DE10243837A1

DE10243837A1 - Verfahren und Durchflusszelle zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE10243837A1
Application number: DE10243837A
Authority: DE
Inventors: Sergio Freitas; Bruno Gander; Norbert Lehmann
Original assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Dr Hielscher GmbH
Current assignee: Eidgenoessische Technische Hochschule Zurich ETHZ; Dr Hielscher GmbH
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-03-25
Also published as: WO2004026452A1; AU2003266388A1; AU2003266388A8

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Durchflusszelle zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen mittels Ultraschall. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Durchflusszelle zur kontinuierlichen Beschallung von fließfähigen Zusammensetzungen, insbesondere von kleinen Flüssigkeits-Volumina im Durchlaufprinzip zu beschreiben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine effiziente Bearbeitung von Flüssigkeiten wie Dispergieren, Emulgieren, Desagglomerieren, Zellaufschluss, Extrahieren, Homogenisieren, Entgasen und dergleichen gewährleistet werden, ohne eine direkte Verbindung zwischen der metallischen Sonotrode und dem zu beschallenden Medium herzustellen, wobei die zu beschallende fließfähige Zusammensetzung während der Beschallung nach Bedarf von Umwelteinflüssen isoliert gehalten werden kann, wird durch ein Verfahren dadurch gelöst, dass die Arbeitsflüssigkeit 80 in der Durchflusszelle 4 über eine unter erhöhten Druck gesetzte Flüssigkeit 90 indirekt mit Ultraschall beschallt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Durchflusszelle zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen (Arbeitsflüssigkeit) mittels Ultraschall, wobei die fließfähige Zusammensetzung während der Beschallung nicht direkt mit dem Schallgeber in Berührung kommt und von Umwelteinflüssen vollständig isoliert werden kann, gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 15.
Die Erfindung kann zur kontinuierlichen, berührungs- und kontaminationsfreien Beschallung fließfähiger Zusammensetzungen mit Ultraschall eingesetzt werden.
Anwendung findet das Verfahren beispielsweise in den Bereichen der Pharmatechnologie, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Zellbiologie, Kosmetik, Elektronik und Elektrotechnik zum Zwecke der Mischung von zwei oder mehreren Flüssigkeiten, zur Mischung von Gasen und Flüssigkeiten, zur Emulgierung von zwei nicht oder nur teilweise mischbaren Flüssigkeiten, zur Homogenisierung von kolloidalen und grobdispersen Zubereitungen, zur Desaggretation und Zerkleinerung von Feststoffen in einer Flüssigkeit, zur Kontrolle von Kristallbildung (Sonokristallisation), zur Suspendierung von Feststoffen in Flüssigkeit, zur Desaggregation und Homogenisation von biologischen Organteilen, zum Zellaufschluss, zur Entgasung von Flüssigkeiten, zur Steuerung insbesondere Beschleunigung chemischer Reaktionen, als Prozesszwischenstufe bei der Herstellung von Liposomen, mizellaren Systemen, Nano- und Mikroemulsionen, Nanopartikeln, Nanokapseln, Mikrosphären und Mikrokapseln und dergleichen.

Schallwellen der Frequenzen 18 bis ca. 150 kHz (Ultraschall) sind eine Energiequelle, die vielseitig in der Verfahrenstechnik zur Manipulation fließfähiger Systeme eingesetzt werden kann.

Um sich von Ultraschall höherer Frequenzen (bis viele MHz), welche vor allem für Mess- und diagnostische Zwecke Anwendung finden, abzugrenzen, spricht man auch von „Leistungsultraschall".

Bei hinreichend guter Übertragung der Schallenergie auf das flüssige Medium sowie dem Überschreiten einer systemabhängigen Grenzamplitude, kommt es im beschallten Medium zu Kavitation. Unter Kavitation versteht man die Bildung feinster Gasblasen, die durch fortlaufenden Druckwechsel aufgrund der in das Fluid übertragenen Schwingung in ihrer Grösse wachsen und schließlich implodieren. Bei der Implosion bilden sich Mikrojets, welche zu lokal konzentrierten, extrem hohen Drücken und Temperaturen führen. Der Energieeintrag durch Kavitation kann genutzt werden, um chemische Reaktionen zu initiieren, zu beschleunigen oder in ihrer Selektivität zu beeinflussen.

Weiterhin kann die in das flüssige System eingetragene Energie zur intensiven Durchmischung und zur Dispergierung mehrphasiger Systeme verwendet werden. Bekannt ist die Verwendung von Ultraschall zur Erzeugung von Emulsionen (z.B. DE 197 56 874 A1 ), zur Zerkleinerung, Desagglomeration und Dispergierung von Feststoffen in Flüssigkeiten (z.B. Vasylliv und Sakka 2001) und zum Aufschluss von biologischem Material, beispielsweise Zellen (z.B. DE 42 41 154 C1 ).

Aus der DE 197 56 874 A1 ist eine Vorrichtung zum Herstellen von dispersen Stoffgemischen mittels Ultraschall bekannt, bei der die Abstrahlfläche der Sonotrode in direktem Kontakt mit der zu bearbeitenden Flüssigkeit steht.

Aus der DE 42 41 154 C1 ist es bekannt, Zelldispersionen oder Zellsuspensionen mittels Ultraschall in einer Durchflusszelle aufzuschließen, um Zellinhaltsstoffe zu gewinnen, indem die Sonotrode zu ½ bis 2/3 ihrer Länge in die Durchflusszelle hineinragt. Es werden dabei der Eintauchwinkel und die Eintauchtiefe der Sonotrode in Abhängigkeit vom Feststoffanteil des zu beschallenden Mediums eingestellt.

Beschrieben ist auch die Nutzung von Ultraschall zur Erzeugung von Liposomen (Arnardóttir et al. 1995). Schliesslich findet Ultraschall zum Entgasen von Flüssigkeiten Anwendung.

Eine verbreitete Anwendung findet Ultraschall in der Erzeugung von Emulsionen. Im folgenden soll daher tiefer auf dieses Anwendungsgebiet eingegangen werden, ohne jedoch die beschriebene Erfindung auf dieses Gebiet beschränken zu wollen. Unter einer Emulsion versteht man ein disperses System zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, die sich nicht oder nur teilweise mischen. Bei der Herstellung von Emulsionen wird häufig von einer grobdispersen Rohemulsion ausgegangen, welche z.B. mittels eines einfachen Rührapparates erzeugt werden kann, im allgemeinen wenig stabil ist und sich innerhalb von Minuten wieder in mehrere Phasen zerlegt. Durch Eintragen weiterer mechanischer Energie werden die groben Tropfen der Rohemulsion weiter bis in den Mikro- oder Nanometer-Massstab zerteilt. Durch den Einsatz von oberflächenaktiven Substanzen und/oder Stabilisatoren kann eine Koaleszenz der Tröpfchen und ein Aufrahmen der Emulsion verhindert und diese so über Stunden, Monate oder gar Jahre stabilisiert werden.

