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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Membranreaktor, worin zwei Kompartimente durch eine Membran getrennt sind. Die Erfindung stellt eine Verbesserung beim Betrieb solcher Membranreaktoren dar.
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Membranreaktoren, besonders zur Verwendung in der Biotechnologie, bei der Kultivierung von Zellen und Geweben und bei der biotechnologischen zellfreien Proteinsynthese, sind bekannt. Beispiele sind Zellkulturplatten (Mikrotiterplatten) mit einer Vielzahl von regelmäßig angeordneten „Wells“ (napfförmige Vertiefungen zur Aufnahme von Reaktions- oder Zellkulturmedium). In die Mikrotiterplatten als Basiselement kann ein Trägerelement („Insert“) mit meist bodenseitig eingespannter Membran eingebracht werden, welche die Wells dann in zwei getrennte Kompartimente, diesseits und jenseits der Membran unterteilt. Ein Stofftransport zwischen den durch die Membran getrennten Kompartimenten kann dabei allein über die Membran stattfinden.
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In Zellkulturverfahren und anderen biotechnologischen Verfahren nimmt das eine durch die Membran abgetrennte Kompartiment eine Suspension biologischer Zellen, ein Zelllysat, eine Enzymsuspension oder dergleichen auf und/oder es befinden sich direkt auf der Membran biologische Zellen oder Gewebe, die dabei noch mechanisch durch die Membran stabilisiert und dort fixiert werden.
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Auch bekannt sind membrangekoppelte Systeme zur Abtrennung, zur unspezifischen Versorgung mit Nährstoffen oder dem selektiven Transport von Substanzen zwischen Medien durch Verwendung einer semi-permeablen Membran. Beispiele hierfür sind sogenannte Hohlfasermembranmodule. Gattungsgemäße Module enthalten mehrere im Wesentlichen rohrförmige Hohlfasern, deren Rohrwand durch die Membran gebildet wird. Bündel von solchen Hohlfasern sind fluidisch zu einem gemeinsamen Volumen verbunden; das Innere der Hohlfasern bildet so ein erstes Kompartiment, welches gegenüber dem außerhalb, um die Hohlfasern herum gebildeten zweiten Kompartiment abgetrennt ist. Das Hohlfaserbündel ist in eine Kartusche oder Gehäuse eingesetzt. Innerhalb der Hohlfasern wird also das erste, zwischen Hohlfaseraußenseite und Kartuschenwand das zweite Kompartiment des Membranreaktors gebildet.
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Nachteilig bei diesen bekannten Membranreaktoren ist besonders, dass der Stofftransport zwischen den Kompartimenten über die Membran hinweg nur schwer oder gar nicht in geeigneter Weise, das heißt besonders von außen und ständig, beeinflusst, gesteuert oder gar geregelt werden kann. Besonders im Falle von Membranbioreaktoren, worin lebende Zellen oder Gewebe in Suspension oder insbesondere auf der Membran selbst kultiviert werden, besteht das Problem, dass diese Zellen und Strukturen gegenüber mechanischen Scherkräften äußerst empfindlich reagieren. Bekannte Maßnahmen zur Verbesserung des Stoffaustausches, wie die mechanische Durchmischung (Rühren, Schütteln), müssen besonders bei der Kultivierung von Zellen oder Geweben vermieden werden.
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In Membranreaktoren, wie die Hohlfasermodule, die besonders im Gegenstrom durchflossen werden, wobei sich die Strömungsrichtung im Wesentlichen parallel zur Längsausdehnung der Membran erstreckt, bilden sich nachteiligerweise laminare Strömungen aus, wobei besonders in der unmittelbaren Umgebung der Membran eine Grenzschicht auftritt, bei der die Strömungsgeschwindigkeit des Mediums minimal ist. Deshalb kann die dazu quer verlaufende Nettoströmung der Medien entlang der Membran den Stofftransport und Diffusion über die Membran hinweg dort lokal gar nicht unmittelbar beeinflussen oder verbessern. Im Gegenteil, häufig treten an solchen Membranen trotz ständiger Durchströmung der Kompartimente unerwünschte Belegungen, sogenannte „Fouling“-Prozesse auf, welche den Stofftransport über die Membran hinweg zusätzlich erschweren oder vollständig verhindern. Kennzeichnend für Fouling sind Wechselwirkungen zwischen Partikeln der Medien untereinander sowie zwischen den Partikeln und der Membran, und zwar sowohl physikalischer als auch teilweise chemischer Art. Es bildet sich an der Membran eine Deckschicht aus, welche die Permeation durch die Membran nachteilig beeinflusst.
