EP4341683A1

EP4341683A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung des inhalts durchmischter reaktoren

Info

Publication number: EP4341683A1
Application number: EP23727812.2A
Authority: EP
Inventors: Konrad Herzog; Julian SIDRAM; Felix Kortmann
Original assignee: Aquila Biolabs GmbH
Current assignee: Aquila Biolabs GmbH
Priority date: 2022-06-13
Filing date: 2023-05-12
Publication date: 2024-03-27
Also published as: WO2023241869A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren. Sie ist insbesondere anwendbar zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit hohen Ansprüchen an Sterilität und Reinheit sowie in Applikationen mit Reaktoren komplexer Geometrie oder geringer Größe und damit einhergehend begrenzter Zugänglichkeit für Messgeräte. Anwendungen der Erfindung finden sich somit beispielsweise in der Prozessüberwachung von Zellkulturen oder chemischen Reaktionen, von Aufarbeitungs-, Aufreinigungs- und Formulierungsprozessen pharmazeutischer, biologischer oder chemischer Produkte sowie in der Überwachung von Lagerungsprozessen. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit Sensoren im Inneren des Reaktors robust und einfach in der Handhabung erfolgen kann, bei gleichzeitig guter Skalierbarkeit in große und kleine Reaktorvolumina sowie mit der Möglichkeit zur Erfassung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts. Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren, wobei der Reaktorinhalt mindestens eine zu überwachende Eigenschaft aufweist und die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente beeinflusst und das mindestens eine Signal der mindestens einen sensorischen Komponente durch mindestens eine Messanordnung erfasst wird, durch ein Verfahren, bei dem mindestens ein Sensor, der die mindestens eine sensorische Komponente enthält, nicht ortsfest ist und sich im Reaktor bewegt, sodass sich der mindestens eine Sensor nicht permanent im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet und mindestens eine Erfassung des mindestens einen Signals der mindestens einen sensorischen Komponente durch die mindestens eine Messanordnung erfolgt, während sich der mindestens eine Sensor im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet.

Description

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren. Sie ist insbesondere anwendbar zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit hohen Ansprüchen an Sterilität und Reinheit sowie in Applikationen mit Reaktoren komplexer Geometrie oder geringer Größe und damit einhergehend begrenzter Zugänglichkeit für Messgeräte. Anwendungen der Erfindung finden sich somit beispielsweise in der Prozessüberwachung von Zellkulturen oder chemischen Reaktionen, von Aufarbeitungs-, Aufreinigungs- und Formulierungsprozessen pharmazeutischer, biologischer oder chemischer Produkte sowie in der Überwachung von Lagerungsprozessen.

Durchmischte Reaktoren kommen in vielen Bereichen der chemischen, biologischen und biotechnologischen Industrie und Forschung zum Einsatz, insbesondere zur Durchführung chemischer oder biochemischer Reaktionen und Synthesen, zur Kultivierung lebender Zellen, zur Aufarbeitung, Aufreinigung und Formulierung pharmazeutischer, biologischer oder chemischer Produkte sowie zur Lagerung verschiedenster Bestandteile solcher Prozesse. Der Inhalt durchmischter Reaktoren wird dabei insbesondere zum Zwecke der Forschung, Prozessentwicklung und -Optimierung, Prozesskontrolle und -regelung sowie zur Charakterisierung und Qualitätssicherung überwacht, wobei verschiedene Eigenschaften des Reaktorinhalts oder deren Korrelate mittels geeigneter Sensoren und Messanordnungen erfasst und oftmals über die Prozessdauer aufgezeichnet werden.

Häufig erfordert die Erfassung bestimmter Eigenschaften des Reaktorinhalts den Einsatz mehrstufiger Messketten, da die zu überwachenden Eigenschaften nicht direkt als elektronisch erfassbares Signal, beispielsweise als elektromagnetische Welle, elektrische Spannung oder elektrischer Strom vorliegen. Vielmehr kommen daher Sensoren zum Einsatz, die mindestens eine sensorische Komponente enthalten, welche Bestandteil mindestes eines im Inneren des Reaktors befindlichen Sensors ist, der auf die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts reagiert und in Abhängigkeit dessen sowie möglicherweise über Zwischenschritte weiterer sensorischer Komponenten ein durch eine geeignete Messanordnung erfassbares Signal erzeugt. Dem Fachmann sind hierzu vielfältige Ansätze bekannt, insbesondere aber nicht ausschließlich die sensorische Nutzung der Abhängigkeit optisch erfassbarer Eigenschaften (z.B. Absorptions- und Emissionsspektren, Lumineszenzlebensdauern, Quantenausbeuten, Polarisationsverhalten, Plasmonenresonanz) geeigneter Farbstoffe von den Eigenschaften des Reaktorinhalts (z.B. pH, Temperatur, Sauerstoffsättigung, Substrat-, Metabolit- und Produktkonzentrationen). Auch die Verbindung solcher Farbstoffe oder anderweitiger messtechnisch erfassbarer sensorischer Komponenten mit sensorischen Komponenten (z.B. Enzyme, Aptamere, Antikörper), die nicht direkt durch eine geeignete Messanordnung erfassbar sind, sondern beispielsweise über Nebenprodukte, Co-Substrate (z.B. Protonen als pH, Sauerstoff), Dissoziations- und Assoziationsreaktionen oder Konformationsänderungen eine messtechnisch erfassbare sensorische Komponente beeinflussen, sind dem Fachmann bekannt.

Die Kombination geeigneter Sensoren und Messanordnungen ermöglicht daher grundsätzlich die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren, wobei die zu überwachenden Eigenschaften durch geeignete Sensoren im Inneren des Reaktors in ein durch die Messanordnung elektronisch erfassbares Signal umgewandelt werden. Sofern der Reaktorinhalt aus mehreren Phasen besteht (beispielsweise flüssiges oder flüssigkeitsartiges Reaktionsgemisch und darüberliegende Gasphase im Kopfraum des Reaktors), ist dabei in der Anwendung häufig die Überwachung der Eigenschaften einzelner Phasen von Bedeutung (beispielsweise Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgemisch, Sauerstoffkonzentration in der Gasphase des Kopfraums).

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, welche die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren ermöglichen, indem sie mindestens eine sensorische Komponente umfassen, welche Bestandteil mindestes eines im Inneren des Reaktors befindlichen Sensors ist und auf die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts reagiert sowie in Abhängigkeit dessen ein durch eine geeignete Messanordnung erfassbares Signal erzeugt. Eine Übersicht des Stands der Technik für die Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Reaktorinhalt bietet der Review-Artikel von Wang Xu-dong und Otto S. Wolfbeis („Optical Methods for Sensing and Imaging Oxygen: Materials, Spectroscopies and Applications“. Chem. Soc. Rev. 43, Nr. 10 (2014): 3666-3761. https://doi.org/10.1039/C4CS00039K), wobei Kapitel 11 den Stand der Technik zu Sensorformaten wiedergibt.

Eine vergleichbare Übersicht für die Überwachung des pH im Reaktorinhalt bietet der Review-Artikel von Andreas Steinegger, Otto S. Wolfbeis, und Sergey M. Borisov („Optical Sensing and Imaging of PH Values: Spectroscopies, Materials, and Applications“. Chemical Reviews 120, Nr. 22 (25. November 2020): 12357-489. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00451 ), wobei Kapitel 14 den Stand der Technik zu Sensorformaten wiedergibt.

Weitere vergleichbare oder davon abgeleitete Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung anderer Eigenschaften des Reaktorinhalts sind dem Fachmann aus der Fachliteratur bekannt.

Die oben genannten Übersichtsartikel beschreiben die Nutzung optisch erfassbarer sensorischer Komponenten, wobei sich mindestens eine ihrer optischen Eigenschaften in Abhängigkeit der zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts (beispielsweise pH oder Sauerstoffkonzentration) ändert. Die optische Erfassung erfolgt über geeignete Messanordnungen, die üblicherweise über mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor verfügen. Die beiden Übersichtsartikel offenbaren verschiedene Sensorformate und damit einhergehende Konzepte und Ausführungen der optischen Messanordnungen. Es werden schichtartige Sensorformate offenbart, die auf die Innenseite der Reaktorwand, auf die Innenseite optischer Fenster von Immersionssonden, oder auf optische Fasern und andere totalreflektierende Lichtleiter mit Kontakt zum Reaktorinhalt aufgebracht werden. Die zugehörige Messanordnung befindet sich im optischen Kontakt mit den Sensoren und den in ihnen enthaltenen sensorischen Komponenten. Weiterhin werden mikro- und nanopartikuläre Sensorformate offenbart. In einigen Ausführungen werden diese Partikel in Polymere eingebettet und vergleichbar zu den vorgenannten schichtartigen Sensoren ortsfest auf der Innenseite des Reaktors aufgebracht, mit ebenfalls ortsfester zugehöriger optischer Messanordnung. In anderen Ausführungen werden diese Partikel dem Reaktorinhalt zugegeben und entweder durch magnetische Wechselwirkungen lokal im optischen Sichtfeld der Messanordnung konzentriert, oder aber in derart hoher Konzentration zugegeben, dass eine solche magnetische Aufkonzentrierung zur Erzielung hinreichend starker optischer Signale nicht erforderlich ist.

Der Artikel von David Flitsch, Tobias Ladner, Mihaly Lukacs, und Jochen Büchs („Easy to Use and Reliable Technique for Online Dissolved Oxygen Tension Measurement in Shake Flasks Using Infrared Fluorescent Oxygen-Sensitive Nanoparticles“. Microbial Cell Factories 15, Nr. 1 (Dezember 2016): 45. https://doi.org/10.1186/s12934-016-0444- 4) offenbart eine kombinierte Ausführung zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Reaktorinhalt, mit homogen verteilten Sensorpartikeln im Reaktionsgemisch sowie einem ortsfest an der Innenseite der Reaktorwand aufgebrachten Sensor. Die optischen Eigenschaften beider Sensorformate werden über Messanordnungen mit ortsfester Faser außerhalb des Reaktors erfasst. Der Artikel zeigt einen gravierenden Nachteil ortsfest im Reaktor aufgebrachter Sensoren für Anwendungen, bei denen der Sensor nicht permanent mit dem Reaktionsgemisch in Kontakt ist. In einem solchen Fall reagiert der Sensor infolge seiner inhärenten Trägheit sowohl auf Eigenschaften des Reaktionsgemisches als auch auf Eigenschaften der Gasphase im Kopfraum des Reaktors, sodass sich ein Mischsignal ergibt, welches vom tatsächlichen Signal der jeweiligen Phase abweicht.