Es wurde festgestellt, dass mittels Ultraschall Emulsionen von vergleichbarer Güte wie jene aus etablierten Verfahren (Hochdruckhomogenisation) erzeugt werden können (Behrend et al. 2000). Eine Steigerung der Energiedichte (eingetragene Leistung pro Volumen mal Beschallungszeit bei Batchsystemen bzw. pro Volumenstrom bei kontinuierlichen Systemen) führt zu einer Verkleinerung der Tröpfchengrössen (Bechtel et al. 2000, Behrend et al. 2000). Eine Steigerung der Energiedichte kann entweder durch höheren Leistungseintrag erfolgen oder durch eine Vergrösserung der Verweilzeit der Emulsion in der Zone hoher Kavitationsintensität.

Die diskontinuierliche Beschallung von flüssigen und flüssig-dispersen Stoffsystemen erfolgt im allgemeinen, indem die betreffenden Substanzen in einem geeigneten Gefäss vorgelegt und gegebenenfalls zur Erzeugung einer groben Vormischung gerührt werden. In diese Flüssigkeit wird dann ein geeigneter Schallgeber eingetaucht und für eine definierte Zeit aktiviert. Häufig besteht der Schallgeber aus piezokeramischen Elementen, welche von einem HF-Generator mit einer Wechselspannung versorgt werden. Die Wechselspannung, deren Frequenz jener des zu erzeugenden Schalls entspricht, erzeugt eine Verformung der Piezokeramiken, welche somit in eine mechanische Schwingung versetzt werden. An die piezokeramischen Schwingelemente gekoppelt ist eine Sonotrode, die die Schwingungen gegebenenfalls verstärkt und in die zu beschallende Flüssigkeit überträgt, indem ihr Ende in die Flüssigkeit eingetaucht wird.

Ein grosser Nachteil dieses Verfahrens ist die mangelnde Möglichkeit eines Scale-Up zu grösseren Massstäben. Der von der Sonotrode intensiv beschallte Raum beschränkt sich grob auf einen sich von der Sonotrodenoberfläche aus verjüngenden Kegel, der nur wenige Zentimeter in den beschallten Raum ragt. Flüssigkeit, die sich ausserhalb dieses kegelförmigen Raumes befindet, wird nur unzureichend vom Schall beeinflusst. Mit zunehmendem Volumen des zu beschallenden Gefässes wird das Verhältnis von intensiv beschalltem Raum zum weniger beeinflussten Raum drastisch ungünstiger.

Vorteilhaft ist gemäss DE 197 56 874 A1 die Verwendung eines Gefässes, das im Durchmesser nur wenig grösser ist als die Abstrahlfläche der Sonotrode.

Weiterhin können Einbauten oder ein Rühren der Flüssigkeit das effektiv beschallte Volumen vergrössern. Generell vorteilhaft ist eine kontinuierliche Anordnung, bei der die mit Ultraschall zu beaufschlagende Flüssigkeit in einer Durchflusszelle durch den intensiv beschallten Raum direkt unter der Sonotrode gezwungen wird. Die Variation der Flussgeschwindigkeit ermöglicht eine Anpassung der Verweilzeit in der Schallzone.

Aus der Patent- und wissenschaftlichen Literatur sind eine Reihe solcher Anordnungen bekannt.

DE 197 56 874 A1 beschreibt u.a. einen Strömungskanal vom Durchmesser der Abstrahlfläche der verwendeten Sonotroden, in den mehrere Sonotroden in Reihe eingebaut werden können. Ebenfalls dort beschrieben ist die Hintereinanderschaltung mehrerer durchströmter Gefässe, in die Sonotroden hinein ragen.

DE 43 27 679 A1 beschreibt ein Verfahren zum Aufschluss von Zellmaterial mittels Ultraschall, in dem vorteilhafte Konditionen wie Winkel, Eintauchtiefen und Volumenverhältnisse für eine in eine Durchflusszelle hinein ragende Sonotrode genannt werden.

Bekannt sind auch Anordnungen mit durchströmten, topfähnlichen Gefässen von geringem Volumen, in welchen die zu beschallende Flüssigkeit an einer Sonotrode vorbeigeführt wird ( US 5 032 027 , GB 2 250 930 A ).

DE 28 46 462 A1 beschreibt eine kontinuierliche Emulgierung mittels einer durchströmten Kammer, in der ein schwingendes Element umströmt wird oder an deren Berandung Schallgeber installiert sind.

DE 39 30 052 A1 beschreibt weiterhin eine Anordnung, in der in einem durchströmten Kanal speziell gestaltete Reflexionswände den Schallgebern gegenüber angeordnet werden.

Gemeinsam ist all diesen Verfahren der Nachteil, dass sich der Schallgeber in direktem Kontakt mit dem beschallten Medium befindet. Durch die in der beschallten Flüssigkeit erzeugte Kavitation kommt es zur Ablösung feinster Partikel aus dem Sonotrodenmaterial. Nach längerem Betrieb ist dieses in Form von Rillen, Löchern u.ä. makroskopisch auf der Sonotrodenoberfläche sichtbar. Intensiviert wird das Problem bei der Beschallung feststoffhaltiger Suspensionen, da die Feststoffpartikel einen zusätzlichen abrasiven Effekt auf die Sonotrodenoberfläche ausüben. Die beschriebene Abgabe von Partikeln in das beschallte Medium ist beispielsweise bei der Erzeugung von Produkten für pharmazeutische Zwecke problematisch. Die meisten handelsüblichen Ultraschallquellen sind mit Sonotroden aus metallischen Legierungen ausgestattet. Es kommt somit zum Eintrag von metallischen Feinstpartikeln und Metall-Ionen in das mit Ultraschall beaufschlagte Medium. Ist das durch das Beschallen erzeugte Produkt zur medizinischen Anwendung, insbesondere zur parenteralen Verabreichung am Mensch oder Tier, vorgesehen oder wird es zu einem medizinisch zu verabreichenden Produkt weiterverarbeitet, stellen die von der Sonotrode abgegebenen Metallpartikel oder -ionen ein Sicherheitsrisiko für Mensch oder Tier dar. Gleiches gilt für die Produktion von Arzneimitteln, die am Auge, in der Lunge, auf grossflächig verletzten Hautarealen oder in Körperhöhlen (z.B. Vagina, Uterus, Harnblase) angewendet werden. Des weiteren kann es zu einer unerwünschten Interaktion der freigesetzten Metallpartikel und -ionen mit Bestandteilen – insbesondere den Wirkstoffen – des pharmazeutischen Produktes kommen, welches somit im schlimmsten Fall inaktiviert oder zu toxischen Produkten umgewandelt werden kann. Generell führt eine Kontamination des beschallten Produktes mit aus der Sonotrode freigesetzten Substanzen dann zu Problemen, wenn es, wie am Beispiel des pharmazeutischen Produktes erläutert, zu einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen dem aus der Sonotrode freigesetzten Material und Bestandteilen des beschallten Gutes kommt. Unerwünschte Wechselwirkungen wären beispielsweise Hydrolyse, Oxidation oder Reduktion, Komplexbildung, Aggregation, Fällung, Konformationsänderung von Bestandteilen des beschallten Gutes. Dieses kann beispielsweise auch dann auftreten, wenn Zellen zur Gewinnung von Inhaltsstoffen (z.B. Proteine, Peptide, Antikörper, etc.) aufgeschlossen werden. Weiterhin können von der Sonotrode freigesetzte Partikel und Ionen bei einer Analyse des beschallten Produktes beeinträchtigend wirken oder diese verunmöglichen.

