DE19752585A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Verkapseln von mikrobiellen, pflanzlichen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verkapseln von mikrobiellen, pflanzlichen und tieri­ schen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substan­ zen durch eine Düse in kleine, i.w. kugelförmige Teilchen.

Die Verkapselung von mikrobiellen, pflanzlichen und tieri­ schen Zellen und von biologischen und chemischen Substanzen - wie Katalysatoren - ist vor allem in der Biotechnologie und der Medizin zur Immobilisierung von großer Bedeutung. In der Medizin dient die Verkapselung zusätzlich zum Ab­ schirmen vor dem Immunsystem. Durch die Immobilisierung ist es möglich, die Zellen oder den Katalysator im Prozeß zu­ rückzuhalten und gleichzeitig das Produkt zu ernten. Da­ durch sind ein verlängerter Nutzen und eine erhöhte Raum- Zeit-Ausbeute möglich. Durch die Abschirmung der Zellen vor dem Immunsystem ist es möglich, einem Patienten körper­ fremde Zellen zu implantieren, die über längere Zeit einen gewünschten Stoff in den Körper des Patienten abgeben, ohne daß sie durch das Immunsystem des Patienten angegriffen und zerstört werden.

Die Verkapselung von Zellen und Katalysatoren in Biopoly­ mere - wie Carrageenan oder Alginat - und synthetische Polymere - wie Polyacrylamid - ist eine in Forschungsla­ bors seit einigen Jahren angewandte Methode. In der Litera­ tur werden dafür viele verschiedene Vorrichtungen beschrie­ ben. Eine der effizientesten Methoden ist das Zerteilen ei­ nes Strahls durch die Überlagerung einer externen Schwin­ gung auf die Immobilisierungsflüssigkeit. Die Flüssigkeit wird dadurch beim laminaren Ausströmen aus einer Düse in gleich große Fraktionen aufgeteilt. Mehrere Methoden zur Schwingungsübertragung werden genutzt oder beschrieben, z. B. Koppelung an einen Vibrator, Piezokristall, Schallwel­ len.

WO 96/28247 der Anmelderin zeigt ein kommerzielles Verkap­ selungsgerät, bei dem die Schwingung durch eine starre Ver­ bindung zu einem Vibrator übertragen wird. Diese Methode besitzt die Schwierigkeit, daß die Achse des Vibrators und die Achse zur Düse exakt ausgerichtet sein müssen, da sonst Störungen auftreten, welche die Homogenität der Kugelgröße massiv beeinträchtigen. Zudem ist der Vibrator teuer.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der das Ziel gesetzt, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu optimieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe führen die Lehren der unabhängi­ gen Patentansprüche; die Unteransprüche geben günstige Wei­ terbildungen an.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Immobilisie­ rungsgemisch durch Überlagerung einer externen Schwingung in gleich große Fraktionen geteilt, wobei diese Schwingun­ gen auf das Immobilisierungsgemisch entweder innerhalb ei­ nes Pulsationsraumes oder über die in Pulsation versetzte Düse übertragen werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine Vorrichtung, bei der eine der Düse vorgeordnete und das Immobilisierungsgemisch aufnehmende Pulsationskammer von einem Dauermagneten über­ lagert und dieser gegenüber einer elektrischen Spule ange­ ordnet ist; eines der beiden Aggregate ist erfindungsgemäß innerhalb der Pulsationskammer vorgesehen oder auf einer Membrane, welche die Pulsationskammer überspannt, wobei das andere Aggregat von dem der Pulsationskammer zugeordneten durch einen Luftspalt getrennt ist.

Bei einer anderen Ausführung der Vorrichtung sind Dauerma­ gnet und elektrische Spule der Düse oder ihrer Aufhängung zugeordnet, so daß diese die Pulsation einzuleiten vermag.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erzeugen die mit Wechselstrom durchflossene Spule und der Dauermagnet Schwingungen im bevorzugten Bereich von 300 bis 4000 Hz.

Dank der Erfindung wird mit einfachen Mitteln eine Miniatu­ risierung der Schwingungsübertragung ermöglicht bei sehr geringem Material- und Energieaufwand. Dadurch können die Kosten des Verfahrens und der Vorrichtung um ein Mehrfaches gegenüber den bisher bekannten Vibrationsverfahren gesenkt werden.

Die Erfindung beruht i.w. darauf, daß das Prinzip des Vi­ brators aus Magnet und mit Wechselstrom durchflossener Spule aus dem Vibrator herausgenommen wird und ein Teil da­ von direkt der Pulsationskammer zugeordnet ist. Wenn durch die Spule Wechselstrom gesandt wird, wird diese abwechselnd positiv und negativ magnetisiert. Die Magnetwellen intera­ gieren mit dem darunterliegenden Magneten und versetzen diesen in Schwingungen. Letztere werden fast widerstandslos auf die Immobilisierungsflüssigkeit übertragen.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Ausrichtung von Magnet und Spule nicht auf 0,1 mm genau zentriert sein muß. Auch sind keine Achsen vorhanden, die exakt ausgerichtet werden müssen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines be­ vorzugten Ausführungsbeispieles sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1: eine Schrägsicht auf eine erfin­ dungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2: die Draufsicht auf die teilweise geschnittene Vorrichtung;

Fig. 3: den Schnitt durch Fig. 2 nach deren Linie III-III.