Auch aus der Patentliteratur sind verschiedenste Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren bekannt. Sie alle ähneln sich hinsichtlich der ortsfesten Aufbringung von Sensoren an der Innenseite der Reaktorwand oder anderer Bestandteile des Reaktors, wobei jedem Sensor eine geeignete Messanordnung ortsfest zugeordnet ist, entweder als vollständige Messanordnung oder aber über eine zum jeweiligen Sensor ortsfeste Komponente der Messanordnung (beispielsweise in Form einer optischen Faser).

DE10101576A1 offenbart einen optischen Sensor zur Bestimmung zumindest eines Parameters in einer Probe, der ein auf den Parameter ansprechendes Indikatormaterial kurzer Abklingzeit und ein auf den Parameter nicht ansprechendes Referenzmaterial langer Abklingzeit enthält und zur Erfassung eines den zu bestimmenden Parameter anzeigenden Messsignals auf der Basis der gemeinsam erfassten Lumineszenzantworten des Indikator- und Referenzmaterials dient. Das Indikator- und das Referenzmaterial sind auf einem gemeinsamen Träger immobilisiert und im Kontakt mit dem Reaktorinhalt. Der Träger kann eine Folie, eine von der Probe zu durchströmende Kassette oder auch ein planer oder faserartiger Lichtleiter sein. Im Falle mehrerer Sensoren können die Sensoren nebeneinander voneinander getrennt auf dem Träger angeordnet sein oder sie können auch vermischt vorliegen.

EP1397672A1 offenbart eine Vorrichtung zum Nachweis von Sauerstoff, umfassend einen Träger mit mehreren Vertiefungen zur Probenaufnahme, wobei an den Innenseiten der Vertiefungen liegende ortsfeste Sauerstoffsensoren vorgesehen sind, umfassend Partikel, die einen lumineszierenden, durch Sauerstoff löschbaren Farbstoff und eine gasdurchlässige und im wesentlichen wasserundurchlässige erste Matrix enthalten, und eine im Wesentlichen wasserdurchlässige zweite Matrix, wobei die Partikel in der zweiten Matrix dispergiert sind. Die Vorrichtung wird als Mikrotiterplatte und als Kulturplatte zur Kultivierung von Zellen ausgeführt.

EP3821230A1 , DE102018105174A1 , EP2321052A1 und US2008171383A1 offenbaren Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung des Inhalts für verschiedene Reaktortypen (Kanäle, Bags, Rührkessel), wobei die Sensoren auf einem Sensorträger ortsfest aufgebracht sind und dieser Sensorträger derart in der Reaktorwand befestigt wird, dass der Sensor mit dem Reaktorinhalt in Kontakt kommt. Die zu erfassenden optischen Eigenschaften der ortsfest in die Reaktorwand eingebauten Sensoren werden über geeignete ortsfeste optische Messanordnungen oder über entsprechend ortsfest montierte optische Fasern als Komponenten geeigneter optischer Messanordnungen erfasst.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren offenbaren Sensoren, die über geeignete sensorische Komponenten mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts in ein durch die Messanordnung elektronisch erfassbares Signal umwandeln. Die überwiegende Mehrzahl dieser Verfahren und Vorrichtungen nutzt ortsfest mit der Innenseite der Reaktorwand oder der Reaktoreinbauten verbundene Sensoren in Kombination mit ebenfalls ortsfesten Messanordnungen innerhalb oder außerhalb des Reaktors zur Erfassung des Sensorsignals.

Das Konzept ortsfester Sensoren und Messanordnungen geht mit einigen gravierenden Nachteilen einher. So erfordert die parallele Überwachung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts über mehrere geeignete Sensoren auch eine Parallelisierung bzw. Vervielfältigung der zugehörigen Messanordnungen. Der dadurch zunehmende Platzbedarf für die Messanordnungen limitiert die Miniaturisierung von Reaktoren, wie sie häufig für Screening- und Prozessentwicklungsarbeiten interessant ist, und begrenzt die Anzahl parallelisiert überwachbarer Eigenschaften des Reaktorinhalts in miniaturisierten Reaktoren. Weiterhin ist das Aufbringen ortsfester Sensoren auf innenliegende Reaktorbestandteile oder -wände, insbesondere unter sterilen Bedingungen, sehr aufwendig. Selbst für einfachste Reaktoren wie Schüttelkolben existieren bisher keine robusten und nutzerfreundlichen Systeme zum Aufbringen ortsfester Sensoren auf die Innenseite der Reaktorwände. Auch das unsterile Aufbringen ortsfester Sensoren auf innenliegende Reaktorbestandteile oder -wände in Kombination mit nachträglicher Sterilisierung ist nachteilig, da viele gängige Sterilisierungsverfahren das Verhalten sensorischer Komponenten nachteilig beeinflussen.

Ein weiterer Nachteil ortsfester Sensoren ist im Falle von außerhalb des Reaktors liegenden Messanordnungen die erforderliche Genauigkeit bei der Positionierung und Orientierung zwischen innenliegendem Sensor und außenliegender Messanordnung, die häufig nur durch komplizierte Positionierungshilfen erreicht werden kann. Zudem sind ortsfeste Sensoren in durchmischten Reaktoren teilweise hohen Scherkräften ausgesetzt, die lebensdauerbegrenzend wirken können oder die Sensoren sogar unter Kontamination des Reaktionsgemisches zersetzen.

Einige Nachteile ortsfester Sensoren lassen sich vermeiden durch die aus dem Stand der Technik bekannte Anwendung von Mikro- und Nanopartikeln im Reaktionsgemisch. Diese sind entweder frei und gleichmäßig im Reaktorinhalt bzw. Reaktionsgemisch verteilt oder sie werden zur Signalerfassung magnetisch im Erfassungsbereich der Messanordnung fokussiert und erscheinen daher in beiden Fällen für die Messanordnung wie ein ortsfester Sensor. Im Vergleich zum auf die Innenseite der Reaktorwand ortsfest aufgebrachten Sensor kommt es durch eine klare Phasenzuordnung der Sensorpartikel jedoch nicht zu der oben beschriebenen fehlerhaften Erfassung von Mischsignalen der zu überwachenden Eigenschaften aus verschiedenen Phasen des Reaktorinhalts. Weiterhin vereinfacht die homogene Verteilung der Sensorpartikel im Reaktorinhalt bzw. Reaktionsgemisch ebenso wie die magnetische Fokussierung der Sensorpartikel vor der Messanordnung sowohl die Einbringung der Sensoren in den Reaktorinhalt als auch die Positionierung und Orientierung der Messanordnung.

Nichtsdestotrotz birgt auch die Verwendung frei verteilter Sensorpartikel gewichtige Nachteile. So sind mit steigendem Reaktorvolumen auch steigende Sensorpartikelmengen erforderlich, um die für die korrekte Signalerfassung durch geeignete Messanordnungen notwendigen Sensorpartikelkonzentrationen im Reaktorinhalt zu erreichen, sodass für größere Reaktorvolumina die Überwachungskosten deutlich steigen. Zudem erschwert die Verwendung homogen verteilter wie auch magnetisch fokussierter Sensorpartikel die parallele Überwachung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts über mehrere geeignete Sensorpartikel. Ursache dafür ist in vielen Fällen die gegenseitige Wechselwirkung bzw. Beeinflussung der Sensorsignale (beispielsweise durch Filter- oder Streueffekte bei optischen Sensoren mit Absorptions-, Lumineszenz- oder Streulichterfassung) verschiedener Sensorpartikel im gleichen Reaktionsgemisch. Zusätzlich wird die Verwendung identischer, durch geeignete Messanordnungen erfassbarer sensorischer Komponenten in Sensoren mit mehrstufigen Messketten verhindert. So ist beispielsweise die Nutzung von Sensoren mit dem gleichen sauerstofflöschbaren Luminophor, aber verschiedenen sauerstoffverbrauchenden Enzymen zur parallelen Überwachung von beispielsweise Glucose, Lactat und Glutamin mit den aus dem Stand der Technik bekannten Partikelsensoren nicht möglich, da keine derzeit verfügbare Messanordnung unterscheiden könnte, durch welche der verschiedenen Substanzen als zu überwachende Eigenschaften des Reaktorinhalts das erfasste Signal des Luminophors beeinflusst wird. Dieser Nachteil besteht bei ortsfest aufgebrachten Sensoren nicht, da die Kombination von ortsfestem Sensor und ortsfest zugeordneter Messanordnung implizit auch die parallel überwachten Eigenschaften zuordnet und unterscheidbar hält.