Ein weiteres bislang nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist eine unproblematisch durchzuführende aseptische, also keimfreie Beschallung fliessfähiger Systeme. Existierende Systeme weisen entweder keine hermetische Abdichtung gegenüber der Umgebung auf und/oder sind nur schlecht in validierbarer Weise zu reinigen und zu sterilisieren.

Bedarf an aseptisch produzierten fliessfähiger Stoffsystemen besteht insbesondere im Bereich der pharmazeutischen Produkte, weiterhin bei Kosmetika und Lebensmitteln. Letztere profitieren von einer aseptischen oder zumindest keimarmen Produktion, indem der Zusatz von Konservierungsstoffen verringert oder ganz vermieden werden kann. Gleiches gilt für die Herstellung von Pharmazeutika für topische Anwendungen, insbesondere auf der geschädigten Haut, am Auge, in der Lunge oder in Körperhöhlen. Pharmazeutika für parenterale Verabreichung, welche also injiziert werden, oder Pharmazeutika zur Anwendung am verletzten Auge, auf grossflächig geschädigten Hautarealen oder zur Spülung von Körperhöhlen müssen zwingend steril sein. Eine Endsterilisierung kann nachteilig oder auch unmöglich sein, womit eine aseptische Produktionsweise unvermeidbar ist. Beispiele für parenteral verabreichbare Pharmazeutika sind Infusionslösungen zur parenteralen Regulierung des Wasser-, Elektrolyt- und Kohlehydrathaushaltes, Zubereitungen zur totalen parenteralen Ernährung, sowie arzneistoffhaltige Zubereitungen (beispielsweise wässrige oder ölige Lösungen, Emulsionen, Suspensionen, Mikroemulsionen) und Impfstoffe. Solche parenteralen Zubereitungen werden im allgemeinen intravenös, intraarterial, intramuskulär, subkutan, intradermal, intraperitoneal, intraocular, intraarticulär oder intralumbal verabreicht. Sie bestehen häufig aus dispersen Systemen oder durchlaufen im Zuge ihrer Produktion einen oder mehrere Dispergierschritte. In der Literatur gibt es Beispiele, bei denen Ultraschall zur Erzeugung solch disperser Systeme eingesetzt wurde. Bei der Verkapselung hydrophiler Wirkstoffe in biodegradierbare Mikrosphären beispielsweise wird in einem ersten Produktionsschritt häufig eine Emulsion aus wässriger Wirkstofflösung und organischer Polymerlösung erzeugt, die dann zu Mikrosphären weiterverarbeitet wird. Hier ist.. der Einsatz von Ultraschall eine standardmässig angewandte Methode (z.B. Cohen et al. 1991, Yang et al. 2001). Liposomen, Mikrosphären und -kapseln, Nanopartikel und – kapseln und wirkstofffreisetzende Implantate sind weitere Beispiele für Systeme, die bei ihrer Produktion Dispergierschritte durchlaufen können.

Zusammenfassend besteht somit ein grosses Potenzial für ein Ultraschallsystem, das in der Lage ist, unter aseptischen Bedingungen disperse Stoffsysteme ohne eine Kontamination durch Partikel von der Sonotrode zu erzeugen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Durchflusszelle zur kontinuierlichen Beschallung von fließfähigen Zusammensetzungen, insbesondere auch von kleinen Flüssigkeits-Volumina im Durchlaufprinzip zu beschreiben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine effiziente Bearbeitung einer fliessfähigen Zusammensetzung wie Mischen, Dispergieren, Emulgieren, Suspendieren, Sonokristalliesieren, Zerkleinern, Desagglome-rieren, Zellaufschluß, Extrahieren, Homogenisieren, Entgasen und dergleichen gewährleistet werden, ohne eine direkte Verbindung zwischen der metallischen Sonotrode und der zu beschallenden fliessfähigen Zusammensetzung herzustellen, wobei die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) während der Beschallung nach Bedarf von Umwelteinflüssen isoliert gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen der Durchflusszelle des Anspruchs 15 gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit in der Durchflusszelle über eine unter erhöhten Druck gesetzte Flüssigkeit indirekt mit Ultraschall beschallt wird.

Die Durchflusszelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die von der Arbeitsflüssigkeit durchströmte Durchflussstrecke von einem Druckmantel umgeben ist, an den ein Ultraschallwandler zur Schwingungsanregung angeschlossen ist, wobei sich zwischen einer Außenwandung der Durchflussstrecke und dem Druckmantel zur Vermeidung von Kavitation eine unter erhöhtem Druck stehende Flüssigkeit befindet.

Durch die indirekte Schwingungsanregung einer Durchflussstrecke aus beispielsweise einer Glas- oder Kunststoffröhre (Durchflusszelle), in der sich die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) befindet, über eine unter Druck stehende Flüssigkeit in einem umgebenden Rohr, die gleichzeitig als Kühlung wirken kann, wird erreicht, dass keine Kontamination der zu beschallenden fliessfähigen Zusammensetzung mit Metallen erfolgen kann.

Der erhöhte Druck der Flüssigkeit verhindert die Kavitation in der Flüssigkeit und somit Übertragungsverluste. Der Ultraschall wirkt mit hoher Intensität auf die Durchflusszelle und auf die darin strömende Arbeitsflüssigkeit ein und bewirkt die in der Arbeitsflüssigkeit erwünschte Kavitation.

Die Durchflusszelle ist leicht auswechselbar, es können variable, bei Bedarf auch kleinste Volumina im Durchfluß effizient bearbeitet werden, es gibt keine schalltoten Räume (Totvolumina), die Durchflusszelle kann in bestehende Systeme einfach integriert werden.

Die Arbeitsflüssigkeit kann hermetisch abgeschlossen werden.

Das System (Anordnung) kann in unterschiedlichen Abmessungen in Abhängigkeit von der Durchflussrate und der notwendigen Ultraschallenergie realisiert werden.

Das vorliegende Verfahren ist besonders vorteilhaft, weil es die in vielen Bereichen häufig verwendete Ultrabeschallung fliessfähiger Systeme unter Ausschluss von Kontamination ermöglicht. Insbesondere wird beim erfindungsgemässen Verfahren die Schallenergie nicht, wie bei herkömmlichen Systemen üblich, durch direkten Kontakt einer schwingenden Fläche mit der zu beschallenden Flüssigkeit auf diese übertragen. Die Schallenergie wird statt dessen, wie weiter oben beschrieben, auf eine unter Druck stehende Flüssigkeit übertragen und von dieser an eine Durchflusszelle weitergegeben, durch welches die mit Ultraschall zu behandelnde fliessfähige Zusammensetzung strömt.