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Bekannte Maßnahmen zur Verhinderung von Fouling und Membranbelegung umfassen auch das aus dem Bereich der Filtertechnik bekannte sogenannte Rückspülen. Dieses ist jedoch in einem kontinuierlichen Prozess nicht ohne weiteres einsetzbar, es verlangt eine diskontinuierliche Verfahrensführung. Außerdem enthalten solche Rückspülprozesse vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten oder Druckgefälle über die Membran, um solche Beläge zu beseitigen. Dadurch treten in der Umgebung der Membran zwingend hohe Beschleunigungskräfte und in Folge hohe Scherkraftbelastungen auf.
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Bekannte Maßnahmen zur Verhinderung zur Aufrechterhaltung der Permeabilität der Membran umfassen auch Verfahren und Mittel zur Ultraschalleinwirkung auf die Membran. Ultraschall und auch Pulswellen mit großen hochfrequenten Anteilen besitzen, insbesondere in flüssigen Medien vergleichsweise kurze Wellenlängen, wodurch es innerhalb des Membranreaktors durch Mehrfachreflexion und Überlagerung der hochfrequenten Druckwellen zur Ausbildung von lokalen Maxima mit hohen Beschleunigungskräfte und in Folge hohen Scherkraftbelastungen kommt.
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Die vorgenannten Maßnahme sind aber besonders bei der Verwendung von Zell- oder Gewebekulturen aufgrund deren mechanischer Empfindlichkeit in keiner Weise anwendbar. Dies betrifft vor allem auch Membranreaktoren, bei denen die Membran mit zellfreien Systemen zur Bioproteinsynthese besetzt sind. Die Systeme der zellfreien Proteinsynthese stellen eine Mischform zwischen Zell- und Molekularbiologie dar, die ebenfalls äußerst sensitiv auf Scherkräfte reagieren. Durch hochfrequente Scherbelastungen kommt an biologischen Zellen und auch an Makromolekülen nachteiligerweise zu Lyse und Desintegration.
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Der vorliegenden Erfindung lag daher das technische Problem zugrunde, Verfahren und Mittel zum Betrieb Membranreaktoren dieser Art bereitzustellen, welche erlauben, den Stofftransport über die Membran des Reaktors zu verbessern oder aufrecht zu erhalten, und insbesondere auch eine Steuerung des Stofftransports durch externe Stellgrößen in insbesondere kontinuierlichen Kultivierungs- und Produktionsverfahren ermöglichen. Gleichzeitig sollen diese unerwünschtes Membranfouling verhindern oder unterdrücken.
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Zur Lösung dieses technischen Problems stellt die Erfindung ein neuartiges Membranreaktorsystem bereit, welches in Anspruch 1 näher beschrieben ist. Besonders enthält dieses System mindestens einen Membranreaktor, der in einem Gehäuse mindestens eine Membran aufweist, welche mindestens zwei Kompartimente voneinander trennt. Gattungsgemäß sind die Kompartimente zur Aufnahme von Fluiden ausgebildet. Die Membran ist bevorzugt unmittelbar mit dem Gehäuse verbunden oder alternativ in einen Träger eingespannt, der in das Gehäuse verbracht werden kann. Gemäß der Erfindung weist das Membranreaktorsystem mindestens einen Aktor (Antriebselement, Aktuator) auf, der speziell derart ausgebildet ist und besonders auch mit dem Reaktor als solchem derart in Wirkverbindung, insbesondere in fluidischer oder mechanischer Verbindung oder Kopplung steht, dass eine oszillierende (schwingende, wiederkehrende) Druckbeaufschlagung bewirkt werden kann, und zwar auf zumindest eines der in den Kompartimenten aufnehmbaren Fluide.
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Die Erfindung erlaubt durch die oszillatorische Druckbeaufschlagung die vorteilhafte Ausbildung von turbulenten Strömungen im Bereich der Membran, die dort für lokale Durchmischung sorgen und nachteiligerweise gebildete Grenzschichten aufbrechen. Insbesondere in im Nettofluss durchflossenen Membranreaktoren, worin Fluide im Wesentlichen entlang der Membran geführt werden, wie Hohlfasermembranmodule oder andere Cross-Flow-Systeme, kann eine nachteilige laminare Strömung durch die oszillatorischen Druckimpulse derart beeinflusst werden, dass die Schichtbildung unterbrochen oder zeitweise aufgehoben wird. Die Erfindung überwindet dabei technische Vorurteile und macht sich die neue Erkenntnis zunutze, dass sich durch insbesondere höherfrequente wiederkehrende Druckbeaufschlagungen mit vergleichsweise kleiner Amplitude, die selbst gar keinen Nettofluss der Fluide in dem oder durch den Reaktor verursachen, Stofftransportprozesse an der Membran beeinflussen und insbesondere verbessern lassen, und zwar ohne dass es zu nachteiligen mechanischen Beeinträchtigungen der Membran oder der mit ihr assoziierten Systeme, insbesondere der Zellen oder Gewebe kommt oder diese in Kauf genommen werden müssten.