DE102004017039A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung von Prozessparametern von Reaktionsflüssigkeiten in mehreren Mikroreaktoren, die zumindest bis zur Beendigung der Reaktion in sämtlichen Mikroreaktoren kontinuierlich geschüttelt werden. Die Prozessparameter in den Mikroreaktoren werden während der Reaktion mithilfe mindestens einer Sensoroptik als Bestandteil der Messanordnung erfasst. Die Sensoroptik ist in einigen Ausführungen über eine Positioniereinheit verfahrbar. Es werden auch Ausführungen offenbart, in denen die Reaktionsflüssigkeiten in den Mikroreaktoren wenigstens ein chemisches Sensormaterial aufweisen und das chemische Sensormaterial an wenigstens einer Innenfläche des Mikroreaktors angebracht ist. Weiterhin wird offenbart, dass jede Sensoroptik zumindest während der Erfassung der Prozessparameter nicht bewegt wird, sodass die geschüttelten Mikroreaktoren sich relativ zu jeder Sensoroptik bewegen. Dazu werden weiterhin Ausführungen offenbart, in denen als Strahlungsquelle der Sensoroptik eine Blitzlampe verwendet wird, deren Pulsfrequenz auf die Schüttelbewegung derart abgestimmt wird, dass die Lichtblitze während der Schüttelbewegung stets an derselben Stelle auf den Mikroreaktor treffen. Auch wird eine Ausführungsform offenbart, in der durch eine hohe Blitz- und Erfassungsfrequenz, welche über der Schüttelfrequenz des Schüttlers liegt, viele Messpunkte aufgenommen werden, um eine Schwebung des Messsignals zu verhindern. Die insgesamt offenbarte Kombination aus verfahrbarer Sensoroptik als Komponente einer Messanordnung, ortsfest an der Innenwand des Reaktors angebrachten chemischen Sensoren und einer, auf die Schüttelbewegung synchronisierten, gepulsten Strahlungsquelle der Sensoroptik erlaubt grundsätzlich die Erfassung mehrerer ortsfester Sensoren, auch unter Verwendung identischer optischsensorischer Komponenten und bei gleichzeitiger Miniaturisierbarkeit des Reaktors. Nichtsdestotrotz bestehen auch hier weiterhin die Nachteile des aufwendigen Aufbringens ortsfester Sensoren auf innenliegende Reaktorbestandteile oder -wände unter sterilen Bedingungen und die Nachteile der Sterilisierung nach dem Aufbringen. Zusätzlich nachteilig ist die Notwendigkeit der Synchronisation der Strahlungsquelle auf die Schüttelbewegung, die sich aus der Relativbewegung zwischen geschütteltem ortsfestem Sensor und ungeschüttelter Messanordnung ergibt. Nachteilig besteht im Falle der Nutzung im Reaktor ortsfest angebrachter Sensoren auch hier die Gefahr der oben beschriebenen Erfassung von Mischsignalen aus verschiedenen Phasen des Reaktorinhalts. Im Falle der Nutzung frei im Reaktionsgemisch verteilter Sensorpartikel ergeben sich die oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich der parallelen Erfassung verschiedener Eigenschaften des Reaktorinhalts über die Nutzung mehrerer, oder auch teils identischer, sensorischer Komponenten. Sämtliche aus dem Stand der Technik offenbarten Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren weisen zumindest einen der oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich Skalierbarkeit des Reaktorvolumens, Erfassung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts oder Komplexität in der Handhabung und Einhaltung von Sterilitäts- und Reinheitsanforderungen der zu überwachenden Prozesse auf.

Aufgabenstellung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit Sensoren im Inneren des Reaktors robust und einfach in der Handhabung erfolgen kann, bei gleichzeitig guter Skalierbarkeit in große und kleine Reaktorvolumina sowie mit der Möglichkeit zur Erfassung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 8; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüche sowie der Beschreibung.

Definitionen

Zur Sicherstellung der Klarheit einiger in der Beschreibung verwendeter Begriffe, werden diese nachfolgend und im Verlauf der Beschreibung definiert und erläutert.

Ein Reaktor ist ein Behältnis, welches insbesondere zur Kultivierung von Organismen oder zur Durchführung chemischer und biochemischer Reaktionsprozesse eingesetzt werden kann. Weitere Einsatzbereiche von Reaktoren sind unter anderem biokatalytische Prozesse unter Verwendung von Organismen und/oder Biomolekülen sowie andere chemische und/oder physikalische Prozesse, wobei vom Begriff Prozess alle Arten der Umwandlung, Auftrennung, Zusammenführung, Durchmischung, Größenänderung und Lagerung von insbesondere chemischen Stoffen, Organismen, Partikeln, Lösungen, Emulsionen und Schäumen umfasst sind. Reaktoren im Sinne der Erfindung umfassen insbesondere Rührkesselfermenter und -reaktoren, Blasensäulenfermenter, Schüttelkolben, T-Flasks, Mikrotiterplatten, Deep-Well-Plates, Schüttelfässer, Fermentation-Bags, Mehrzweckröhrchen und Zellkulturschalen. Reaktoren können gegenüber ihrer Umwelt geschlossen oder offen sein.

Der Reaktorinhalt umfasst sämtliche Materie, welche sich innerhalb der Außenhülle des Reaktors befindet. Im Falle eines gegenüber der Umwelt offenen Reaktors wird der Reaktorinhalt begrenzt durch die Innenwand des Reaktors sowie durch die hypothetische Verschlussfläche, die den Übergang zwischen Reaktorinnerem und Umwelt darstellt. Der Reaktorinhalt setzt sich aus einer oder mehreren Phasen zusammen, die insbesondere als Fluide (Gase, Flüssigkeiten) oder als Phasengemische mit fluidischem Charakter (Schäume, Emulsionen, Suspensionen, Pulverschüttungen) ausgebildet sind. In vielen Einsatzbereichen der Erfindung wird der Reaktorinhalt durch zwei Phasen gebildet, durch das Reaktionsgemisch, in dem der überwiegende Teil des durchzuführenden Prozesses abläuft, sowie durch den darüberliegenden, meist als Gasphase ausgebildeten Kopfraum. Erfindungsgemäß kann jede Phase des Reaktorinhalts ein reiner Stoff oder aber ein Stoffgemisch sein. Der Reaktorinhalt und damit insbesondere auch das Reaktionsgemisch und der Kopfraum weisen physikalische, chemische, biologische oder anderweitige Eigenschaften auf, die Zielobjekt einer Überwachung sein können. Im Sinne der Erfindung kann die sensorbasierte Überwachung einer oder mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts, des Reaktionsgemischs, des Kopfraums oder ihrer Bestandteile durch die Erfassung und Bestimmung der Eigenschaft selbst oder durch die Erfassung von Korrelaten der Eigenschaft erfolgen. Dabei sind Korrelate im Sinne der Erfindung jegliche mit der zu überwachenden Eigenschaft korrelierende Phänomene, Prozesse, Signale, Eigenschaften oder Umgebungsbedingungen geeigneter Sensoren, sensorischer Komponenten oder konvertierender Komponenten. Eigenschaften im Sinne der Erfindung sind qualitative oder quantitative Größen, die geeignet sind, den Zustand einer Sache zu beschreiben, insbesondere aber nicht ausschließlich Stoff- und Partikelkonzentrationen, Umgebungsparameter wie Temperatur und Druck, optische Parameter wie Lumineszenzlebensdauer, Emissions-, Absorptions- oder Streuintensität und -weilenlängen, andere physikalische Parameter wie Emissivität, Impedanz, elektrische Kapazität, Induktivität und Leitfähigkeit, biologische Parameter wie Expressionsraten, Stoffwechselwegaktivitäten, Teilungsraten oder Viabilität und viele mehr. Im Sinne der Erfindung kann die Überwachung von Eigenschaften des Reaktorinhalts oder seiner Bestandteile auch über die einzelne oder gemeinsame Erfassung mehrerer Korrelate sowie deren Kombination mit geeigneten mathematischen Berechnungs- und Auswertungsverfahren oder mit anderen Algorithmen erfolgen. Die Durchmischung des Reaktorinhalts bezeichnet jedes Verfahren, den Reaktorinhalt dergestalt zu beeinflussen, dass sich mindestens zwei, zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommene Zustände der Verteilung des Reaktorinhalts und seiner Bestandteile im Reaktor, nicht gleichen. Übliche Durchmischungsverfahren nutzen dazu insbesondere mechanische, thermische oder thermodynamische Verfahren, insbesondere aber nicht ausschließlich Schüttelverfahren, Rührverfahren, Pumpverfahren und Diffusionsverfahren.

Sensoren im Sinne der Erfindung sind Vorrichtungen, die geeignet sind, mindestens eine Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile in mindestens ein Signal zu überführen, welches, bei Bedarf mittels Anregung, durch geeignete Messanordnungen erfasst werden kann. Dazu umfassen Sensoren im Sinne der Erfindung mindestens eine sensorische Komponente, die über mindestens eine Eigenschaft oder ein entsprechendes Korrelat verfügt, welche oder welches durch die Messanordnung erfassbar ist und durch die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile beeinflusst wird. Die Beeinflussung durch die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft kann direkt oder indirekt erfolgen, insbesondere auch durch Interaktionsketten mit verschiedenen konvertierenden Komponenten oder mit anderen Eigenschaften oder Bestandteilen des Reaktorinhalts. Im Sinne der Erfindung erfolgt die Erfassung von Eigenschaften oder Korrelaten durch Messanordnungen über mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente, welches in einigen Fällen durch die Messanordnung angeregt werden muss. Sensorische Komponenten im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich Farbstoffe, Fluorophore, Luminophore, Nanooder Mikropartikel aus Metallen oder Halbleitern und andere Strukturen, die optische oder andere elektromagnetische Signale erzeugen oder beeinflussen können, sowie Kombinationen der vorgenannten oder ähnlicher Komponenten untereinander und Systeme, die mindestens eine der vorgenannten Komponenten enthalten.

