisen.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ausbildungsformen
der Rühreinrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend
anhand der schematischen Figur zum weiteren Verständnis
der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die
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1 eine
Rühreinrichtung nach der Erfindung,
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2 eine
andere Ausführung der Rühreinrichtung,
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3 zwei einzelne in vivo-NMR-Messreihen
unter Einsatz der erfindungsgemäßen Rühreinrichtung
und
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4 zwei
aufeinanderfolgende in vivo-NMR-Messreihen unter Einsatz der erfindungsgemäßen
Rühreinrichtung.
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Die
Figuren sind schematische Darstellungen, nicht maßstabsgerecht
und stellen nur Beispiele für mögliche Ausführungsformen
dar.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführung einer Rühreinrichtung 01 zum
Rühren eines Fluids 02 in einem Gefäß 03 mittels
eines Gasblasenhebers 04. Der Gasblasenheber 04 wird
durch ein Standrohr 05 und eine Gaszuführung 06 gebildet.
Das Standrohr 05 ragt in das Innere des Gefäßes 03 und
in das Fluid 02 hinein und weist Öffnungen 07 an
seinem oberen Ende 08, an seinem unteren Ende 09 sowie Durchtrittsöffnungen 10 knapp
oberhalb der Oberfläche 11 des Fluids 02 auf.
Die Gaszuführung 06 wird im Inneren des Standrohres 05 durch
eine Düse 12 mit einem Düsenkörper 13 gebildet,
der am Gasaustritt 14 an seinem unteren Ende 15 einen
verengten Durchmesser 16 und an seinem oberen Ende 17 einen
Durchmesser 18 aufweist, der dem des Standrohres 05 entspricht,
wobei der Durchmesser vom unteren Ende 15 zum oberen Ende 17 stetig
erweitert ist. Das obere Ende 15 des Düsenkörpers 13 ist
oberhalb der Durchtrittsöffnungen 10 fest und
dicht mit dem Standrohr 05 verbunden. Der Gaseintritt 36 wird dabei
durch die Öffnung 07 am oberen Ende 08 des Standrohres 05 gebildet.
Das Gefäß 03, das Standrohr 05 und
der Düsenkörper 13 weisen einen kreisförmigen
Querschnitt auf und sind konzentrisch zueinander angeordnet. Die
Zentrierung des Gasblasenhebers 04 im Gefäß 03 wird
oberhalb der Oberfläche 11 des Fluids 02 durch
gasdurchlässige Abstandhalter 19 bewirkt, die
in diesem Beispiel durch Dichtringe 33 unter Einhaltung
eines Ringspalts 34 gebildet sind. Das Gefäß 03 hat
in dem gewählten Beispiel einen runden Boden 20,
der bis zum Ansatz des zylindrischen Teils 21 zur Bildung
eines ebenen Grundes 22 mit einem festen und inerten Material 23 gefüllt
ist. Der Druck des durch die Gaszuführung 06 zugeführten
Gases 24 zusammen mit dem verengten Durchmesser 16 am
Gasaustritt 14 einerseits und der Abstand a zwischen dem
Gasaustritt 14 und dem unteren Ende 09 des Standrohres 05 andererseits
sorgen dafür, dass Gasblasen 25 nach unten aus
dem Gasaustritt 14 austreten und noch innerhalb des Standrohres 05 ihre
Richtung umkehren und in einem Fluidhebebereich 26, der
durch einen sich nach oben verengenden Ringspalt 27 zwischen
dem Düsenkörper 13 und dem Standrohr 05 gebildet
ist, nach oben wandern. Bei ihrem Weg nach oben heben die Gasblasen 25 das
Fluid 02 an und lassen es durch die Durchtrittsöffnungen 10 in
einen Fluidrückführbereich 28, der durch
einen Zwischenraum 29 zwischen dem Standrohr 05 und
dem Gefäß 03 gebildet ist, zurückströmen.
Das Gas 24 der oberhalb der Oberfläche 11 des
Fluids 02 aufgelösten Gasblasen 25 tritt
durch die gasdurchlässigen Abstandhalter 19 nach
oben aus dem Gefäß 03 aus. Durch die
Hebewirkung der Gasblasen 25 im Fluidhebebereich 26 wird
eine Sogwirkung auf das Fluid 02 ausgeübt, so
dass es unterhalb des Fluidrückführbereichs 28 aus
einem Fluidnachströmbereich 30 wieder in den Fluidhebebereich 26 eintritt.
Durch diese umlaufende Bewegung wird eine konstante und sanfte Durchmischungswirkung auf
das Fluid 02 ausgeübt und unterhalb des Standrohres 05 ein
Bereich mit einem ungestörten und homogen durchmischten
Fluid 02 als Messbereich 31 der Höhe
b zur Verfügung gestellt.
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2 zeigt
eine andere Ausführung einer Rühreinrichtung 01 zum
Rühren eines Fluids 02 in einem Gefäß 03 mit
ebenem Boden 32 und Abstandhaltern 19, die fest
zwischen dem Standrohr 05 und dem Gefäß 03 angeordnet
sind und spezielle Öffnungen 35 zum Gasdurchlass
aufweisen.
