DE102009013930B4 - Einrichtung zum Rühren von Fluiden mittels Gasblasen - Google Patents

Abstract

Einrichtung zum Rühren (01) eines Fluids (02) in einem Gefäß (03) mittels eines Gasblasenhebers (04) mit einem vertikal in das Fluid (02) eingetauchten und am oberen und am unteren Ende (08, 09) Öffnungen (07) aufweisenden Standrohr (05) mit einem von aufsteigenden Gasblasen (25) aus einem Gas (24), das über eine Gaszuführung (06) mit einem Gaseintritt (36) und einem Gasaustritt (14) in das Innere des Standrohrs (05) eingeleitet wird, durchströmten Fluidhebebereich (26), an dessen oberes Ende sich ein Fluidrückführbereich (28) und an dessen unteres Ende sich ein Fluidnachströmbereich (30) anschließt, wobei die Gaszuführung (06) vom oberen Ende (08) des Standrohrs (05) her unter Bildung eines Zwischenraums zum Standrohr (05) mit einer solchen Tiefe in das Standrohr (05) hineinragt und das Gas (24) mit einem solchen Druck in das Innere des Standrohrs (05) eingeleitet wird, dass die am Gasaustritt (14) der Gaszuführung (06) austretenden Gasblasen (25) noch innerhalb des Standrohrs (05) umkehren...

Description

• 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, wobei die Gaszuführung vom oberen Ende des Standrohrs her unter Bildung eines Zwischenraums zum Standrohr mit einer solchen Tiefe in das Standrohr hineinragt und das Gas mit einem solchen Druck in das Innere des Standrohrs eingeleitet wird, dass die am Gasaustritt der Gaszuführung austretenden Gasblasen noch innerhalb des Standrohrs umkehren und aufsteigen, der Fluidnachströmbereich gasblasenfrei und der Fluidhebebereich in dem Zwischenraum ausgebildet ist.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Aus der US 4 293 506 A ist eine Einrichtung zum Umlauf von Fluiden bekannt, die dem vorhergehenden Gasblasenmischer weitestgehend entspricht.
• Aus der US 3 840 216 A 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.
• Die DE 698 06 906 T2 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.
• Die DE 448 498 A , 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, insbesondere eines Auquariums. 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. 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. Weiterhin 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 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 einen 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. Allerdings kann mit der bekannten Einrichtung zum Rühren eines Fluids im gasblasenfreien Fluidnachströmbereich insbesondere für ein in hoher Dichte mit feinteiligen Feststoffen versetztes Fluid keine ausreichend homogene Durchmischung des Fluids im gesamten Gefäß unter Erzeugung einer geringstmöglichen Strömung im Fluid erreicht werden.
• 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.
• 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 Fremdkörpern 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.
• 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.
• 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.
• 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 Ergbnis berücksichtigt werden.
• 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.
• Die erfindungsgemäße Rühreinrichtung umfasst, wie der Stand der Technik, die 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, womit erreicht wird, dass ein Fluidnachströmbereich unterhalb des Standrohrs gasblasenfrei ist. Ein Fluidhebebereich ist dabei in einem Zwischenraum zwischen dem Standrohr und der Gaszuführung ausgebildet. Mit dem ausgebildeten Gasblasenheber 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. Erfindungsgemäß ist darüberhinaus bei der Rühreinrichtung vorgesehen, dass 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.
• Weiterhin ist der gasblasenfreie Fluidnachströmbereich erfindungsgemäß als Messbereich ausgebildet. 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. Die Gaszuführung ist erfindungsgemäß als Düse mit einem Düsenkörper mit in Richtung auf den Gasaustritt verengtem Durchmesser ausgebildet und konzentrisch zum Standrohr angeordnet. Eine Ausbildung der 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.
• Eine 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 der Fluidrückführbereich anschließt. Das Standrohr kann ein einfaches Rohr mit zylindrischem Querschnitt sein, das 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.
• Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Rühreinrichtung nach der Erfindung ergibt sich, wenn sich der Durchmesser des Düsenkörpers zwischen dem verengten Durchmesser am Gasaustritt und dem Durchmesser oberhalb der Durchtrittsöffung 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. Wenn der Düsenkörper unten verengt und bis oberhalb der Durchtrittsöffung 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.
• 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 Fiuidnachströmbereich auf den Messbereich, wodurch die Rührleistung reduziert werden kann.
• Schließlich wird eine vorteilhafte Weiterbildung 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.
• Ausbildungsformen der Rühreinrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figur zum weiteren Verständnis der Erfindung näher erläutert. Dabei zeigt die
• 1 eine Rühreinrichtung nach der Erfindung,
• 2 eine andere Ausführung der Rühreinrichtung,
• 3A, 3B zwei einzelne in vivo-NMR-Messreihen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Rühreinrichtung und
• 4 zwei aufeinanderfolgende in vivo-NMR-Messreihen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Rühreinrichtung.
• Die Figuren sind schematische Darstellungen, nicht maßstabsgerecht und stellen nur Beispiele für mögliche Ausführungsformen dar.
• 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 17 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.
• 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.
• In den 1 und 2 ist die Gasführung 37 mit gestrichelten Linien und die Fluidführung 38 mit durchgezogenen Linien dargestellt.
• Die 3A, 3B zeigen zwei in vivo-NMR-Messreihen unter Einsatz der erfindungsgemäßen Rühreinrichtung. Bierhefe (Saccharomyces cerevisiae, Stamm CEN.PK 122, Genotyp MAT a/α; MAL2-8^c/MAL2-8^c; 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 gWWl^–1 (wet weight, Feuchtgewicht) oder 5,36 ± 0,05 g DWl^–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 μm³ml^–1; mittlere Fläche = 10,38 × 10⁹ μm²ml^–1 (Beckmann Coulter^M 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 gWWml^–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; P_i(v) = vacuolares anorganisches Phosphat; PP₁ und PP₂ = Oligophosphate; PP_N = Polyphosphate.
• 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.
• Bezugszeichenliste