Die beschriebene Erfindung ist weiterhin hervorragend zur Beschallung von fliessfähigen Zusammensetzungen unter aseptischen Bedingungen geeignet.

Die beschallte fliessfähige Zusammensetzung kommt ausschliesslich mit dem im Druckmantel befindlichen Rohr (Durchflusszelle) in Kontakt und ist damit während der Passage der Ultraschallapparatur hermetisch von der Umgebung abgeschlossen und vor Kontamination geschützt.

Das mit der beschallten fliessfähige Zusammensetzung in Kontakt stehende Rohr (Durchflusszelle) kann sehr einfach sterilisiert werden.

Die nicht mit der fliessfähigen Zusammensetzung in Kontakt stehenden Apparateteile können auf einfache Weise oberflächendesinfiziert werden, beispielsweise durch Besprühen/Abreiben mit desinfizierenden Lösungen und/oder durch Behandlung mit kurzwelliger Strahlung, z.B. ultraviolettem Licht.

Der Zusammenbau der sterilisierten einzelnen Komponenten der Apparatur kann unproblematisch beispielsweise in einem Laminar-Flow-Arbeitsplatz, Isolator oder Reinraum erfolgen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Durchflusszelle ist die Möglichkeit, jenes Element der Apparatur, das mit der beschallten fliessfähigen Zusammensetzung in Kontakt steht, nämlich das durchströmte Rohr (Durchflusszelle), nach erfolgter Beschallung auszu-tauschen. Eine gegebenenfalls der Validierung bedürfende Reinigung des Rohres beim Wechsel von einem Produkt bzw. einer Charge zur nächsten sowie eine Kontrolle auf möglichen Verschleiss kann damit vermieden werden. In Abhängigkeit von dem für das Rohr verwendeten Material ist dieser Austausch mit nur geringen Kosten verbunden, die jene der Reinigung und Reinigungsvalidierung unterschreiten.

Weitere Vorteile bietet die erfindungsgemässe Durchflusszelle dadurch, dass die Temperatur des mit Ultraschall behandelten Produktes mit Hilfe einer Temperierung des den Druckmantel der Zelle durchströmenden Mediums kontrolliert werden kann. Sowohl eine Erwärmung als auch eine Kühlung des beschallten Produktes ist somit möglich. Je nach Anwendungszweck kommen dabei Temperaturen von –80 bis 200 °C in Betracht.

Im Zusammenhang mit der Durchführung von sonochemischen Reaktionen kann dieses genutzt werden, um das Reaktionsgemisch auf eine für die durchzuführende Reaktion günstige Temperatur zu erwärmen oder um durch eine exotherme Reaktion erzeugte Wärme abzuführen. Weiterhin kann über die Temperatur Einfluss auf Eigenschaften des beschallten Gutes genommen werden. So können beispielsweise Substanzen geschmolzen oder in geschmolzenem Zustand erhalten, die Festigkeit von zu zerteilenden Feststoffen beeinflusst oder thermolabile Substanzen bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur beschallt werden. Auch kann durch Dissipation von Schallenergie im beschallten Gut erzeugte Wärme abgeführt werden.

Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen der Beschallung einer fliessfähigen Zusammensetzung mit Ultraschall in einer Durchflusszelle nach der Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen zeichnung zeigen:

1 : die schematische Schnittdarstellung der Anordnung zur kontinuierlichen Beschallung einer fliessfähigen Zusammen setzung (Durchflusszelle),

2 : die schematische Darstellung des Verfahrensablaufs am Beispiel der Herstellung einer Dispersion aus Flüssigkeiten, Feststoffen, Gasen, wobei die Rohdispersion im Zuge der Förderung in die Durchflusszelle erzeugt wird und

3 : die schematische Darstellung des Verfahrensablaufs am Beispiel der Herstellung einer Dispersion aus Flüssigkeiten, Feststoffen, Gasen durch Vorgeschaltete Erzeugung der Rohdispersion vor der Durchflusszelle.

Die Durchflusszelle 4 zur kontinuierlichen Beschallung eines kleinen Flüssigkeitsvolumens besteht entsprechend der Darstellung in der 1 im wesentlichen aus einem Rohr 10, in dem ein bevorzugterweise nicht-metallisches Rohr 50 (Durchflussstrecke, Durchflusszelle) mit einer darin durchfließenden, zu beschallenden fliessfähigen Zusammensetzung 80 (Arbeitsflüssigkeit) über Abdichtungen 40 vom Rohr 10 beabstandet angeordnet ist.

Mit dem Rohr 10 ist zur Ultraschallanregung eine Ultraschallquelle 60 verbunden. Mit dem Raum zwischen dem Rohr 10 und der Durchflusszelle 50 sind ein Flüssigkeitszulauf 30 und ein Flüssigkeitsablauf 70 verbunden, welche durch Endmassen 20 geführt sind.

Das Rohr 10 wird durch den Ultraschallwandler 60 in Schwingungen versetzt, die über eine Flüssigkeit 90, zum Beispiel Wasser, auf die Durchflusszelle 50 übertragen werden. Die Flüssigkeit 90 steht unter Druck, zum Beispiel 4 bis 10 bar, um eine Kavitation der Flüssigkeit 90 und den frühen Verschleiß der Sonotrode des Ultraschallwandlers 60 und des Rohrs 10 zu verhindern. Gleichzeitig kann die Flüssigkeit 90 die Temperierung des Systems übernehmen.

Die Durchflusszelle 50 schwingt .mit der Flüssigkeit 90 und überträgt die Schwingungen auf die in ihr befindliche Arbeitsflüssigkeit 80.

Die Endmassen 20 dienen der schwingungstechnischen Entkopplung der Abdichtungen 40 und der Anschlüsse 30 und 70 für die Flüsigkeit 90.

Ein Wechsel der Durchflusszelle 50 erfolgt sehr einfach im ausgeschalteten Zustand des Gerätes im drucklosen Kühlkreislauf durch Lösen von nicht dargestellten Klemmungen im Bereich der Abdichtungen 40.

Zur Übertragung der Schallenergie von der Sonotrode auf die mit der Arbeitsflüssigkeit 80 durchströmte Durchflusszelle 50 kommen bevorzugt folgende Flüssigkeiten in Frage: Wasser, insbesondere destilliertes und deionisiertes, gegebenenfalls mit Zusätzen zur Änderung der kolligativen Eigenschaften (Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktssenkung); mineralische und natürliche Öle sowie Mischungen derselben; Silikonöle und Silikonöl-Mischungen, schwerflüchtige Flüssigkeiten aromatischer oder nicht-aromatischer Natur und Mischungen derselben; Quecksilber.