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Im Sinne der Erfindung wird unter einem „Fluid“ jegliches durch eine Rohrleitung oder ein an sich bekanntes hohles Gefäß leitbares oder aufbewahrbares Medium verstanden. Typischerweise ist dies ein Gas oder eine Flüssigkeit. Bevorzugt ist das Fluid im Zusammenhang mit der bevorzugten biotechnologischen Anwendung des Membranreaktors ein sogenanntes Kulturmedium, Zellkulturmedium, besonders ein zellfreies Kulturmedium oder alternativ eine zellhaltige Suspension von Zellen in einem Zellkulturmedium. Zellkulturmedien sind an sich bekannt und brauchen im Zusammenhang mit der Beschreibung dieser Erfindung nicht näher erläutert werden. Ebenfalls bekannt sind im Rahmen der biotechnologischen Anwendung des erfindungsgemäßen Membranreaktorsystems kultivierbare Zellen. Darunter zählen beispielsweise Fibroblasten, Keratinozyten, sowie insbesondere mehrschichtige Mischkulturen davon. Diese Fluide sind im Falle der Kultivierung von Zellen oder Zellbestandteilen insbesondere an sich bekannte flüssige biologische Kulturmedien, gegebenenfalls aber auch ein insbesondere dampfgesättigtes dampfförmiges Medium über den Zellen, besonders Sauerstoffgas oder Carbogen (5 % CO2, 95 % O2) oder ein vergleichbares Gasgemisch.
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Unter einer „Membran“ wird in Zusammenhang mit der Erfindung eine poröse oder semi-permeable und besonders zu einem selektiven Stofftransport befähigte im Wesentlichen flächige Struktur oder Matrix (Planarmembran) verstanden. Eine alternative Bauart ist eine Hohlfasermembran. In der einfachsten Form sind diese Membranen poröse oder durchbrochene Strukturen, bei Planarmembranen insbesondere dünne Folien oder Gitter oder Netze mit Poren, Maschen oder sonstigen Durchbrechungen, die einen bestimmten mittleren Öffnungsquerschnitt (Porenweite) nicht überschreiten. Die Porenweite liegt dabei besonders im Bereich von 0,1 nm bis 100 nm, besonders von 0,3 bis 10 nm. Die Membran kann als Molekularsieb oder als Membranfilter (Ultrafiltration) ausgebildet sein.
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Die Membran kann als Gelmatrix ausgebildet sein. Die Membran kann als biogene Struktur dabei selbst Bestandteil des biologischen Gewebes sein und/oder von diesem oder seinen Zellen in Teilen oder vollständig gebildet werden. Beispiele solcher Membranen sind Kollagenmatrices, Basalmembran und dergleichen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Membran aus einem synthetischem Werkstoff gebildet werden. Besonders ist dies eine gesinterte poröse Keramik oder eine alternative poröse gesinterte Struktur, beispielsweise aus Glas oder Metall. Alternativ ist die Membran ein synthetisches Polymer. Materialien sind bevorzugt ausgewählt aus Polyethersulfon, regenerierter Zellulose, Zelluloseacetat und ähnlichem.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Membran chemisch oder biologisch funktionalisiert sein. Zum einen dient die Funktionalisierung der Bindung oder Fixierung von biologischen Zellen oder Zellbestandteilen sowie von Enzymen oder Enzymsystemen bei der zellfreien Bioproteinsynthese. Zum anderen dient die Funktionalisierung alternativ oder zusätzlich dem selektiven Stofftransport über die Membran. Mittel zum selektiven Stofftransport sind insbesondere an der Membran immobilisierte geladene Strukturen oder chemische Bindungsfunktionen, alternativ oder zusätzlich Transportproteine oder Kanäle sowohl für einen passiven als auch für den aktiven Transport unter Energieverbrauch (ATP, Protonengradient und dergleichen).