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

Claims (5)

1. Einrichtung zum Rühren (01) eines Fluids (02) in einem Gefäß (03) mittels eines Gasblasenhebers (04) mit einem vertikal in das Fluid (02) eingetauchten und am oberen und am unteren Ende (08, 09) Öffnungen (07) aufweisenden Standrohr (05) mit einem von aufsteigenden Gasblasen (25) aus einem Gas (24), das über eine Gaszuführung (06) mit einem Gaseintritt (36) und einem Gasaustritt (14) in das Innere des Standrohrs (05) eingeleitet wird, durchströmten Fluidhebebereich (26), an dessen oberes Ende sich ein Fluidrückführbereich (28) und an dessen unteres Ende sich ein Fluidnachströmbereich (30) anschließt, wobei die Gaszuführung (06) vom oberen Ende (08) des Standrohrs (05) her unter Bildung eines Zwischenraums zum Standrohr (05) mit einer solchen Tiefe in das Standrohr (05) hineinragt und das Gas (24) mit einem solchen Druck in das Innere des Standrohrs (05) eingeleitet wird, dass die am Gasaustritt (14) der Gaszuführung (06) austretenden Gasblasen (25) noch innerhalb des Standrohrs (05) umkehren und aufsteigen, der Fluidnachströmbereich (30) gasblasenfrei und der Fluidhebebereich (26) in dem Zwischenraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (03) und das Standrohr (05) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und konzentrisch zueinander angeordnet sind, die Gaszuführung (06) als Düse (12) mit einem Düsenkörper (13) mit in Richtung auf den Gasaustritt (14) verengtem Durchmesser (16) ausgebildet und konzentrisch zum Standrohr (05) angeordnet ist und der gasblasenfreie Fluidnachströmbereich (30) als Messbereich (31) ausgebildet ist.
2. Einrichtung zum Rühren eines Fluids nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (07) am oberen Ende (08) des Standrohrs (05) von einer offenen Stirnseite oder von zumindest einer Durchtrittsöffnung (10) in der Mantelfläche des Standrohrs (05) gebildet ist, an die sich der Fluidrückführbereich (28) anschließt.
3. Einrichtung zum Rühren eines Fluids nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Düsenkörpers (13) zwischen dem verengten Durchmesser (16) am Gasaustritt (14) und dem Durchmesser oberhalb der Durchtrittsöffnung (10) stetig auf den Durchmesser des Standrohrs (05) erweitert und mit diesem fest und dicht verbunden ist, wobei der Gaseintritt (36) durch das obere Ende (08) des Standrohrs (05) gebildet ist.
4. Einrichtung zum Rühren eines Fluids nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß (03) einen ebenen Boden (32) oder einen runden Boden (20) aufweist, der zumindest bis zum Beginn des zylindrischen Teils (21) des Gefäßes (03) zur Bildung eines ebenen Grundes (22) des Fluids (02) mit einem festen, in Bezug auf das Fluid (02) inerten Material (23) gefüllt oder gegen das Fluid abgedichtet ist.
5. Einrichtung zum Rühren eines Fluids nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zentrierung des Standrohres (05) in dem Gefäß (03) zumindest zwei zwischen dem Standrohr (05) und dem Gefäß (03) eingefügte gasdurchlässige Abstandhalter (19) vorgesehen sind.

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