Als Werkstoffe für die von der zu beschallenden Arbeitsflüssigkeit 80 durchströmte Durchflusszelle 50 kommen bevorzugt folgende Materialien in Frage: Glas, zum Beispiel Glasart I, II oder III gemäss Europ. Arzneibuch, 1997; harte, abriebsfeste Kunststoffe, zum Beispiel Polycarbonat, PVC, Polyurethane, Polyamide, Polyester, jedoch auch Teflon, Polystyrol, Polyolefine; keramische Werkstoffe, Metalle und Hartmetalle (wenn eine Kontamination mit Metallpartikeln und/oder -ionen unkritisch ist).

Zur Übertragung der Schallenergie von der Sonotrode auf die mit der Arbeitsflüssigkeit 80 durchströmte Durchflusszelle 50 und Temperierung der beschallten Arbeitsflüssigkeit 80 wird die übertragende Flüssigkeit 90 erfindungsgemäss vorteilhaft unter Drücke von 2 bis 20 bar, bevorzugt 4 bis 10 bar gesetzt; dieses bei Flussraten von 0 bis 600 l/h, bevorzugt 0 bis 100 l/h und Temperaturen der Flüssigkeit von –80 bis 200 °C.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die fließfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) durch die erfindungsgemässe Ultraschalldurchflusszelle 4 nach 1 hindurchgeführt wird, wobei Schallenergie der Ultraschalldurchflusszelle 4 in die Arbeitsflüssigkeit 80 eingetragen und diese dadurch in gewünschter Weise verändert wird.

Das Verfahren besteht gemäß den Darstellungen in den 2 und 3 im wesentlichen aus drei Prozessschritten:

(1) Dosieren und/oder Vormischen der Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit);
(2) Fördern durch und gleichzeitiges Beschallen der Arbeitsflüssigkeit in der erfindungsgemässen Ultraschalldurchflusszelle;
(3) Einleiten der beschallten Arbeitsflüssigkeit in ein Auffang- oder Prozessgefäss bzw. Weiterleiten zu einem nachgeschalteten weiteren Verarbeitungsprozess.

Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Arbeitsflüssigkeit während der drei Prozessschritte von Umgebungseinflüssen isoliert werden kann und nicht in direkten Kontakt mit der Sonotrode kommt. Deshalb kann das Verfahren unter Ausschluss von mikrobieller oder nicht-mikrobieller Kontamination sowie zudem unter streng definierten Temperaturbedingungen durchgeführt werden.

Daraus ergeben sich Vorteile zur Behandlung fliessfähiger Zusammensetzungen in den Bereichen der Pharmatechnologie, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Zellbiologie, Kosmetik, Elektronik und Elektrotechnik.

Ganz generell eignet sich das Verfahren zur Ultrabeschallung von einer oder mehreren nicht-mischbaren, teilweise mischbaren oder vollständig mischbaren Flüssigkeiten, sowie zur Manipulation von einer oder mehreren Flüssigkeiten und darin unlöslichen, teilweise löslichen oder vollständig löslichen Gasen oder Feststoffen.

Das Verfahren eignet sich insbesondere zur kontinuierlichen, berührungs- und kontaminationsfreien Beschallung fliessfähiger Zusammensetzungen zum Zwecke von Mischung, Emulgierung, Homogenisierung, Zerkleinerung, Suspendierung oder Emulgierung von Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen in einer förderbaren Flüssigkeit, zum Zell- und Organaufschluss, zu Desaggregierung, Entgasung, Durchführung und Steuerung von chemischen Reaktionen, zur Kontrolle von Kristallbildung, zur Herstellung von Liposomen, mizellaren Systemen, Nano- und Mikroemulsionen, Nanopartikeln, Nanokapseln, Mikrosphären und Mikrokapseln und dergleichen.

Zum Dosieren der Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung (Prozess-Schritt 1) werden die verschiedenen Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung beispielsweise mittels geeigneter Pumpen, Gasflaschen, Gasförder- und Gasflussmesssysteme, sowie Pulverförder- und Pulverdosier-systeme oder auch manuell in ein geeignetes, bevorzugt hermetisch abschliessbares, steriles Gefäss, Rohr oder einen Schlauch eingebracht.

Die Komponenten werden dann in einem bevorzugt nach aussen abgeschlossen System vorgemischt, was entweder in einem vorgelagerten Schritt vor der Förderung der fliessfähigen Zusammensetzung in die Durchflusszelle oder im Zuge der Förderung geschehen kann. Eine Vormischung im Zuge der Förderung der fliessfähigen Zusammensetzung kann beispielsweise mittels einfachen Geräten wie T-Stück, geeigneten Mischventilen, Fritten, Membranen, bewegter oder statischer Mischer erzielt werden.

Wichtig ist, dass bereits das Vormischen der Komponenten in einem sterilisierbaren Gerät oder Gefäss kontaminationsfrei und von Umwelteinflüssen hermetisch abgeschirmt erfolgt.

Das Fördern durch und gleichzeitige Beschallen der fliessfähigen Zusammensetzung in der erfindungsgemässen Durchflusszelle der (Prozess-Schritt 2) ist der zentrale Schritt dieser Erfindung.

Das Fördern der fliessfähigen Zusammensetzung kann entweder vor oder nach dem Vormischen der Komponenten (Prozess-Schritt 1) mittels geeigneter Fördereinrichtungen wie Pumpen oder Überdruckeinrichtungen erfolgen, wobei die Pumpen oder Überdruckeinrichtungen sterilisierbar sein und kontamina-tionsfrei arbeiten müssen. Der Volumenstrom der fliessfähigen Zusammensetzung durch die Durchflusszelle wird so gesteuert, dass die fliessfähige Zusammensetzung während eines gewünschten Zeitintervalls im Rohr ultrabeschallt werden kann. Dieses Zeitintervall der Beschallung kann je nach Anwendungszweck zwischen 0,1 Sekunden und 12 Stunden liegen, wobei die bevorzugte Beschallungsdauer zwischen 1 Sekunde und 1 Stunde liegt. Über die Schwingungsamplitude der Sonotrode und deren Frequenz kann die in die beschallte fliessfähige Zusammensetzung eingetragene Leistung kontrolliert werden. Je nach Anwendungszweck kann der Leistungseintrag zwischen 1 W und 1 kW variiert werden, wobei der Leistungseintrag bevorzugterweise zwischen 2 und 400 W liegt. Als Schallfrequenzen kommen 16 bis 150 kHz, bevorzugt 20 bis 100 kHz, in Frage.

Die Verweilzeit und der Leistungseintrag in die mit Ultraschall behandelte fliessfähige Zusammensetzung bestimmen zusammen die eingetragene Schallenergie, über welche zusammen mit der Frequenz Einfluss auf den Effekt der Beschallung genommen werden kann.

So ist es beispielsweise möglich, den Mittelwert und die Breite der Tröpfchengrössenverteilung bei der Erzeugung von Emulsionen zu beeinflussen.

Bei der Zerkleinerung von Feststoffen in einer Flüssigkeit kann in gleicher Weise die erzeugte Korngrösse des Feststoffs kontrolliert werden.