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Grundsätzlich erfolgt der Stofftransport über eine solche Membran getrieben durch Konzentrationsunterschiede von Stoffen diesseits und jenseits der Membran (Diffusionsgradient). Zusätzlich können, wie vorstehend beschrieben, aktive und insbesondere konzentrationsabhängige (z.B. Michaelis-Menten-Kinetik) Transportsysteme an der Membran selbst oder an Zellen oder Zellsystemen, die an der Membran anliegen, an dem Stofftransport beteiligt sein oder diesen ausschließlich bestimmen. Der Stofftransport wird auch durch die Ladungsdifferenz über die Membran, besonders bei geladenen Stoffen sowie bei Stoffen, die mit geladenen Teilchen insbesondere Ionen assoziiert sind, sowie durch das physikalische Druckgefälle über die Membran beeinflusst. Der Grad des Transports wird aber im Wesentlichen durch die lokale Stoffkonzentration in unmittelbarer Umgebung diesseits und jenseits der Membran bestimmt.
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Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass der Stoffaustausch nachteiligerweise durch lokale Vorgänge in unmittelbarer Umgebung der Membran, welche diese treibenden Differenzen lokal ausgleichen oder kompensieren, vermindert wird oder vollständig zum Erliegen kommt. Diese nachteiligen lokalen Effekte können überraschenderweise wirkungsvoll durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen und Mittel dazu, nämlich das Aufbringen einer oszillierenden Druckbeaufschlagung mit im Wesentlichen kleiner Amplitude und hoher Frequenz, welche dabei an sich keinen positiven Nettofluss der Fluide in dem Bioreaktor zur Folge hat, beeinflusst werden, sodass dadurch vorteilhafterweise der Stofftransport über die Membran verbessert oder gar gezielt gesteuert werden kann.
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Dafür ist die Membran des Reaktors besonders bevorzugt gegenüber dieser erfindungsgemäßen oszillierenden Druckbeaufschlagung starr und formfest. Bekanntermaßen ist die Elastizität von Werkstoffen abhängig von den Frequenzanteilen und der Amplitude der mechanischen Einwirkung/Biegemoment auf das Material. Es kann hier auf die Lehren zu mechanischen Schwingungen zurückgegriffen werden, besonders zu geschwindigkeitsproportionaler Dämpfung bei harmonischer Erregung. Diesen Umstand macht sich die Erfindung zunutze.
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Der Erfindung liegt die technische Lehre zugrunde, eine oszillierende Druckbeaufschlagung auf eine Reaktormembran einwirkbar zu machen, welche aufgrund ihrer Frequenz und Amplitude relativ zur Steifigkeit und Formfestigkeit der Membran nicht unmittelbar auslenkt oder mechanisch direkt beeinflusst. Insbesondere sieht die Erfindung vor, Frequenz und Amplitude der oszillierenden Druckbeaufschlagung so zu wählen, dass auch die übrigen Komponenten des Reaktorsystems, besonders aber eingeschlossen die im System befindlichen biologischen Zellen, Zellsysteme und dergleichen relativ, die sich mechanisch formfest und starr gegenüber der erfindungsgemäßen oszillierenden Beaufschlagung zeigen, sodass auch diese keiner unmittelbaren mechanischen Beeinträchtigung, insbesondere Scherbeanspruchung durch die erfindungsgemäße oszillierende Beaufschlagung ausgesetzt sind. Besonders betrifft dies die scherkraftempfindlichen Zellmembranen und intrazelluläre Strukturen beziehungsweise tertiäre und quartäre Strukturen von Enzymen und anderen Makromolekülen.
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Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein Membranreaktorsystem, was bevorzugt dadurch gekennzeichnet ist, dass die Membran gegenüber der erfindungsgemäßen oszillierenden Druckbeaufschlagung mechanisch starr ist.
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Die Erfinder fanden überraschend, dass die gewünschte Wirkung auf den Stofftransport über die Membran durch oszillatorische Druckbeaufschlagung mit einer Grundfrequenz im Bereich von 0,5 bis etwa 100 Hz, bevorzugt von 10 bis maximal 100 Hz, bewirkt werden kann. Unter „Grundfrequenz“ wird vorliegend die bestimmende niederfrequenteste periodische Komponente der beaufschlagten Oszillation verstanden. Es versteht sich, dass die oszillierende Beaufschlagung nicht ausschließlich in Form einer streng periodischen gleichförmigen, insbesondere sinoidalen Oszillation erfolgt. Die oszillierende Beaufschlagung kann Anteile periodischer und auch nichtperiodischer Obertöne enthalten, wobei insbesondere die Anteile der Obertöne von dem mechanischen Aufbau und der konkreten und technischen Realisierung des Aktors und dessen Ansteuerung bestimmt wird. Diese Anteile können auch über die Zeit wechseln. Bevorzugt werden aber hochfrequente Anteile besonders im Bereich von oberhalb 1000 Hz, besonders aber oberhalb von 500 Hz vermieden, reduziert oder vollständig unterdrückt. Die Erfindung sieht dabei bevorzugt vor, die mechanischen Eigenschaften, die das Frequenzverhalten des Aktors und im Übrigen des gesamten Membranreaktorsystems bestimmen, durch geeignete Ansteuerung des Aktors zu kompensieren. Eine feste elektrische mechanische Kopplung mit dem Aktor ist bevorzugt. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen mechanische Tiefpass- und Hochpassverhalten der Komponenten und/oder ihrer Kopplungen gezielt einzusetzen, um die Oszillation in dem beabsichtigten Frequenzband zu bewirken. Eine besondere Variante davon ist ein mechanischer Resonator, besonders ein fluidischer Resonator, besonders an oder in dem Reaktor, der selbst die Oszillation in dem beabsichtigten Frequenzband erzeugen kann.