Sensoren im Sinne der Erfindung können weiterhin eine oder mehrere konvertierende Komponenten enthalten. Eine konvertierende Komponente im Sinne der Erfindung weist mindestens eine Eigenschaft oder ein entsprechendes Korrelat auf, welche oder welches durch die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile direkt oder indirekt (über eine andere konvertierende Komponente) beeinflusst wird, dabei zwar selbst nicht durch eine Messanordnung erfassbar ist, aber direkt oder indirekt (über eine andere konvertierende Komponente) mindestens eine Eigenschaft und somit mindestens ein Signal mindestens einer sich in der Umgebung der konvertierenden Komponente befindlichen sensorischen Komponente beeinflussen kann. Konvertierende Komponenten im Sinne der Erfindung können über ihre Interaktionen untereinander oder mit sensorischen Komponenten zu beliebig langen Interaktionsketten verknüpft sein, um Änderungen mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile in ein durch mindestens eine Messanordnung erfassbares Signal zu konvertieren. Konvertierende Komponenten im Sinne der Erfindung weisen vorteilhaft eine hohe Spezifität gegenüber der zu überwachenden Eigenschaft oder den interagierenden anderen konvertierenden Komponenten oder sensorischen Komponenten auf und werden eingesetzt, um insbesondere Stoffkonzentrationen zu überwachen. Konvertierende Komponenten im Sinne der Erfindung sind insbesondere Enzyme, Katalysatoren, Nukleinsäuren, Aptamere, Ribozyme, Antikörper und andere selektiv bindende Proteine oder Strukturen, sowie Kombinationen der vorgenannten oder ähnlicher Komponenten untereinander und Systeme, die mindestens eine der vorgenannten Komponenten enthalten. Im Sinne der Erfindung befindet sich die durch mindestens eine konvertierende Komponente beeinflusste sensorische Komponente bevorzugt in räumlicher Nähe zur sie beeinflussenden konvertierenden Komponente, insbesondere um eine effektive Interaktion zwischen beiden, beispielsweise durch lokale Änderungen von Stoffkonzentrationen (insbesondere Sauerstoff- oder Protonenkonzentration) oder durch Energie-, Elektronen- oder Protonentransferprozesse (insbesondere Quenching, FRET, PET, Elektrolumineszenz, Reaktionen), zu ermöglichen.

Sensoren im Sinne der Erfindung können weiterhin Marker enthalten, die mindestens ein Markersignal erzeugen, sodass insbesondere die Lage, Position und Identität des jeweiligen Sensors durch geeignete Messanordnungen über die Erfassung des mindestens einen Markersignals bestimmt werden kann.

Sensoren im Sinne der Erfindung können über mindestens eine Sensormatrix verfügen, die als Strukturkomponente mechanische Stabilität verleiht, zur Aufrechterhaltung der sensorinternen Anordnung von sensorischen Komponenten, konvertierenden Komponenten und Markern dient, diese in den Sensor einbetten kann, diese voneinander trennen kann und so den Sensor segmentieren kann. Eine Sensormatrix kann auch genutzt werden, um dem Sensor eine bestimmte Form zu verleihen und diese aufrechtzuerhalten. Zudem können Sensormatrizen im Sinne der Erfindung zur Einstellung eines selektiven Stofftransports eingesetzt werden, beispielsweise durch definierte Porengrößen, Polarität oder Oberflächenladung. Als Sensormatrix im Sinne der Erfindung gelten insbesondere aber nicht ausschließlich alle Arten von Polymeren, Hydrogelen, Membranen sowie amorphen, teilkristallinen oder kristallinen Feststoffen. Es können mehrere gleiche oder verschiedene Sensormatrizen in einem Sensor eingesetzt werden.

Eine Messanordnung im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen, die geeignet ist, mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens ein Markersignal mindestens eines Markers zu erfassen. Insofern ist jede durch eine Messanordnung erfassbare Eigenschaft oder deren Korrelat einer sensorischen Komponente oder eines Markers ein Signal beziehungsweise Markersignal im Sinne der Erfindung. Zum Zweck der Erfassung von Signalen und Markersignalen umfasst eine Messanordnung mindestens einen Signaldetektor. Sofern das zu erfassende Signal oder Markersignal angeregt werden muss, umfasst eine geeignete Messanordnung zudem mindestens einen Signalanreger. Anzuregende Signale im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich optische Signale wie Lumineszenz-, Absorptions- und Streuintensitäten, Lumineszenzpolarisationsgrade, Lumineszenzlebensdauern und Impedanzsignale wie Kapazität, Induktivität oder Leitfähigkeit. Signale können frequenzabhängig beziehungsweise zeitabhängig erfasst werden. Signale können unter Modulation der Signalanregung erfasst werden. Aus einzelnen erfassten Signalen (beispielsweise Intensitäten) können abgeleitete Signale (beispielsweise Spektren, ratiometrische Signale, Abklingkurven, Bode-Plots, Zeitreihen) gebildet werden. Zur Bildung von abgeleiteten Signalen können geeignete elektrische Schaltungen oder Rechner mit geeigneter Software und Algorithmen eingesetzt werden, die im Sinne der Erfindung Bestandteil der entsprechenden Messanordnung sind. Als Rechner zählt jede elektronische Vorrichtung, die Daten (insbesondere arithmetische und logische) speichern und auf der Grundlage programmierbarer Vorschriften verarbeiten kann. Als Rechner im Sinne der Erfindung gelten insbesondere aber nicht ausschließlich Mikrocontroller, Mikroprozessoren, System-on-a-Chip Rechner (SoC), PCs und Server.

Durch geeignete Messanordnungen erfassbare Signale werden im Erfassungsbereich der Messanordnung erfasst, wobei sich der Erfassungsbereich aus dem Detektionsbereich mindestens eines Signaldetektors und, im Falle einer erforderlichen Signalanregung, dem Anregungsbereich mindestens eines Signalanregers ergibt. Im Sinne der Erfindung erfasst eine Messanordnung sämtliche durch sie erfassbaren Signale in ihrem Erfassungsbereich, also nicht nur die Signale sensorischer Komponenten oder die Markersignale von Markern, sondern auch Hintergrund- und Umgebungssignale, welche bei Bedarf durch geeignete Verfahren eliminiert werden können. Insofern erfassen Messanordnungen im Sinne der Erfindung auch Signale, insbesondere Umgebungs- und Hintergrundsignale, wenn gerade kein Sensor in ihrem Erfassungsbereich lokalisiert ist.

Die Verweilzeit im Sinne der Erfindung ist die Zeit, in der sich eine bestimmte sensorische Komponente eines Sensors im Erfassungsbereich einer ihr Signal erfassen könnenden Messanordnung befindet.

Die Erfassungszeit im Sinne der Erfindung ist die Zeit, die von einer Messanordnung benötigt wird, um ein bestimmtes Signal genau einmal zu erfassen.

Ein Signaldetektor im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen, die geeignet ist, mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens ein Markersignal mindestens eines Markers zu detektieren und zu digitalisieren. Signaldetektoren im Sinne der Erfindung umfassen daher insbesondere aber nicht ausschließlich Elektroden, Antennen, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände, CCD- und CMOS-Arrays, optische Elemente wie Filter, Gitter, Linsen, Fasern und Blenden, aber auch Verstärker- und Signalformungsschaltungen, Analog-Digital-Wandler, Rechner sowie Kombinationen aller vorgenannten Elemente.

Ein Signalanreger im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen, die geeignet ist, mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens ein Markersignal mindestens eines Markers anzuregen. Signalanreger im Sinne der Erfindung umfassen daher insbesondere aber nicht ausschließlich Elektroden, Antennen, LEDs, Blitzlampen, Laser, optische Elemente wie Filter, Gitter, Linsen, Fasern und Blenden, aber auch Treiber- und Modulationsschaltungen, Digital-Analog-Wandler, Rechner sowie Kombinationen aller vorgenannten Elemente.

Im Sinne der Erfindung gilt als Zugabe mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors in einen Reaktor jegliche gezielte Verbringung mindestens eines Sensors von außerhalb des Reaktors ins Reaktorinnere, insbesondere in den Reaktorinhalt oder mindestens einen seiner Bestandteile, wie beispielsweise in ein Reaktionsgemisch oder den Kopf raum.

Als Lagermedium im Sinne der Erfindung gilt jeglicher Stoff oder jegliches Stoffgemisch, mit dem mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor während seiner Lagerung oder anderweitigen Aufbewahrung vor seiner Zugabe in einen Reaktor gezielt in Kontakt gebracht oder gehalten wird, um bestimmte Eigenschaften oder Verhaltensweisen des mindestens einen Sensors gezielt zu beeinflussen oder zu erhalten. Erfindungsgemäße Lagermedien sind insbesondere aber nicht ausschließlich Luft, definierte Gasgemische, Schutzgase, wässrige Lösungen, Pufferlösungen, Salzlösungen, Gemische organischer und wässriger Bestandteile, Emulsionen, Schäume und auch Pulver.

Flossen im Sinne der Erfindung können Bestandteile erfindungsgemäßer Sensoren sein. Eine Flosse im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung, die dazu geeignet ist, das Bewegungsverhalten erfindungsgemäßer Sensoren im Reaktorinhalt oder mindestens einem seiner Bestandteile oder aber das Strömungsverhalten von Fluiden im Reaktorinneren an erfindungsgemäßen Sensoren gezielt zu beeinflussen. Somit gelten als Flossen im Sinne der Erfindung insbesondere aber nicht ausschließlich strömungsmechanische Strukturelemente, wie Finnen, Kerben, Spalte, Rillen und Perforationen, aber auch Auftriebselemente wie Gewichte, Hohlräume, Schäume oder anderweitig geschlossen-poröse Strukturen.

Ein Rührwerk im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung im oder am Reaktor, die entweder selbst in Bewegung versetzt werden kann, oder den Reaktor in Bewegung setzt, um eine Mischbewegung als insbesondere konvektiven Stofftransport im Reaktorinhalt, oder in mindestens einem seiner Bestandteile, etwa im Reaktionsgemisch oder im Kopfraum, hervorzurufen.

Lösung

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren, wobei der Reaktorinhalt mindestens eine zu überwachende Eigenschaft aufweist und die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente beeinflusst und das mindestens eine Signal der mindestens einen sensorischen Komponente durch mindestens eine Messanordnung erfasst wird, durch ein Verfahren, bei dem mindestens ein Sensor, der die mindestens eine sensorische Komponente enthält, nicht ortsfest ist und sich im Reaktor bewegt, sodass sich der mindestens eine Sensor nicht permanent im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet und mindestens eine Erfassung des mindestens einen Signals der mindestens einen sensorischen Komponente durch die mindestens eine Messanordnung erfolgt, während sich der mindestens eine Sensor im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet.