Auch besteht die Möglichkeit, beim Aufschluss biologischen Materials den Grad des Aufschlusses zu beeinflussen, um beispielsweise Zellverbände in einzelne Zellen zu zertrennen oder diese zudem aufzuschliessen.

Grosse Bedeutung für den Beschallungseffekt auf die fliessfähige Zusammensetzung haben nebst Beschallungszeit, Leistungseintrag und Schallfrequenz auch die Materialart, die Geometrie sowie die Oberflächeneigenschaften der mit der fliessfähigen Zusammensetzung in Berührung kommenden Durchflusszelle, wie dies weiter oben unter der Beschreibung der Einrichtung ausgeführt wurde.

Als Material für diese Durchflusszelle kann vorzugsweise ein Nichtmetall, besonders bevorzugt Glas oder ein harter Kunststoff, gewählt werden, um einen Eintrag von Metallpartikeln in die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung zu vermeiden.

Weiterhin können durch geeignete Materialwahl und/oder Oberflächenbehandlung der Durchflusszelle unerwünschte Interaktionen zwischen Bestandteilen der fliessfähigen Zusammensetzung und dem Material der Durchflusszelle vermieden werden.

Beispiele für unerwünschte Interaktionen sind Adsorption von Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung an die Durchflusszelle, Desorption von Materialkomponenten der Durchflusszelle (Metallspuren, Kunststoffadditive), Reaktion von Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung mit dem Material der Durchflusszelle oder desorbierten Komponenten derselben, katalytische Reaktionen durch das Material dee Durchflusszelle oder desorbierte Durchflusszellenkomponenten in der fliessfähigen Zusammensetzung, sowie physikalisch-chemische Vorgänge an der Grenzfläche zwischen der fliessfähigen Zusammensetzung und der Durchflusszelle.

Durch die Wahl des Materials für die Durchflusszelle oder durch Modifikation von deren Oberfläche kann zudem die Grenzflächenspannung zwischen der Durchflusszelle und der beschallten fliessfähigen Zusammensetzung oder Komponenten derselben beeinflusst werden.

Besteht die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung aus mehreren Komponenten, kann so die bevorzugte Benetzung des Durchflusszelle durch eine oder mehrere dieser Komponenten verhindert werden, was einer Durchmischung der verschiedenen Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung abträglich wäre.

Weiterhin kann durch die Geometrie der Durchflusszelle oder durch die Beschaffenheit der Innenfläche derselben die Strömung durch die Durchflusszelle so verändert werden, dass ein laminares oder turbulentes Fliessen der fliessfähigen Zusammensetzung erzielt wird, was den Effekt der Beschallung verstärken oder abschwächen kann.

Auch hat die Geometrie der Durchflusszelle Einfluss auf die Effizienz der Schallübertragung auf die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung, beispielswiese durch die Wanddicke der Durchflusszelle.

Das Einleiten der beschallten fliessfähigen Zusammensetzung in ein Auffang- oder Prozessgefäss bzw. das Weiterleiten zu einem nachgeschalteten weitern Verarbeitungsprozess (Prozess-Schritt 3) geschieht erfindungsgemäss ebenfalls unter genau kontrollierten Bedingungen und unter Ausschluss von möglichen Kontaminationen.

Als Auffanggefäss kann ein Einzelportionen- oder Mehrportionengefäss zur Zwischen- oder Endlagerung der fliessfähigen Zusammensetzung verwendet werden. Ein Prozessgefäss bzw. eine Weiterleitung wird angewendet, wenn die fliessfähige Zusammensetzung aus dem erfindungsgemässen Verfahren in einem weiteren Verfahren weiterverarbeitet wird, so wie dies beispielsweise bei der Herstellung von Mikro- und Nanokapseln oder Mikro- oder Nanosphären geschieht.