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Durch die Wahl der Oszillationsfrequenz und Oszilliationsamplitude der erfindungsgemäßen Druckbeaufschlagung kann an den Zellen eine unerwünschte Porenbildung in der Zellmembran, Vorläufer der finalen Zelldesintegration (Zelltod durch Auflösung) verhindert oder vermieden werden.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Membranreaktorsystems ist der mindestens eine Aktor mit mindesten seinem flexiblen oder verschieblichen Wandabschnitt des Reaktorgehäuses unmittelbar in Kontakt, das heißt besonders mit diesem mechanisch, gelenkig oder starr, verbunden. Dabei ist der Aktor besonders mit demjenigen Wandabschnitt des Gehäuses verbunden, der zumindest mit demjenigen Kompartiment in unmittelbarem Kontakt steht, auf welches die oszillierende Druckbeaufschlagung, und infolge auf das in diesem Kompartiment enthaltenen Fluid, durch den Aktor erfolgen soll.
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In einer besonderen Variante dieser Ausgestaltung ist die Verschiebung des Wandabschnitts des Reaktorgehäuses durch diesen Aktor im Wesentlichen senkrecht zur Ebene beziehungsweise Längsausdehnung der Membran in dem Reaktor bewirkbar.
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In einer alternativen Ausführung ist der Aktor unmittelbar mit dem Fluid in dem Kompartiment über eine Fluidverbindung verbunden. Diese Verbindung kann in einer Variante durch einen flexiblen Schlauch mit geringer Eigenelastizität erfolgen, um die oszillierende Druckbeaufschlagung der Aktorik aus der Ferne in das Fluid in dem Membranreaktor zu vermitteln. Dies ist besonders von Vorteil bei räumlichen Beschränkungen und/oder Anforderungen an die Sterilität oder Kontaminationsfreiheit von Teilen des Systems.
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Bevorzugte Aktoren sind pneumatisch betriebene Aktoren, besonders Luftkissen, die mechanisch mit der Reaktorgehäusewand gekoppelt sind oder diese selbst bilden. Alternative pneumatisch betriebene Aktoren sind Druckzylinder, die mechanisch oder fluidisch mit dem Reaktor verbunden sind.
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Eine alternative pneumatische Aktorik wirkt unmittelbar pneumatisch auf den Flüssigkeitsspiegel des Mediums in einem Kompartiment des Reaktors. Im Falle der Ausführung des Reaktors in Form einer, nach „oben“ offenen Mikrotiterplatte mit mindestens einem von oben zugänglichen Kompartiment, kann durch einen geeigneten dichtenden Druckstempel eines der zugänglichen Kompartimente über eine Druckleitung pneumatisch direkt druckbeaufschlagt werden. Eine bevorzugte Ausführung davon umfasst dabei eine Druckvorlage und ein schnell schaltendes Druckventil mit Entlüftung, wodurch der Druck im Rhythmus der erfindungsgemäßen Oszillation auf das Kompartiment wiederholend schaltbar und entlüftbar ist.
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Weitere Aktoren sind mechanische Kolben und Zylinder zur Druckerzeugung sowie allgemein mit dem Reaktor mechanisch oder fluidisch verbundene Pleuel- und Nockenantriebe und vergleichbare Systeme. Weitere Aktoren sind elektromechanische Antriebe, besonders elektrodynamische Systeme (Schwingspule), piezoelektrische Systeme, Linearmotoren und vergleichbare Systeme, sowie hydraulische oder pneumatische Hubzylinder oder Luftkissen, die mechanisch oder fluidisch mit dem Reaktor verbunden sind. Als Aktoren dienen, wie vorstehend beschrieben, besonders auch Mittel, die direkt mit den Fluiden und Medien in den Kompartimenten über Fluidkanäle verbindbar sind, und zwar besonders Druckvorlagen oder Windkessel, die über die Tätigkeit von insbesondere elektrischen oder pneumatischen Schnellschaltventilen wiederkehrend mit dem Fluid oder Medium verbindbar sind.