Erfindungsgemäß wird mindestens ein Signal der mindestens einen sensorischen Komponente, das erfasst wurde, während sich der mindestens eine Sensor im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befand, zur Überwachung oder Bestimmung der mindestens einen zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts genutzt. Erfindungsgemäß kann diese Überwachung auch über die Erfassung von Korrelaten der zu überwachenden Eigenschaft erfolgen.

In Abgrenzung zu den aus dem Stand der Technik bekannten Mikro- und Nanopartikelsensoren sind die erfindungsgemäßen Sensoren dabei nicht gleichmäßig im Reaktorinhalt oder Reaktionsgemisch verteilt, sodass die sequentielle oder parallele Erfassung mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen sensorischen Komponenten durch die gleiche oder durch mehrere geeignete Messanordnungen ermöglicht wird, ohne dass sich die erfindungsgemäßen Sensoren gegenseitig hinsichtlich ihrer Erfassung durch geeignete Messanordnungen beeinflussen oder stören. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren von sich im Reaktor bewegenden, nicht gleichmäßig verteilten Sensoren eine kostengünstigere Überwachung größerer Reaktoren, da zur Erreichung erfassbarer Messsignale nicht, wie für Mikro- und Nanopartikelsensoren erforderlich, größere Mengen an Sensoren dem Reaktorinhalt zugegeben werden müssen.

Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Nutzung von sich im Reaktor bewegenden, nicht gleichmäßig verteilten Sensoren eine sequentielle Erfassung der Signale von den jeweils in den Sensoren befindlichen sensorischen Komponenten, sodass in Abgrenzung zu den aus dem Stand der Technik bekannten ortsfesten Sensoren die Erfassung verschiedener Signale von verschiedenen Sensoren und sensorischen Komponenten zur Überwachung verschiedener Eigenschaften des Reaktorinhalts mit einer verringerten Anzahl an Messanordnungen möglich ist, und solche Überwachungen auch an miniaturisierten Reaktoren erfolgen können.

In Abgrenzung zu ortsfesten Sensoren vereinfacht das erfindungsgemäße Verfahren zudem die Anwendung von Sensoren im Reaktor, da die erfindungsgemäßen Sensoren einfach während der Befüllung des Reaktors zugegeben werden können und nicht wie im Falle der ortsfesten Sensoren zuvor auf die Innenwände oder sonstige Einbauten des Reaktors aufgebracht werden müssen.

Erfindungsgemäß ist das mit dem Reaktorinhalt überlappende Volumen mindestens eines Erfassungsbereichs mindestens einer Messanordnung kleiner als das Volumen des Reaktorinhalts. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das mit dem Reaktorinhalt überlappende Volumen jedes Erfassungsbereichs jeder einzelnen Messanordnung kleiner als das Volumen des Reaktorinhalts, insbesondere aber so klein, dass für jeden eingesetzten und durch die betreffende Messanordnung erfassbaren Sensor derjenige Zustand des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbar ist, in dem sich der jeweilige Sensor nicht im Erfassungsbereich der betreffenden Messanordnung befindet. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Erfassungsbereich jeder einzelnen Messanordnung kleiner oder gleich dem Volumen des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches abzüglich des Volumens sämtlicher durch die jeweilige Messanordnung erfassbaren Sensoren, die sich gerade im Reaktor oder Reaktionsgemisch befinden und durch Bewegung in den Erfassungsbereich der jeweiligen Messanordnung hineingelangen könnten. Erfindungsgemäß ist der Erfassungsbereich jeder einzelnen Messanordnung mindestens so groß, dass der kleinste durch die jeweilige Messanordnung zu erfassende Sensor noch durch sie erfasst werden kann.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens ein Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung kleiner als mindestens einer der durch die Messanordnung erfassbaren Sensoren. In einigen Ausführungen der Erfindung ist jeder Erfassungsbereich jeder Messanordnung kleiner als der kleinste in dem entsprechenden Erfassungsbereich erfassbare Sensor. Darüber hinaus ist in einigen Ausführungen der Erfindung der Erfassungsbereich jeder Messanordnung kleiner als der kleinste in dem entsprechenden Erfassungsbereich erfassbare und die gleiche Art sensorischer Komponenten enthaltende zusammenhängende Sensorbereich innerhalb eines Sensors.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Signal oder mehrere Signale oder die Gesamtheit der Signale einer durch mindestens eine geeignete Messanordnung erfassbaren sensorischen Komponente auch dann erfassbar, wenn der Sensor den Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung nicht vollständig ausfüllt. Derartige erfindungsgemäße Signale sind insbesondere aber nicht ausschließlich ratiometrische Signale sowie Lebensdauern und Abklingzeiten.

In einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist jeder Sensor mindestens so groß wie oder größer als der Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung, welche das mindestens eine Signal der mindestens einen im Sensor enthaltenen sensorischen Komponente erfasst.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Erfassungszeit, die eine Messanordnung zur Erfassung mindestens eines Signals einer sensorischen Komponente benötigt, kürzer als die Verweilzeit des die sensorische Komponente enthaltenden Sensors im Erfassungsbereich der Messanordnung.

In einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Erfassungszeit, die eine Messanordnung zur Erfassung mindestens eines Signals einer sensorischen Komponente benötigt, kürzer als die Verweilzeit des die sensorische Komponente enthaltenden Segments eines Sensors im Erfassungsbereich der Messanordnung. Dies gilt vorteilhaft insbesondere für Sensoren, die mehrere, in Segmenten angeordnete sensorische Komponenten enthalten.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind wiederholt für mindestens eine Erfassungszeit der eine bestimmte sensorische Komponente erfassenden Messanordnung keine Sensoren oder Sensorsegmente, die ebendiese sensorische Komponente enthalten, im Erfassungsbereich ebendieser die bestimmte sensorische Komponente erfassenden Messanordnung.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden ein erfindungsgemäßer Sensor oder mehrere erfindungsgemäße Sensoren passiv durch die im Rahmen der Durchmischung des Reaktors erfolgenden Bewegung des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches bewegt und gelangen dadurch in den Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung hinein sowie auch aus dem Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung hinaus. Derartige erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich insbesondere durch die Nutzung erfindungsgemäßer Sensoren in geschüttelten Reaktoren (beispielsweise Schüttelkolben, Bags, Kulturplatten, Mikrotiterplatten, T- Flasks), in Rührkesselreaktoren und in Blasensäulenreaktoren.

In einigen Ausführungen der Erfindung enthält mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor mindestens einen Marker, der über mindestens ein Markersignal durch mindestens eine Messanordnung erfassbar ist. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen triggert der Marker durch sein Markersignal den Beginn der Erfassung mindestens eines Signals mindestens einer sensorischen Komponente durch mindestens eine Messanordnung. In vorteilhafter Ausgestaltung von Ausführungen der Erfindung mit mindestens einem Marker werden Sensoren, die zur Überwachung unterschiedlicher Eigenschaften eingesetzt werden auch mit Markern, die unterschiedliche Markersignale aufweisen, ausgestattet, um insbesondere aber nicht ausschließlich verschiedene Erfassungsmethoden der Messanordnung zu triggern oder die verschiedenen Sensoren eindeutig der jeweils durch sie überwachten Eigenschaft des Reaktorinhalts zuordnen zu können. In einigen Ausgestaltungen der Erfindung wird mindestens eine durch geeignete Messanordnungen erfassbare Eigenschaft mindestens einer sensorischen Komponente in einem Sensor als Marker genutzt. So kann beispielsweise die Lumineszenzintensität eines Luminophors, dessen Lumineszenzlebensdauer als Signal erfasst wird, als Markersignal erfasst werden, sodass eine geeignete Messanordnung immer dann die Lumineszenzlebensdauer erfasst, wenn ein Lumineszenz-Markersignal vorhanden ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann eine Messanordnung verschiedene Signale verschiedener sensorischer Komponenten und/oder verschiedene Markersignale verschiedener Marker erfassen. Dies erfolgt insbesondere durch Kombination verschiedener geeigneter Signaldetektoren und, wo erforderlich, Signalanreger.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine Messanordnung ortsfest zum Reaktor angebracht, sodass keine Relativbewegung zwischen Reaktor und Messanordnung erfolgt. In anderen Ausführungen der Erfindung findet eine Relativbewegung zwischen Reaktor und mindestens einer Messanordnung statt.

In einigen Ausführungen der Erfindung wird mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor beim Befüllen des Reaktors in den Reaktor zugegeben. In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Zugabe mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors in den Reaktor vor dem Beginn des im Reaktor durchzuführenden Prozesses, beispielsweise vor dem Beginn der Kultivierung oder Inkubation von Zellen oder vor dem Beginn einer chemischen Reaktion. In anderen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Zugabe mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors in den Reaktor bereits vor dem Verpacken oder Sterilisieren des Reaktors oder aber während des bereits im Reaktor laufenden Prozesses. In Ausführungen, die hohe Sterilität oder Reinheit erfordern, erfolgt die Zugabe aus einem sterilen Zugabesystem für erfindungsgemäße Sensoren, welche dann ebenfalls steril sind.

In einigen Ausführungen werden die erfindungsgemäßen Sensoren vor der Zugabe in den Reaktor in einem Lagermedium aufbewahrt, welches die Haltbarkeit der Sensoren gewährleistet und die Sensoren einsatzbereit hält.

Erfindungsgemäß kann die Form jedes Sensors an die Form und Durchmischungsart eines Reaktors oder seines Reaktorinhalts angepasst sein. So können beispielsweise in Schüttelkolben oder anderen orbitalgeschüttelten Reaktoren Sensoren in Form von Ringsegmente oder davon abgeleiteten Formen passend zu den Radien der eingesetzten Reaktoren oder Orbitalbewegungen eine optimale Bewegung der Sensoren im Reaktor ermöglichen. In turbulent gerührten Rührkesselreaktoren können hingegen sphärische oder ellipsoide Sensoren vorteilhaft eingesetzt werden.