Folgende Beispiele sollen die Anwendungsbreite der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in den 2 und 3 verdeutlichen.
Dabei zeigt die 2 den Verfahrensablauf am Beispiel der Herstellung einer Dispersion aus einer Flüssigkeit und wahlweise einer zweiten Flüssigkeit A, einem Feststoff B oder einem Gas C. Es wird eine Rohdispersion im Zuge der Förderung in die Ultraschalldurchflusszelle 4 erzeugt.
Die 3 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Herstellung einer Emulsion aus einer Flüssigkeit und wahlweise einer zweiten Flüssigkeit A, einem Feststoff B oder einem Gas C. Die Rohdispersion wird hier jedoch vor der Förderung in die Ultraschalldurchflusszelle erzeugt.
In beiden Figuren ist die kontinuierliche flüssige Phase mit 1, die Zudosierung der dispersen Phase mit 2, ein Mischer mit 3, die Zufuhr der Flüssigkeit zur Schallübertragung mit 30 (1), ein Wärmetauscher mit 6, der Ablauf der Flüssigkeit zur Schallübertragung mit 70 (1), eine grobdispersive fliessfähige Zusammensetzung nach dem Verfahrensschritt 1 mit 8 und die nach dem Verfahren behandelte fliessfähige Zusammensetzung (Verfahrensschritt 2) mit 9 bezeichnet.
Beispiel 1
Herstellung einer Emulsion einer wässrigen Lösung eines Modellproteins in einer organischen Lösung eines bioabbaubaren Polymers als Vorstufe zur Weiterverarbeitung zu Mikrosphären als therapeutisches Delivery System.
Die Ultraschallzelle 4 wird mit einem Glasrohr 50 (1) mit einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet.
Der Druck der Flüssigkeit 90 im Druckmantel 10 (1) der erfindungsgemässen Ultraschalldurchflusszelle 4 beträgt 4,5 bis 5,5 bar, die Temperatur ca. 10 °C.
Eine 5% (w/w) Lösung des Polymers Poly(Milch-co-Glykolsäure) in Dichlormethan (DCM) und eine 10% (w/w) Lösung des Proteins Rinderserum Albumin (BSA) in einem Phosphatpuffer vom pH = 7.4 werden mittels zweier nicht dargestellter Spritzenpumpen und über ein T-Stück in das Glasrohr 50 der Ultraschallzelle 4 gefördert. Die Flussraten betragen 2 ml/h für die BSA-Lösung und 40 ml/h für die Polymerlösung. Die Amplitude des Schallgebers der Ultraschallzelle 4 wird im Bereich von 40% bis 80% der Maximalamplitude variiert. Die erzeugten W/O Emulsionen werden aufgefangen und mittels Laserlichtstreuung (Malvern Mastersizer X, 100 mm-Linse, Mie-Beugung) bezüglich ihrer Tröpfchengrösse analysiert. Man erhält reproduzierbar stabile Emulsionen mit einer mittleren Tröpfchengrösse (Volumenverteilung) im Bereich von 1.37 bis 0.62 Micrometer (4, Tabelle 1), die sich mit steigender Amplitude stetig verringert. Die bei hohen Amplituden hergestellten Emulsionen weisen eine sehr enge Tröpfengrössenverteilung auf. Die erzeugten Emulsionen sind in einem Zeitraum > 30 Minuten stabil und erfüllen damit eine Grundvoraussetzung zur Weiterverarbeitung zu Mikrosphären.
Tabelle 1: Mittlere Tropfengrösse von Emulsionen, die wie in Beispiel 1 bis 3 beschrieben, mittels des erfindungsgemässen Verfahrens erzeugt wurden.
Beispiel 2
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen. Im Unterschied zu Beispiel 1 beträgt die Flussrate der Proteinlösung 3 ml/h, die der Polymerlösung 60 ml/h. Die Amplitude des Schallgebers beträgt 80% vom Maximum. Man erhält eine stabile Emulsion, die gegenüber Beispiel 1 eine nur minimale Vergrösserung der mittleren Tropfengrösse aufweist (Tabelle 1) .
Beispiel 3
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen. Im Unterschied zu Beispiel 1 wird anstelle des Lösungsmittels Dichlormethan wird das weniger toxische Ethylformiat (EF) als Lösungsmittel für das Polymer verwendet. Die Konzentration des Modellproteins BSA in der Pufferlösung beträgt 5% (w/w); die Flussraten betragen 2 ml/h für die Protein- und 40 ml/h für die Polymerlösung. Die Amplitude des Schallgebers wird im Bereich von 40% bis 80% der Maximalamplitude variiert. Man erhält reproduzierbar stabile Emulsionen mit einer mittleren Tröpfchengrösse (Volumenverteilung) im Bereich von 0.90 bis 0.68 Micrometer (Tabelle 1). Bei einer Amplitude von 60% wird ein Minimum der mittleren Tröpfchengrösse gefunden. Die Emulsionen weisen eine enge Tropfengrössenverteilung auf und sind in einem Zeitraum von > 30 Minuten stabil.
Beispiel 4
Es wird wie in Beispiel 3 vorgegangen. Die Konzentration des Modellproteins BSA in der Pufferlösung beträgt 10% (w/w). Die Lösungen von Polymer und BSA werden über 0.2 Mikrometer Filter sterilfiltriert. Das Glasrohr 50 der Ultraschalldurchflusszelle 4, sämtliches Schlauchmaterial, sowie das T-Stück werden autoklaviert, die Pumpen und die Ultraschalldurchflusszelle 4 in einem Laminar-Flow-Arbeitsplatz installiert und durch Besprühen mit einer ethanolischen Lösung desinfiziert. In den Pumpen werden sterile Einmalspritzen installiert. Der Zusammenbau der Versuchsapparatur erfolgt im Laminar-Flow-Arbeitsplatz. Nach erfolgtem Zusammenbau wird die Apparatur nochmals mit einer ethanolischen Lösung gespült. Es werden wie unter Beispiel 3 beschrieben bei einer Amplitude von 80% der Maximalamplitude Emulsionen hergestellt. Die erzeugten Emulsionen werden mit sterilem Ethylformiat verdünnt und sofort im Verhältnis 1:10 mit CASO Bouillon gemischt und über Nacht inkubiert. Am folgenden Tag wird die Bouillon über Kartuschen des Testsystems Millipore^® 100 filtriert und diese mit TSB (tryptic soy broth) Medium befällt. Gemäss Europäischem Arzneibuch wird eine Hälfte der Kartuschen 14 Tage bei 30–35 °C zur Kontrolle auf Bäkterienwachstum, die andere Hälfte 14 Tage bei 20–25 °C zur Kontrolle auf Pilzwachstum inkubiert. Es konnte keine Kontamination festgestellt werden.
Beispiel 5
Parenterale Öl-in-Wasser (O/W) – Fettemulsion bestehend aus Soyaöl, einem Emulgator, einem Isotonisierungszusatz und Wasser.
Die erfindungsgemässe Ultraschalldurchflusszelle 4 wird mit einem sterilen Glasrohr 50 mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet. Der Wasserdruck im Mantel 10 der Ultraschallzelle 4 beträgt 5 bar, die Temperatur 40 °C. Eine Mischung aus 12,0 g Eilecithin, 22,0 g Glycerin und 866,0 g Wasser wird in einer autoklavierbaren Glasflasche unter Handschütteln vordispergiert und danach gemäss Europäischem Arzneibuch 1997 autoklaviert. Parallel dazu wird 100 g Soyaöl ebenfalls in einer Glasflasche autoklaviert. Nach Abkühlung werden die beiden Flüssigkeiten in einem Massenstromverhältnis von 10:1 (Wasserphase Ölphase) mittels Schlauchpumpen und sterilen Schläuchen in einem autoklavierten statischen Mikromischer vorgemischt und danach durch die Ultraschalldurch-flusszelle 4 gefördert und mit 80% der Maximalamplitude beschallt. Die Fördergeschwindigkeit beträgt 12 ml/min, was zu einer Beschallungsdauer von ca. 15 Sekunden je Volumeneinheit Emulsion führt. Die feindisperse O/W-Emulsion wird unter aseptischen Bedingungen direkt in vier sterile Glasflaschen zu 250 ml für die Lagerung und den Endgebrauch als parenterale Fettemulsion gefüllt. Die mittels Laserlichtstreuung (Malvern Mastersizer X, 45 mm-Linse, Mie-Beugung) ermittelte mittlere Tröpfchengrösse (Volumenverteilung) der hergestellten Emulsion liegt bei 405 nm und entspricht der Tröpfchengrösse handelsüblicher Produkte.
Beispiel 6
Zellaufschluss.
Die Ultraschalldurchflusszelle 4 wird mit einem sterilen Glasrohr 50 mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet. Der Wasserdruck im Mantel 10 der Ultraschalldurchflusszelle 4 beträgt 5 bar, die Temperatur 4 °C. Eine Portion von 5 g steril entnommener und grob zerkleinerter Teile einer Rindsleber wird in 100 ml sterilem Citratpuffer pH 6.5 suspendiert und mittels Vortex gut durchmischt. Diese Suspension von Zellklumpen wird unter aseptischen Verfahrensbedingungen durch die Ultraschalldurchflusszelle 4 gefördert und mit 90% der Maximalamplitude beschallt. Die Fördergeschwindigkeit beträgt 1,2 ml/min, was zu einer Beschallungsdauer von ca. 150 Sekunden je Volumeneinheit Zellsuspension führt. Die beschallte Zellsuspension wird dann in eine Glasflasche überführt und analysiert. Die beschallte Zellsuspension präsentiert sich als dicke Suppe, das sogenannte Homogenisat. Die Güte des Aufschlusses wird anhand der Glutamat-Dehydrogenase-Aktivität mit dem Substrat 2-Oxogluatarat und dem Aktivator ADP gemessen. Als Referenz wird eine handelsübliche Glutamat-Dehydrogenase mit 120 U/mg Enzym-Protein verwendet Die gemessene Dehydrogenaseaktivität der Zellprobe, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren aufgeschlossen wurde, lag um durchschnittlich 8- 10% oberhalb des Wertes, der nach klassischem Aufschluss mittels Detergens oder Vermörserung in einem Glaskolben erzielt wurde.
Beispiel 7
Liposomenherstellung
Die Ultraschalldurchflusszelle 4 wird mit einem sterilen Glasrohr 50 mit einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet. Der Wasserdruck im Mantel der Ultraschalldurchflusszelle 4 beträgt 5 bar, die Temperatur 8 °C. Eine Mischung aus 156 mg Sojalecithin (0,2 mmol) und 39 mg (0,1 mmol) Cholesterol werden in 30 ml Dichlormethan Methanol (9:1, v/v) in einem 500 ml Rundkolben gelöst. Das Lösungsmittel wird im rotierenden Rundkolben langsam abgezogen, so dass an der Kolbenwand ein einheitlicher dünner Lipidfilm entsteht, der unter Vakuum bei Raumtemperatur endgetrocknet wird. Der Film wird dann mit 10 ml einer 100 mM NaCl-Lösung unter Schwenken hydratisiert, wobei ein trübe Dispersion von grossen multilamellaren Vesikeln (MLV) entsteht. Die MLV werden nun durch die erfindungsgemässe Ultraschalldurchflusszelle gefördert und mit 95% der Maximalamplitude beschallt. Die Fördergeschwindigkeit beträgt 1,2 ml/min, was zu einer Beschallungsdauer von ca. 40 Sekunden je Volumeneinheit MLV-Zubereitung führt. Die beschallte MLV-Zubereitung wird durch die Ultrabeschallung in kleine unilamellare Lipsomen (sogenannte SUV, small unilamellar vesicles) zerkleinert. Die Liposomen-Zubereitung wird durch einen am Ende des Glasrohres installierten Celluloseacetat-Membranfilter mit einer Porengrösse von 0,2 Dm geführt, um die Liposomen-Zubereitung steril zu filtrieren. Schliesslich wird die Zubereitung unter aseptischen Bedingungen direkt in sterile Glasfläschchen gefüllt.
Die Liposomen-Zubereitung erscheint bläulich-opaleszent, was bereits optisch auf kleine Liposomen hinweist. Die durchschnittliche Liposomengrösse wurde mittels Laserlichtstreuung bestimmt und betrug 220 nm.