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In
den 1 und 2 ist die Gasführung 37 mit
gestrichelten Linien und die Fluidführung 38 mit
durchgezogenen Linien dargestellt
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3 zeigt zwei in vivo-NMR-Messreihen unter
Einsatz der erfindungsgemäßen Rühreinrichtung.
Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae, Stamm CEN. PK 122, Genotyp MAT
a/α; MAL2-8c/MAL2-8c; SUC2/SUC2;
aus der EUROSCARF Hefesammlung; siehe http://web.unifrankfurt.de/fb15/mikro/euroscarf)
wurde aerobisch in CBS-Medium (kontinuierliche O2 Beblasung)
mit 100 mM Glucose im Chemostat mit einer Verdünnungsrate
von D = 0,05 h–1, 30°C und
250 Upm gezüchtet. Unter diesen Bedingungen erreicht die
Zelldichte einen Wert von 60,92 ± 2,22 g WW l–1 (wet
weight, Feuchtgewicht) oder 5,36 ± 0,05 g DW l–1 (dry
weight, Trockengewicht). Die Kultur weist einen pH-Wert von 2,65
auf und die Zellen erreichen folgende Allometrie (biologischer Größenvergleich):
Mittlerer Durchmesser = 3,099 ± 1,271 μm; Zelldichte
= 304,7 × 106 Zellen ml–1; mittleres Volumen = 6,275 × 109 μm3 ml–1; mittlere Fläche = 10,38 × 109 μm2 ml–1 (Beckmann CoulterM Multisizer
3 mit 100 mm Kapillare in Coulter ISOTON II Lösung). Die 90
ml Hefe-Suspension aus dem Chemostat wurden unter Vakuum durch einen
Sartorius Zelluloseacetatfilter (Durchmesser = 0,2 mm) geleitet
und dreimal mit Arbeitspufferflüssigkeit (25 mM MOPS pH
7,0; 2 mM MgSO4; 1,7 mM NaCl; 2 mM KCl und
100 mM Glukose) gewaschen. Die Zellansammlungen wurden in 2 ml der
Arbeitspufferflüssigkeit gesammelt und 250 μl
D2O hinzugefügt: Die insgesamt
erreichte Zelldichte in 2,25 ml war 2,436 g WW ml–1 und
11,1% D2O. Damit wurde eine sehr hohe Zelldichte
erreicht, die ohne den Einsatz der Rühreinrichtung innerhalb weniger
Minuten sedimentiert. Es wurden dann ca. 750 μl Zellsuspension
in ein 8 mm NMR Probenglasröhrchen mit abgedichtetem Boden
gemäß 1 pipettiert. Die Hefeprobe
wurde anschließend in einem 31P NMR in Bruker 400 Ultrashield
mit 8 mm Bohrung gemessen. Zur Beblasung wurde Luft eingesetzt. 3A zeigt
integrierte Spektren von 512 Scans in 11 min und 3B von
3072 Scans in 66 min. Legende: SP = Phosphorzucker; = cytoplasmatisches
anorganisches Phosphat; Pi(v) = vacuolares anorganisches
Phosphat; PP1 und PP2 =
Oligophosphate; PPN = Polyphosphate.
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4 zeigt
zwei aufeinanderfolgende in vivo-NMR-Messreihen mit Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae)
mit jeweils 3072 Scans in 66 min unter Einsatz der erfindungsgemäßen
Rühreinrichtung. Die Legende entspricht der von 3A und 3B.
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- 01
- Rühreinrichtung
- 02
- Fluid
- 03
- Gefäß
- 04
- Gasblasenheber
- 05
- Standrohr
- 06
- Gaszuführung
- 07
- Öffnung
von 05
- 08
- oberes
Ende von 05
- 09
- unteres
Ende von 05
- 10
- Durchtrittsöffnung
- 11
- Oberfläche
- 12
- Düse
- 13
- Düsenkörper
- 14
- Gasaustritt
- 15
- unteres
Ende von 13
- 16
- verengter
Durchmesser
- 17
- oberes
Ende von 13
- 18
- Durchmesser
- 19
- Abstandhalter
- 20
- runder
Boden
- 21
- zylindrischer
Teil von 03
- 22
- ebener
Grund
- 23
- inertes
Material
- 24
- Gas
- 25
- Gasblasen
- 26
- Fluidhebebereich
- 27
- verengter
Ringspalt
- 28
- Fluidrückführbereich
- 29
- Zwischenraum
- 30
- Fluidnachströmbereich
- 31
- Messbereich
- 32
- ebener
Boden
- 33
- Dichtring
- 34
- Ringspalt
- 35
- spezielle Öffnung
- 36
- Gaseintritt
- 37
- Gasführung
(gestrichelte Linie)
- 38
- Fluidführung
(durchgezogene Linie)
- a
- Abstand
- b
- Höhe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102006045088
A1 [0003]
- - DE 19836565 A1 [0004]
- - US 2007/0182033 A1 [0005]
- - US 4293506 [0006]
- - US 3840216 [0007]
- - DE 69806906 T2 [0008]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - ”A
device for maintaining viable cells at high densities for NMR-studies”,
G. S. Karczmar, A. P. Koretsky, M. J. Bissell, M. P. Klein, M. W.
Weiner, Journal of Magnetic Resonance 53, 123–128 (1983) [0013]
- - http://web.unifrankfurt.de/fb15/mikro/euroscarf [0031]