In einigen Ausführungen der Erfindung verfügen die erfindungsgemäßen Sensoren über Formelemente, die eine optimale Ausrichtung oder Bewegung der Sensoren im Reaktorinhalt oder Reaktionsgemisch begünstigen. Solche Formelemente sind insbesondere aber nicht ausschließlich flügel-, finnen- oder flossenartige Strukturen.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens eine Sensormatrix, welche mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente enthält, gegenüber der Außenkontur des Sensors derart zurück- oder nach innen gesetzt, dass im Falle eines Zusammenstoßes oder anderweitigen Kontaktes zwischen dem betreffenden Sensor und dem Reaktor (insbesondere der Reaktorwand oder Reaktoreinbauten) kein direkter Kontakt zwischen Reaktor und der zurück- oder nach innen gesetzten mindestens einen sensorischen Komponente, konvertierenden Komponente oder Sensormatrix erfolgt. Vorteilhaft wird dadurch die mechanische Belastung der zurück- oder nach innen gesetzten mindestens einen sensorischen Komponente, konvertierenden Komponente oder Sensormatrix reduziert.

In einigen Ausführungen der Erfindung besitzt ein Sensor eine Geometrie, die bestimmte Bewegungsformen im Reaktor gezielt behindert oder unterbindet. In vorteilhafter Ausführung der Erfindung für geschüttelte Reaktoren, insbesondere Schüttelkolben, wird dies durch Ecken oder Kanten in der Geometrie des Sensors erreicht, sodass Rollbewegungen behindert werden und ein entsprechend ausgeführter Sensor sich bei verschiedensten Durchmischungsbedingungen (insbesondere hinsichtlich Schüttelbedingungen, Füllstand des Reaktors und Viskosität des Reaktionsgemisches) bevorzugt mit dem Reaktionsgemisch bewegt, anstatt über den Reaktorboden zu rollen oder zu gleiten. In einigen solcher Ausführungen der Erfindung sind die Ecken und Kanten derart angeordnet und mit geeigneten Übergängen kombiniert, dass sich ein insgesamt vorteilhafter Anströmungszustand ergibt, der ebenfalls unerwünschten Rolloder Gleitbewegungen vorbeugt, die Lage des Sensors im Reaktionsgemisch stabilisiert und die Bewegung des Sensors mit dem Reaktionsgemisch unterstützt.

Erfindungsgemäß kann die Dichte erfindungsgemäßer Sensoren entsprechend der Überwachungszielsetzung an die Dichte des Reaktorinhalts oder des Reaktionsgemisches angepasst sein, um Eigenschaften des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches in bestimmten Regionen, beispielsweise am Boden oder an der Oberfläche des Reaktionsgemisches, zu überwachen.

Erfindungsgemäß können mehrere Sensoren gleicher Art und Beschaffenheit in einem Reaktor eingesetzt werden. Dies kann insbesondere aber nicht ausschließlich in großen Reaktoren erfolgen, um die Zeit zwischen den Erfassungen mindestens eines Signals einer oder mehrerer bestimmter sensorischer Komponenten durch häufigeres Eintreten entsprechender Sensoren mit ebendiesen sensorischen Komponenten in den Erfassungsbereich geeigneter Messanordnungen zu verkürzen und somit eine engmaschigere Überwachung mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts zu ermöglichen.

Erfindungsgemäße Sensoren können eine oder mehrere konvertierende Komponenten umfassen, die kein durch Messanordnungen erfassbares Signal abgeben, aber die mit mindestens einer sensorischen Komponente interagieren und so mindestens eine durch eine Messanordnung erfassbare Eigenschaft und somit mindestens ein Signal der sensorischen Komponente beeinflussen.

In einigen Ausführungen der Erfindung enthalten unterschiedliche erfindungsgemäße Sensoren mit jeweils unterschiedlichen konvertierenden Komponenten die gleiche sensorische Komponente sowie unterschiedliche Marker, um die Anzahl oder Komplexität der erforderlichen Messanordnungen zu reduzieren.

In einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere verschiedene Signale einer oder mehrerer sensorischer Komponenten oder einer oder mehrerer Kombinationen aus mindestens einer sensorischen Komponente und mindestens einer konvertierenden Komponente genutzt, um eine Eigenschaft des Reaktorinhalts zu überwachen oder zu bestimmen.

In einigen Ausführungen der Erfindung kommen erfindungsgemäße Sensoren zum Einsatz, die in Segmente unterteilt sind, wobei verschiedene Segmente jeweils verschiedene Kombinationen aus mindestens einem Marker oder mindestens einer sensorischen Komponente und keiner, einer, oder mehreren konvertierenden Komponenten enthalten. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen befinden sich die Segmente in einer definierten Ordnung und einem definierten Abstand, sodass nur ein Marker erforderlich ist, um die sequenzielle Erfassung der Signale der sensorischen Komponenten aus den jeweiligen Segmenten des Sensors zu triggern. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen ist jedes Segment größer als der Erfassungsbereich des Sensors. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen befindet sich zwischen angrenzenden Segmenten ein Bereich ohne sensorische Komponente. In einigen Ausführungen der Erfindung befindet sich zwischen angrenzenden Segmenten oder an mindestens einer Außenseite eines erfindungsgemäßen Sensors mindestens ein Marker.

In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Bewegung erfindungsgemäßer Sensoren im Reaktorinhalt oder Reaktionsgemisch periodisch oder annähernd periodisch, sodass in regelmäßigen Abständen Signale der jeweiligen sensorischen Komponenten durch geeignete Messanordnungen erfasst werden können. In solchen Ausführungen kann vorteilhaft die Erfassung von Signalen und Markersignalen mit der Bewegungsperiodizität synchronisiert werden, insbesondere aber nicht ausschließlich auf Basis von zuvor erfassten Signalen und daraus berechneten Perioden oder auf der Basis der Erfassung periodischer Bewegungssignale, beispielsweise Beschleunigungen, Drehraten oder Positionen oder Verteilungen oder Bewegungsverhalten des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches.

In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Erfassung mindestens eines Signals mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens eines Markersignals periodisch. Dabei kann in einigen Ausführungen der Erfindung, insbesondere aber nicht ausschließlich im Falle periodischer Durchmischungsbewegungen, die Erfassung vorteilhaft mit einer Frequenz erfolgen, die höher ist als die Durchmischungsfrequenz. Beispiele für Durchmischungsfrequenzen sind Rührerdrehzahlen, Schüttel- oder Wippfrequenzen und Volumenströme.

In einigen anderen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Erfassung mindestens eines Signals mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens eines Markersignals nicht-periodisch, insbesondere teilweise oder vollständig randomisiert, um Schwebungen, Oszillationen, Aliasing und andere erfassungszeitabhängige Phänomene mindestens eines erfassten Signals mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens eines Markersignals zu minimieren oder zu eliminieren.

In einigen Ausführungen der Erfindung verfügt der Reaktor über Vorrichtungen, die die Bewegung erfindungsgemäßer Sensoren beeinflussen, insbesondere, um die Aufenthaltswahrscheinlichkeit erfindungsgemäßer Sensoren in bestimmten Bereichen des Reaktors beziehungsweise Reaktorinhalts zu beeinflussen, zu erhöhen oder zu verringern. In solchen Ausführungen werden insbesondere aber nicht ausschließlich Strömungselemente, Stromstörer, Klappen, Finnen, Rillen, Rinnen, Netze, oder gezielte Fluidströmungen eingesetzt, um die Bewegung erfindungsgemäßer Sensoren zu beeinflussen.

In einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere Signale sensorischer Komponenten und/oder Markersignale eines oder mehrerer Sensoren gleichzeitig oder zeitlich überlappend durch mehrere verschiedene Messanordnungen oder aber durch mehrere verschiedene Signaldetektoren oder Signalanreger-Signaldetektor-Paare auf der gleichen Messanordnung erfasst.

In einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere erfasste Signale durch geeignete Algorithmen und Software auf Rechnern miteinander zu neuen Signalen oder Korrelaten verrechnet, welche dann zur Überwachung mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches herangezogen werden.

In einigen Ausführungen der Erfindung werden verschiedene konvertierende Komponenten oder sensorische Komponenten oder Kombinationen aus beiden miteinander vermischt oder anderweitig in räumlicher Nähe zueinander in einem gemeinsamen Segment eines Sensors eingebettet. In einigen Ausführungen der Erfindung werden solche Gemische aus verschiedenen konvertierenden Komponenten oder sensorischen Komponenten oder Kombinationen aus beiden gemeinsam durch eine geeignete Messanordnung erfasst, beispielsweise im Falle selbstreferenzierter Sensoren im Rahmen eines Dual-Lifetime-Referencings oder zur Kompensation von Umgebungstemperatur oder anderen Umgebungseigenschaften und -parametern.

In vorteilhafter Ausführung der Erfindung ist die Messanordnung außerhalb des Reaktors lokalisiert und durchdringt mit ihrem Erfassungsbereich die Reaktorwand sowie einen Teil des Reaktorinhalts. In einigen anderen Ausführungen der Erfindung ist die Messanordnung als Immersionssonde ausgeführt und liegt somit im Reaktorinneren. In weiteren Ausführungen der Erfindung befindet sich die Messanordnung vollständig innerhalb des Reaktors und bewegt sich mit dem oder gegen den Reaktorinhalt.

Erfindungsgemäß kann die Beeinflussung der mindestens einen sensorischen Komponente und ihres durch mindestens eine Messanordnung erfassbaren Signals durch die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft direkt oder indirekt erfolgen, insbesondere auch durch Interaktionsketten mit konvertierenden Komponenten oder mit anderen Eigenschaften oder Bestandteilen des Reaktorinhalts.