10: Druckmantel (Rohr)
20: Endmasse
30: Flüssigkeitszulauf
40: Abdichtung
50: Durchflusszelle in Form eines Rohres
60: Ultraschallwandler
70: Flüssigkeitsablauf
80: Fliessfähige Zusammensetzung
: (Arbeitsflüssigkeit)
90: Druckübertragende und gegebenenfalls
: thermostatisierende Flüssigkeit
1: kontinuierliche fliessfähige Phase
2: Zudosierung der dispersen Phase
3: Mischer
4: Durchflusszelle
5: –
6: Wärmetauscher
7: –
8: grobdisperse fliessfähige Zusammensetzung
9: beschallte fliessfähige Zusammensetzung

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen (Arbeitsflüssigkeit) in einer Durchflusszelle mittels Ultraschall, umfassend (a) das Vormischen der Komponenten der fließfähigen Zusammensetzung, (b) das Durchleiten und gleichzeitige Beschallen der fließfähigen Zusammensetzung durch die Durchflusszelle und (c) das Einleiten der beschallten Arbeitsflüssigkeit in ein Auffang- oder Prozessgefäss, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit in der Durchflusszelle (4) über eine unter erhöhten Druck gesetzte Flüssigkeit (90) indirekt mit Ultraschall beschallt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (80) während der Beschallung zwischen – 80 °C und + 200 °C thermostatisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (80) während der Beschallung und während der Phasen Vormischen und Einleiten in ein Auffang- oder Prozessgefäss von Umgebungseinflüssen isoliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit (80) eine oder mehrere mischbare, teilweise mischbare oder nicht-mischbare Flüssigkeiten und/oder ein oder mehrere lösliche, teilweise lösliche oder nicht-lösliche Gase und/oder Feststoffe enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vormischen der Komponenten der Arbeitsflüssigkeit in einem geschlossenen System, das aus einem einfachen T-Stück, einer Fritte, einer Membran, einem Mischventil oder einem bewegten oder statischen Mischer besteht, welches mit der Durchflusszelle dicht verbunden ist, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit in der Durchflusszelle (4) mit einer Verweildauer von 0,1 Sekunden bis 12 Stunden geführt und der Schallenergieeintrag zwischen 1 und 1000 W gewählt wird, bei einer Schallfrequenz von 16 bis 150 kHz.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Beschallung der beschallten Arbeitsflüssigkeit (80) vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit unter aseptischen (keimfreien) Bedingungen durch die Durchflusszelle (4) geführt wird.
Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Erzeugung einer Flüssigkeitsmischung, zur Erzeugung einer Wasser-in-Öl (W/O) Emulsion, Öl-in-Wasser (O/W) Emulsion, W/O/W oder O/W/O Doppelemulsion, einer Mikrooder Nanoemulsion, einer Suspension, eines mizellaren Systems, oder einer Lipsomenzubereitung.
Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Zerkleinerung oder Desaggregierung von Feststoff partikeln in einer flüssigen Zusammensetzung, zum Aufschluss von pflanzlichen oder tierischen Zellen, zur Homogenisation und zum Aufschluss von pflanzlichen und tierischen Geweben, und zum Aufschluss von Parasiten, Bakterien und Viren.
Anwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 8 zur Kontrolle von Kristallisationsprozessen (Sonokristallisation).
Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Katalyse oder Beschleunigung von chemischen Reaktionen.
Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 in Prozessen zur Herstellung von Mikro- und Nanosphären und von Mikro- und Nanokapseln.
Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 zur Entgasung oder Begasung von flüssigen Zusammensetzungen.
Durchflusszelle zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen (Arbeitsflüssigkeit) mittels Ultraschall, enthaltend eine Durchflussstrecke, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Arbeitsflüssigkeit (80) durchströmte Durchflussstrecke (50) von einem Druckmantel (10) umgeben ist, an den ein Ultraschallwandler (60) zur Schwingungsanregung angeschlossen ist, wobei zwischen einer Außenwandung der Durchflussstrecke (50) und dem Druckmantel (10) zur Vermeidung von Kavitation eine unter erhöhtem Druck stehende Flüssigkeit (90) fließt.
Durchflusszelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusszelle aus einem Rohr (50) für die Arbeitsflüssigkeit (80) gebildet ist, welches in einem von der unter erhöhtem Druck stehende Flüssigkeit (90) durchströmten Rohr (10) über Dichtungen (40) von der Rohrinnenwandung beabstandet angeordnet ist, welches mit dem Ultraschallwandler (60) zur Schwingungsanregung verbunden ist.
Durchflusszelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass an das Rohr (10) zur Schwingungsentkopplung Endmassen (20) angeordnet sind.
Durchflusszelle nach den Ansprüchen 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (90) im Rohr (10) zur Temperierung benutzt wird.