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Aktoren sind also primär mechanisch basierte Systeme und Elemente, die zu einer wiederkehrenden oszillierenden aber in Summe ortsfesten Aktion befähigt und geeignet sind. Hingegen sind besonders Pumpsysteme wie Mikropumpen, Membranpumpen, Peristaltikpumpen und dergleichen, die einen Nettofluss eines Fluids bzw. Mediums bewirken können, nicht als Aktoren im Sinne der Erfindung einsetzbar. In bevorzugten Ausführungen der Erfindung sind solche Pumpsysteme als erfindungsgemäße Aktoren ausdrücklich ausgeschlossen.
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Da gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung hochfrequente Druckbelastungen und Pulswellen vermieden werden sollen, besonders Frequenzanteile über 1000 Hz und vor allem über 500 Hz, sind solche Aktoren, die bekanntermaßen besonders geeignet und speziell ausgebildet sind, hochfrequente Impulse zu erzeugen, wie Ultraschallgeber, von der Erfindung bevorzugt ausdrücklich ausgeschlossen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren unter Einsatz des hier beschriebenen erfindungsgemäßen Reaktorsystems, welches besonders dafür geeignet ist, die Stofftransportvorgänge an der Membran des Reaktorsystem zu bewerkstelligen, zu verbessern und insbesondere diese Transportvorgänge zu steuern. Das erfindungsgemäße Verfahren enthält demgemäß zumindest die folgenden Schritte: Nachdem ein Membranreaktorsytem gemäß der Erfindung mit durch eine insbesondere semi-permeable Membran getrennten Kompartimenten bereitgestellt ist, werden die Fluide jeweils getrennt in die Kompartimente aufgenommen. Erfindungsgemäß erfolgt ein mechanisches Beaufschlagen zumindest eines der Fluide in einem Kompartiment mit einem oszillierendem Druck mittels mindestens eines Aktors des Membranreaktorsytems der Erfindung, der zumindest mit dem Fluid in dem Kompartiment in Wirkverbindung, besonders in mechanischer oder fluidischer Verbindung steht. Bevorzugt ist dabei, dass die wobei die oszillierende Druckbeaufschlagung keinen positiven Nettofluss des Fluids durch den Reaktor bewirkt.
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Ein Membranreaktorsystem wie hierin beschrieben mit durch eine selektive Membran getrennte Kompartimente wird bereitgestellt, in einem weiteren Schritt werden Fluide jeweils getrennt in die durch die selektive Membran getrennte Kompartimente aufgenommen und erfindungsgemäß wird zumindest eines der Fluide in einem Kompartiment mit einem oszillierenden Druck mechanisch beaufschlagt, und zwar mittels des erfindungsgemäßen Aktors des erfindungsgemäßen Membranreaktorsystems, der zumindest mit diesem Fluid in dem Kompartiment in Wirkverbindung steht, um die oszillierende Druckbeaufschlagung in das Fluid zu vermitteln.
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Das Verfahren sieht bevorzugt vor, die oszillierende Druckbeaufschlagung durch eine oszillierende Hubbewegung mindestens eines flexiblen oder verschieblichen Wandabschnitts des Gehäuses zu bewirken, und zwar besonders in einem Wandabschnitt, der an dasjenige Kompartiment grenzt, worin sich das mit oszillierendem Druck zu beaufschlagende Fluid befindet.