In einer nicht dargestellten Anlage für das sterile Verkap­ seln mikrobieller, planzlicher und tierischer Zellen ist oberhalb eines Härtungsbades eine beispielsweise rechteckige Tragplatte 10 der Dicke a angeordnet mit in das Zentrum ihrer Oberfläche 12 eingeformter Vertiefung 14 der Tiefe b; letztere entspricht etwa einem Drittel der Plat­ tendicke a.

Die Vertiefung 14 ist von einer kreisförmigen Umfangswand 16 des Durchmessers d begrenzt, und vom Mittelpunkt ihres Bodens 18 geht eine Bohrung 20 aus. Diese mündet andernends in einer - in die Unterfläche 11 der Tragplatte 10 einge­ brachten - napfartigen Einformung 22 des Durchmessers d₁ (etwa ein Drittel d), in welcher eine mit jener Bohrung 20 verbundene Düse 24 sitzt. Zudem führt in der Ebene des Bo­ dens 18 ein Radialkanal 26 zu einem seitlichen Sackloch 28 für einen Anschlußstutzen 30.

Der Vertiefung 14 ist ein auf der Plattenoberfläche 12 - unter Zwischenschaltung einer Membrane 32 und einer Dich­ tung 34 - festgelegter Druckring 36 zugeordnet; dieser ist - wie auch die Dichtung 34 - mit einem Innendurchbruch 38 des Durchmessers d ausgestattet und spannt die einen Schei­ benmagneten 40 tragende Membrane 32 über der Vertiefung 14 auf. Der Durchmesser e des Scheibenmagneten 40 ist etwas länger als der Durchmesser d₁ der Einformung 22 für die Düse 24.

In Abstand zum Scheibenmagneten 40 hängt - zu dessen Mit­ telachse M zentriert - an einer Halterung 42 eine elektri­ sche Spule 44. Scheibenmagnet 40 und die mit Wechselstrom durchflossene Spule 44 bilden einen Vibrator; wenn durch die Spule 44 Wechselstrom geleitet wird, wird sie abwech­ selnd positiv und negativ magnetisiert. Die Magnetwellen wirken auf dem darunterliegenden Scheibenmagneten 40 und versetzen diesen mit samt der Membrane 32 in Schwingungen.

In die Vertiefung 14, welche eine Pulsationskammer bildet, ist durch den Radialkanal 26 eine Immobilisierungsflüssig­ keit eingeleitet worden, auf welche die Schwingungen fast widerstandslos übertragen werden. Das Einbringen dieses Im­ mobilisierungsgemisches erfolgt mittels eines mechanischen Vorschubes oder durch Luftdruck in die Pulsationskammer oder Vertiefung 14; von dort wird das Immobilisierungsge­ misch durch die Düse 24 gedrückt. Der dort entstehende Strahl Q zerfällt kurz nach dem Austritt aus der Düse 24 entsprechend der Frequenz der überlagerten Schwingung in gleichgroße Kugeln K. Bei etwa 700 Hz entstehen unter opti­ malen Bedingungen 700 gleichgroße Kugeln K je Sekunde, wo­ bei die Homogenität der Kugelgestalt dank der reibungslosen Übertragung ausgezeichnet ist. Messungen haben gezeigt, daß die benötigte Leistung unter 0,2 W liegt.

Bei einer nicht dargestellten Ausführung ist der Dauerma­ gnet 40 oder die Spule 44 unmittelbar an der Düse 24 vorge­ sehen und das jeweils andere Aggregat unter Bildung eines Luftspaltes zugeordnet.

Claims (9)

1. Verfahren zum Verkapseln von mikrobiellen pflanzli­ chen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse in kleine, i.w. kugelförmige Teilchen durch Vibration eines Immobili­ sierungsgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß das Immobilisierungsgemisch durch Überlagerung einer externen Schwingung in gleichgroße Fraktionen geteilt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung auf das Immobilisierungsgemisch innerhalb eines Pulsationsraumes übertragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen auf das Immobilisierungsgemisch über die in Pulsation versetzte Düse übertragen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch Schwingungen im Bereich von 300 bis 4000 Hz.

5. Vorrichtung zum Verkapseln von mikrobiellen pflanzli­ chen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse in kleine, i.w. kugelförmige Teilchen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der voraufgehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Düse (24) vorgeordnete und das Immobilisierungsgemisch aufneh­ mende Pulsationskammer (14) von einem Dauermagneten (40) überlagert und dieser gegenüber einer elektri­ schen Spule (44) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingung durch die mit Wechselstrom durch­ flossene Spule (44) und den Dauermagneten (40) er­ zeugbar ist, wobei sich eines der beiden Aggregate innerhalb der Pulsationskammer (14) befindet oder auf einer die Pulsationskammer überspannenden Membrane (32).

7. Vorrichtung zum Verkapseln von mikrobiellen pflanzli­ chen und tierischen Zellen bzw. von biologischen und chemischen Substanzen durch eine Düse in kleine, i.w. kugelförmige Teilchen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß durch eine mit Wechselstrom durchflossene Spule (44) und einen Dauermagneten (40) eine Schwingung erzeugbar ist, wobei eines der beiden Aggregate auf der Düse (24) oder auf der Düsenaufhän­ gung (10) befestigt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (44) und der Dauerma­ gnet (40) voneinander durch einen Luftspalt getrennt festgelegt sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, gekenn­ zeichnet durch Schwingungen im Bereich von 300 bis 4000 Hz.