In einigen Ausführungen der Erfindung wird die gleiche zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches durch mehrere verschiedene Kombinationen aus sensorischen Komponenten und, soweit erforderlich konvertierenden Komponenten sowie gegebenenfalls unterschiedlichen Messanordnungen redundant erfasst. Vorteilhaft erhöht diese Redundanz die Robustheit und Qualität der Überwachung der zu überwachenden Eigenschaft.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor schichtweise aufgebaut. In einigen Ausführungen der Erfindung weist mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor eine Kern-Schale-Struktur auf, wobei ein aus mindestens einer Sensormatrix bestehender Kern als Träger mindestens einer aktiven Schale fungiert, wobei die aktive Schale mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens einen Marker oder Kombinationen der vorgenannten umfasst. In einigen Ausführungen der Erfindung kann auch ein solcher Kern mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens einen Marker oder Kombinationen der vorgenannten umfassen oder selbst schichtweise aufgebaut sein.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor derart aufgebaut, dass während der Verweilzeit des Sensors im Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung weitestgehend oder vollständig unabhängig von seiner Orientierung mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens ein Marker oder eine Kombination der vorgenannten durch die Messanordnung erfasst oder angeregt oder angeregt und erfasst werden kann. In einigen Ausführungen der Erfindung ist der Sensor daher rotationssymmetrisch aufgebaut.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine Sensormatrix oder mindestens einer ihrer Bestandteile oder mindestens eine durch sie eingebetteten Komponenten derart vorgerichtet, dass Hintergrundsignale aus der Umgebung, insbesondere aber nicht ausschließlich Umgebungslicht, elektromagnetische Felder oder andere Strahlung abgeschirmt werden. Dadurch wird die Wechselwirkung solcher Hintergrundsignale mit sensorischen oder konvertierenden Komponenten oder Markern oder mit der Erfassung von Signalen sensorischer Komponenten oder von Markersignalen im Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung während der Verweilzeit des betreffenden Sensors im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung reduziert. Beispiele für solche Ausführungen können insbesondere aber nicht ausschließlich optisch undurchlässige oder selektiv durchlässige Schichten oder Farbstoffe, Streu- oder Absorptionskomponenten sowie Materialien mit geeigneter Permeabilität oder Permittivität umfassen.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine Sensormatrix derart vorgerichtet, dass sie mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponenten oder mindestens ein Markersignal oder mindestens eine Signalanregung verstärkt, insbesondere aber nicht ausschließlich mittels Streu- oder Reflexionsschichten oder in mindestens einer Sensormatrix eingebrachter Streu- oder Reflexionspartikel.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert. Ausführungsbeispiele und Figuren

Figur 1 , eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung zweier Sensoren 5 mit unterschiedlichen sensorischen Komponenten 7.

Figur 2, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer T-Flask als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen.

Figur 3, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Schüttelkolbens als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen mit Zugabesystem 18 für Sensoren 5.

Figur 4, eine schematische Darstellung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Schüttelkolben als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen unter Einsatz des in Figur 3 dargestellten erfindungsgemäßen Sensors 5.

Figur 5, eine schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer Sensoren 5 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Rührkesselreaktor als Reaktor 1.

Figur 6, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 in Kern-Schale-Ausführung mit angepasster Geometrie für die Anwendung in orbitalgeschüttelten Systemen.

Gleiche oder gleich wirkende Elemente werden in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei jeweils nur die Bezugszeichen verwendet werden, die zum Verständnis der Figur, auch im Kontext mit den anderen Figuren, notwendig sind. Auf Doppelbezeichnungen in gleichen oder ähnlichen Bestandteilen einer Figur wird daher weitestgehend verzichtet.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung zweier Sensoren 5 mit unterschiedlichen sensorischen Komponenten 7. Das erfindungsgemäße Verfahren wird an einem Reaktor 1 durchgeführt, dessen Reaktorinhalt 2 infolge mindestens einer Misch beweg ung 25 durchmischt wird. Im Reaktor befinden sich zwei Sensoren 5A und 5B, die jeweils eine sensorische Komponente 7A und 7B enthalten. Erfindungsgemäß werden die zwei Sensoren 5A und 5B zur Überwachung zweier Eigenschaften des Reaktorinhalts 2 genutzt, wobei jeweils eine Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 jeweils eine sensorische Komponente 7A beziehungsweise 7B dergestalt beeinflusst, dass ein von der jeweiligen sensorischen Komponente 7A beziehungsweise 7B ausgehendes Signal 8A beziehungsweise 8B durch die Messanordnung 6 erfasst werden kann. Dabei zeichnet sich das ausgeführte erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass die eingesetzten Sensoren 5A und 5B nicht ortsfest sind und infolge der Mischbewegung 25 eine Bewegung 10A beziehungsweise 10B im Reaktor 1 vollführen, sodass sich die eingesetzten Sensoren 5A und 5B nicht permanent im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 befinden, aber sich von Zeit zu Zeit, bei periodischen Bewegungen 10 auch periodisch, für eine bestimmte Verweilzeit 24 im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 aufhalten und durch diese hinsichtlich der Signale 8 ihrer sensorischen Komponenten 7 erfasst werden können.

Bei der in Figur 1 dargestellten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in regelmäßigen Abständen über eine bestimmte Erfassungszeit 23 Signale 8 aus dem Erfassungsbereich 9 durch die Messanordnung 6 erfasst. Die in Figur 1 dargestellte Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt dabei Erfassungszeiten 23, die kürzer sind als die Verweilzeit 24 des jeweiligen Sensors 5A beziehungsweise 5B. Dadurch sowie in Kombination mit einer periodisch wiederholten Erfassung von Signalen 8 durch die Messanordnung 6 wird auch ohne Einsatz eines Markers 13 sichergestellt, dass erfindungsgemäß die Erfassung der zur Überwachung des Reaktorinhalts 2 erforderlichen jeweiligen Signale 8A beziehungsweise 8B der beiden sensorischen Komponenten 7A beziehungsweise 7B durch die Messanordnung 6 erfolgt, während sich der jeweilige Sensor 5A beziehungsweise 5B im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 befindet. Die dargestellte Messanordnung 6 ist derart ausgeführt, dass sie unterschiedliche Signale 8, insbesondere aber die Signale 8A beziehungsweise 8B der beiden sensorischen Komponenten 7A beziehungsweise 7B erfassen kann.

Figur 1 zeigt im oberen und mittleren Bereich vier Momentaufnahmen I, II, III und IV aus einer kontinuierlichen Mischbewegung 25 des Reaktorinhalts 2 im Reaktor 1 , welche in ihrem Verlauf über die Zeit 21 die nicht ortsfesten Sensoren 5A und 5B eine Bewegung 10 im Reaktor 1 ausführen lässt. Im unteren Bereich der Figur 1 ist schematisch der Verlauf der durch die Messanordnung 6 erfassten Intensitäten 22 der Signale 8A beziehungsweise 8B der beiden sensorischen Komponenten 7A beziehungsweise 7B über die Zeit 21 dargestellt, wobei die Zeitpunkte der vier Momentaufnahmen mit den jeweiligen römischen Ziffern I, II, III und IV eingezeichnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird aus Figur 1 ersichtlich. In Figur 1 , 1 befindet sich Sensor 5A nicht im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6, sodass die Intensität 22 des Signals 8A so niedrig ist, dass es nicht zur Bestimmung der durch Sensor 5A mit der sensorischen Komponente 7A zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 herangezogen wird. Gleiches gilt für die Momentaufnahme in Figur 1 , III in der sich Sensor 5B nicht im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 befindet, sodass die Intensität 22 des Signals 8B so niedrig ist, dass es nicht zur Bestimmung der durch Sensor 5B mit der sensorischen Komponente 7B zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 herangezogen wird. In den in Figur 1 , II und IV dargestellten Momentaufnahmen befindet sich kein Sensor 5 im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6, sodass beide Signale 8A und 8B so niedrig sind, dass sie nicht zur Bestimmung der durch die Sensoren 5A und 5B mit ihren sensorischen Komponenten 7A und 7B zu überwachenden Eigenschaften des Reaktorinhalts 2 herangezogen werden. In Figur 1 , I befindet sich Sensor 5B im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6, sodass die Intensität 22 des Signals 8B so hoch ist, dass es zur Bestimmung der durch Sensor 5B mit der sensorischen Komponente 7B zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 herangezogen wird. Infolge der im Vergleich zur Verweilzeit 24B des Sensors 5B im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 kurzen Erfassungszeit 23 kann das zur Überwachung geeignete Signal 8B sicher und robust identifiziert werden. Gleiches gilt für die in Figur 1 , III dargestellte Situation des Sensor 5A im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6, welcher auch hier ein zur Überwachung der zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 geeignetes Signal 8A hervorruft. Somit wird in der dargestellten Ausführung die jeweilige Intensität 22 des Signals 8A bzw. 8B als Markersignal 14 für den jeweiligen Sensor 5A bzw. 5B genutzt.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer T-Flask als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen. Dargestellt ist als Seitenschnitt (oben links) und Querschnitt (oben rechts) ein kapselförmiger Sensor 5, der eine sensorische Komponente 7 enthält, die von einer konvertierenden Komponente 11 umhüllt ist. Die sensorische Komponente 7 und die konvertierende Komponente 11 sind in eine Sensormatrix 12 eingebettet. Erfindungsgemäß erzeugt die sensorische Komponente 7 im Erfassungsbereich 9 einer geeigneten Messanordnung 6 mindestens ein Signal 8, welches von mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 abhängig ist. Typische Beispiele solcher Eigenschaften sind dem Fachmann bekannt, insbesondere aber nicht ausschließlich zählen dazu die Sauerstoffkonzentration, der pH, die Polarität der Umgebung, die Salinität, die Temperatur, der Druck und viele mehr. Erfindungsgemäße sensorische Komponenten 7, die in Abhängigkeit ebendieser Eigenschaften erfindungsgemäße Signale 8 erzeugen können, sind insbesondere aber nicht ausschließlich Farbstoffe und Luminophore, die optische Signale 8 erzeugen, aber auch metallische oder Halbleiter-abgeleitete nano- oder mikropartikuläre Strukturen, Biokonjugate oder mit Gelen kombinierte Systeme, die kapazitive Signale 8, komplexere, insbesondere frequenzabhängig erfassbare Impedanzsignale 8 oder magnetische Signale 8 erzeugen können.