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Wie vorstehend skizziert, ist die oszillierende Druckbeaufschlagung von vergleichsweise hoher Frequenz und vergleichsweise kleiner Amplitude und bewirkt daher keinen Nettofluss des Mediums/Fluids durch den Reaktor. Das Verfahren sieht dazu vor, die oszillierende Druckbeaufschlagung an dem mindestens einen Fluid, besonders also eine oszillierende Hubbewegung an dem Aktor und/oder dem verschieblichen oder flexiblen Wandabschnitt, mit einer periodischen Grundschwingung von 0,5 bis 100 Hz, bevorzugt von 10 bis 100 Hz zu bewirken, zusätzlich bevorzugt mit einer Amplitude, die etwa 1 bis maximal 30 %, bevorzugt von 5 bis 15 % des Gesamtvolumens des Fluids in dem Kompartiment entspricht. Neben periodischen Oszillationen der Druckbeaufschlagung umfasst die Erfindung auch im Wesentlichen nicht periodische Oszillationen, die zwar auch bevorzugt mehrfach wiederholt applizierbar sind, an sich aber keine periodischen Schwingungsanteile aufweisen oder zumindest stark gedämpft sind. Besonders sind dies breitbandige Einzelimpulse oder Stoßwellen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Steuerung des Grades des Stoffaustausches zwischen den Fluiden über die Membran des Membranreaktors hinweg durch Änderung mindestens eines der Parameter der oszillierenden Druckbeaufschlagung, und zwar bevorzugt ausgewählt aus Frequenz und Amplitude der Oszillation. Bevorzugt ist dabei eine Regelung, insbesondere automatische Regelung des Grades des Stoffaustausches zwischen den Fluiden vorgesehen. Dabei sieht das Verfahren in einem weiteren, wiederkehrenden Schritt vor, den Grad des Stoffaustausches mit einem geeigneten Sensor zu bestimmen (Ist-Wert) und durch Beeinflussung mindestens eines der Parameter der Oszillation (Stellgröße): Frequenz und Amplitude auf einen vorbestimmten Wert (Soll-Wert) zu regeln, und zwar über den erfindungsgemäß vorgesehenen Aktor (Stellglied). Auf diese Weise kann der Stoffaustausch insbesondere in kontinuierlichem Verfahren kontrolliert und eine gleichbleibende Produktqualität, beziehungsweise ein gleichbleibender Kultivierungserfolg erreicht werden.
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Ein mittels des Sensors prüfbarer Parameter erlaubt dabei entweder direkt oder indirekt Aussagen über den Grad des Stoffaustausches über die Membran, deren Permeabilität für einen Stoff und/oder über die Dicke und Ausprägung einer Deckschickt. Ein solcher Parameter ist besonders ausgewählt aus: pH-Wert des Mediums, elektrischer Gleich- oder Wechselstromwiderstand (Impedanz) über die Membran, Produktkonzentration (Bioproteinsynthese), optische Transmission, Fluoreszenz von Markersubstanzen und ähnliches sowie auch jeweils der Grad der zeitlichen Änderung eines oder mehrerer dieser Parameter auf externe „Reize“ hin. Der Fachmann kennt die zur insbesondere nicht-invasiven Messung der Größen einsetzbaren Sensoren.
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Gegenstand der Erfindung ist daher auch ein Verfahren, wobei die Steuerung des Grades des Stoffaustausches zwischen den Fluiden über die Membran durch Änderung mindestens eines der Parameter der oszillierenden Druckbeaufschlagung: Frequenz und Amplitude, erfolgt.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des vorbeschriebenen Bioreaktorsystems mit Aktor zur oszillierenden Druckbeaufschlagung zum Zwecke der Verbesserung des Stofftransports zwischen Fluiden über die Membran hinweg, besonders zur Steuerung oder Regelung des Stofftransports zwischen diesen Fluiden, besonders anhand des erfindungsgemäßen Aktors als Stellglied.
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Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Figuren und deren Beschreibung näher beschrieben, ohne dass dies beschränkend für die hier verfolgte technische Lehre sein soll. Die nachfolgend beschriebenen Merkmale der konkret genannten Ausführungsbeispiele sind jeweils auch losgelöst für sich genommen Merkmale individueller Ausgestaltungen der Erfindung und sind nicht nur in der konkret dargestellten Kombination der Ausführungsbeispiele zu verstehen.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung der Erfindung in Form eines Membranreaktors, der besonders in größerer Anzahl in einer an sich bekannten Mikrotiterplatte gebildet wird, und zwar durch Einsetzen von sogenannten Inserts, welche die Membran 30 tragen. Durch das eingesetzte Insert 33 mit Membran werden in der Mikrotiterplatte getrennte Kompartimente gebildet. In bekannten Ausgestaltungen solcher Mikrotiterplatten mit Inserts 33 sind beide Kompartimente, diesseits und jenseits der Membran, wie für die maschinengestützte automatisierte Zellkultivierung sinnvoll und zweckmäßig, von der Oberseite der Miktrotiterplatte erreichbar. Zweckmäßigerweise ist das zu kultivierende Gewebe oder die Zellsuspension in dem durch das eingesetzte Insert gebildete Kompartiment des Membranreaktors kultiviert. Ein solcher Membranreaktor weist also ein äußeres Gehäuse 20 und eine von einem Insert geträgerte Membran 30 auf, welche ein Kompartiment 32 innerhalb des Inserts 33 von einem Kompartiment 34 außerhalb des Inserts trennt. Die Kompartimente 32 und 34 können jeweils flüssige Medien 42 und 44 aufnehmen. Der Gasraum 45 über dem Medium 44 des zweiten, äußeren Kompartiments 34 ist nach außen offen; es findet mit der Umgebung ein Druckausgleich statt.
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Im Betriebszustand des Membranreaktorsystems 10 ist im vorgestellten Ausführungsbeispiel das innere, erste Kompartiment 32 über den Kopf 50 druckdicht abgedeckt. Der Kopf 50 ist als Druckventil ausgebildet mit wiederkehrender Aktuierung und weißt eine schaltbare Verbindung 52 zu einer (nicht gezeigten) Druckvorlage und optional einen separaten Entlüftungskanal 53 auf. Über den Kopf 50 ist der Gasraum 43 über dem Medium 42 des ersten Kompartiments 32 und damit das Medium 42 selbst oszillierend druckbeaufschlagbar. Der Aktuatorkopf 50 dichtet zumindest das Kompartiment 32 an dem Gasraum 43 über dem Medium 42 gegenüber der Umgebung gas- und druckdicht ab.
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Im Falle einer Mikrotiterplatte mit mehrfach ausgeführten Membranreaktoren, kann der Kopf 50 zum Zwecke einer sequenziellen oszillierenden Druckbeaufschlagung der Reaktoren verschieblich ausgebildet sein. Alternativ sind mehrere Köpfe 50 parallel ausgebildet, um mehrere erfindungsgemäße Reaktorsysteme gleichzeitig zu bilden.
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2A und 2B zeigen eine Ausgestaltung der Erfindung als Hohlfasermembranmodul (Querschnittsansicht, nicht skalierbar) zu verschiedenen Arbeitsphasen einer erfindungsgemäßen Aktuierung. Die einzelnen Hohlfasermembranen 30 bilden in ihrer Gesamtheit das Kompartiment 34, das im bestimmungsgemäßen Betrieb von einem Fluid 44 in Richtung der Hohlfasern durchströmt wird. Zwischen Reaktorgehäusewand 22 und den Hohlfasern 30 ist das Kompartiment 32 gebildet, das im Betrieb von einem Fluid 42 durchströmt wird. Die Reaktorgehäusewand 22 ist erfindungsgemäß flexibel und/oder elatisch und verschieblich, und zwar vor allem quer zur primären Längsausdehnung der Hohlfasern 30 und damit im Sinne eines bevorzugten Aspekts der Erfindung im Wesentlichen senkrecht zur Ebene der Membran 30. Eine Reihe von pneumatischen Kissen dienen als erfindungsgemäße Aktoren 50. Sie sind geeignet, verschiebliche Wandabschnitte 22 an dem Reaktorgehäuse 20 in Richtung der Hohlfasern 30 auszulenken und so die oszillierende Druckbeaufschlagung zumindest auf das Fluid 42 des Kompartiments 32 zu bewirken. 2A zeigt den Querschnitt bei betätigten Aktuatoren 50 (maximale Auslenkung der Wand 22), 2B zeigt denselben Querschnitt mit den Aktuatoren 50 in Ruheposition. Es wird zur oszillierenden Druckbeaufschlagung zwischen beiden Positionen wiederkehrend gewechselt, beispielsweise durch wechselnde pneumatische Betätigung der Aktuatoren 50 in Form von Luftkissen.
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3 zeigt, im Querschnitt und nicht skalierbar, die Vorrichtung nach 2A und 2B, wobei schematisch die Vektoren der im Betrieb durch die erfindungsgemäße wiederkehrende Druckbeaufschlagung durch Auslenkung der Wand 22 quer zur Ausrichtung der Hohlfasermembran 30 dargestellt sind.
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4 zeigt, schematisch und nicht skalierbar, anhand eines allgemeinen Cross-Flow-Reaktors mit in einem Reaktorgehäuse (20) durch eine Membran (30) getrennten Kompartimenten (32, 34) zur jeweiligen Aufnahme von Fluiden (42, 44) das erfindungsgemäße Prinzip: Fluide (42, 44) strömen jeweils an Einlässen (23) in das Reaktorgehäuse (20) ein und strömen an Auslässen (24) aus. Die Flüsse der Fluide (42, 44) durch den Reaktor (20) entlang der Membran (30) werden erfindungsgemäß durch oszillierende Druckimpulse im Wesentlichen quer zur Membranfläche und/oder quer zu der Richtung des Nettoflusses besonders im Bereich der Membran turbulent, wodurch laminare Strömungen und lokale Grenzschichten an der Membran aufgebrochen werden. Die oszillierenden Druckimpulse wirken vermittels eines Aktors (50) über einen verschieblichen, insbesondere flexiblen und elastischen Wandabschnitt (22) auf mindestens eines der Fluide (42) in den Kompartimenten (32, 34) des Reaktors ein.