Durch die in Figur 2 dargestellt Ausführung der Erfindung mit Umhüllung der sensorischen Komponente 7 durch eine konvertierende Komponente 11 können erfindungsgemäß beliebige Eigenschaften des Reaktorinhalts 2 durch Einsatz mindestens einer geeigneten konvertierenden Komponente 11 in Kombination mit mindestens einer sensorischen Komponente 7 überwacht werden. Erfindungsgemäß interagiert dabei die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 mit mindestens einer konvertierenden Komponente 11 und beeinflusst dadurch mindestens eine durch eine Messanordnung 6 erfassbare Eigenschaft der sensorischen Komponente 7. Typische Beispiele solcher konvertierenden Komponenten 11 sind insbesondere aber nicht ausschließlich Enzyme, Antikörper, Ribozyme, Katalysatoren, Nukleinsäuren und deren Derivate sowie Aptamere, wobei die Interaktion zwischen der zu überwachenden Eigenschaft (beispielsweise einer Stoffkonzentration) mit mindestens einer konvertierenden Komponente n insbesondere durch spezifische Assoziations- und Dissoziationsprozesse oder spezifische, oft katalytisch beeinflusste, Reaktionen erfolgt. Solche erfindungsgemäßen Interaktionen zwischen mindestens einer zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts 2 und mindestens einer konvertierenden Komponente 11 beeinflussen lokal, insbesondere in nächster Umgebung der konvertierenden Komponente 11 mindestens eine Eigenschaft des Reaktorinhalts 2, die wiederum mindestens ein Signal 8 mindestens einer sich im Interaktionsbereich der konvertierenden Komponente 11 befindlichen sensorischen Komponente 7 beeinflusst.

Die in Figur 2 dargestellte Ausführung des Sensors 5 mit einer die sensorische Komponente 7 umhüllenden konvertierenden Komponente 11 verstärkt vorteilhaft den Einfluss der konvertierenden Komponente 11 auf die sensorische Komponente 7. Für die in Figur 2 dargestellte Ausführung sowie ähnliche oder abgeleitete Ausführungen der Erfindung kommen insbesondere aber nicht ausschließlich Sauerstoff- oder pH- abhängige Luminophore oder Luminophorsysteme als sensorische Komponente 7 in Kombination mit Sauerstoff oder Protonen verbrauchenden beziehungsweise erzeugenden Enzymen und Enzymreaktionen als konvertierende Komponente 11 zum Einsatz. Auch spezifisch bindende Antikörper oder Aptamere können als konvertierende Komponente 11 gemeinsam mit metallischen oder halbleitenden Partikeln oder Partikelsystemen als sensorische Komponente 7 eingesetzt werden, insbesondere, wenn letztere über eine geeignete Oberflächenplasmonenresonanz zur optischen Erfassung oder geeignete magnetische, kapazitive oder resistive Eigenschaften zur, insbesondere frequenzabhängigen, Impedanzerfassung verfügen.

Die in Figur 2 dargestellte Sensormatrix 12 dient nicht nur der Einbettung der konvertierenden Komponente 11 und der sensorischen Komponente 7, sondern verleiht dem erfindungsgemäßen Sensor 5 auch mechanische Stabilität. Weiterhin kann die Sensormatrix 12 auch als teilweise oder vollständig stoffselektive Struktur ausgeführt sein, um die Spezifität oder Sensitivität der mindestens einen konvertierenden Komponente 11 oder der mindestens einen sensorischen Komponente 7 zu erhöhen. Solche Ausführungen der Sensormatrix 12 umfassen insbesondere aber nicht ausschließlich Hydrogele und Membranen mit definierter Porengröße und -Verteilung oder mit definierter Polarität, Hydrophobizität, Sauerstoff- oder Protonendurchlässigkeit.

Figur 2 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel einer T-Flask als Reaktor 1 , dessen Reaktorinhalt 2 durch eine Zellkultursuspension als Reaktionsgemisch 3 sowie darüber liegend durch einen gasgefüllten Kopfraum 4 gebildet wird. Im Reaktionsgemisch 3 befindet sich ein Sensor 5 in der in Figur 2 oben dargestellten Ausführungsform. Außerhalb des Reaktors 1 befindet sich eine Messanordnung 6, welche mindestens einen Signalanreger 16 und mindestens einen Signaldetektor 15 umfasst. Mindestens eine Kombination aus mindestens einem Signalanreger 16 und mindestens einem Signaldetektor 15 spannt mindestens einen Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 auf, welcher durch die Wand des Reaktors 1 bis in den Reaktorinhalt

2 dringt, sodass dort die Signalanregung 17 mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors 5 über die mindestens eine in ihm enthaltene sensorische Komponente 7 erfolgen und deren Signal 8 oder aber ein Markersignal 14 durch mindestens einen Signaldetektor 15 der Messanordnung 6 erfasst werden kann. Die in Figur 2 dargestellte T-Flask als Reaktor 1 wird durch Schütteln oder Wiegen einer erfindungsgemäßen Mischbewegung 25 ausgesetzt, welche über die resultierende Bewegung des Reaktionsgemischs 3 und Reaktors 1 auch eine Bewegung 10 des Sensors 5 hervorruft, sodass sich dieser erfindungsgemäß in den Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 hinein- und auch wieder herausbewegt.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Schüttelkolbens als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen mit Zugabesystem 18 für Sensoren 5. Der in Figur

3 dargestellte Sensor 5 ist bogenförmig ausgeführt, um eine gleichmäßige und möglichst kollisionsarme Bewegung 10 entlang der runden Geometrie der Wand des Schüttelkolbens als Reaktor 1 vollführen zu können. Im vorderen und hinteren Bereich des Sensors 5 sind Marker 13A und 13B in die Sensormatrix 12 eingebettet. Zwischen den Bereichen mit Markern 13A und 13B befinden sich mehrere Bereiche mit verschiedenen sensorischen Komponenten 7A und 7B sowie konvertierender Komponente 11 , wobei die Komponenten 7A und 7B beziehungsweise ihre Kombinationen (7A umhüllt von 11) als Partikel ausgeführt sind, die in die Sensormatrix 12 eingebettet sind. In jedem Bereich des in Figur 3 dargestellten Sensors 5 befindet sich maximal eine Partikelart. Ein Bereich des dargestellten Sensors 5 enthält Partikel der sensorischen Komponente 7A, welche beispielsweise ein sauerstoffabhängiges Signal 8A erzeugt. Ein Bereich des dargestellten Sensors 5 enthält Partikel der sensorischen Komponente 7B, welche beispielsweise ein pH-abhängiges Signal 8B erzeugt. Ein Bereich des dargestellten Sensors 5 enthält kombinierte Partikel aus der sensorischen Komponente 7A, welche jeweils mit einer konvertierenden Komponente 11 umhüllt sind und beispielsweise ein sauerstoffabhängiges Signal 8A erzeugen, wobei die lokale Sauerstoffkonzentration im Beeinflussungsbereich der umhüllten sensorischen Komponente 7A durch eine Oxidoreductase (z.B. für Glucose, Lactat, Glutamin) als umhüllende konvertierende Komponente 11 beeinflusst wird. Die einzelnen Bereiche des Sensors 5 sind segmentiert, sodass die verschiedenen Signale 8 im Rahmen der Erfassung, oder auch danach, lokal zugeordnet werden können und somit eine Unterscheidung beispielsweise zwischen der Sauerstoffkonzentration und der unter lokalem Sauerstoffverbrauch ermittelten Glucosekonzentration im Reaktorinhalt 2 möglich ist. Infolge des Einsatzes unterschiedlicher Marker 13A und 13B mit unterschiedlichen Markersignalen 14A und 14B im vorderen und hinteren Bereich des Sensors 5 sind die Bereiche des Sensors 5, die sensorische Komponenten 7 enthalten, unabhängig von der Orientierung des Sensors 5 unterscheidbar.

Der untere Abschnitt von Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Schüttelkolbens als Reaktor 1 vor dem Beginn der erfindungsgemäßen Durchmischung infolge einer Mischbewegung 25. Der Reaktor 1 umfasst einen Reaktorinhalt 2, welcher durch eine Zellkultursuspension als Reaktionsgemisch 3 sowie darüber liegend durch einen gasgefüllten Kopfraum 4 gebildet wird. Oberhalb des Reaktors 1 ist ein Zugabesystem 18 für Sensoren 5 dargestellt, welches in einzelne Segmente unterteilt ist, wobei ein Segment jeweils mindestens einen Sensor 5 sowie ein Lagermedium 19 enthält. In einigen Ausgestaltungen der Erfindung sind die Sensoren 5 sowie das Lagermedium 19 steril. In der in Figur 3 dargestellten Ausführung der Erfindung erfolgt als Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens die Zugabe 20 mindestens eines Sensors 5 in den Reaktor 1. Hierbei zeigt sich auch die vorteilhafte Vereinfachung der Handhabung von Sensoren 5 in Abgrenzung zum Stand der Technik, da diese nicht an der Reaktorwand angebracht werden müssen. Insbesondere in Ausführungen der Erfindung, in denen sterile Sensoren 5 unter sterilen Bedingungen im Reaktor 1 eingesetzt werden sollen, vereinfacht die erfindungsgemäße Nutzung von Zugabesystemen 18 für Sensoren 5 die Handhabung von Sensoren 5 deutlich. Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Schüttelkolben als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen unter Einsatz des in Figur 3 dargestellten erfindungsgemäßen Sensors 5. Abgebildet sind sechs Momentaufnahmen (römische Ziffern I bis VI) einer schematische Aufsicht auf einen Schüttelkolben mit Deckel (gestrichelter Kreis) als Reaktor 1 , dessen Reaktorinhalt 2 durch eine Zellkultursuspension als Reaktionsgemisch 3 sowie darüber und im Schüttelprozess auch daneben liegend durch einen gasgefüllten Kopfraum 4 gebildet wird. Im Reaktionsgemisch 3 befindet sich ein Sensor 5 in der in Figur 3 oben dargestellten Ausführungsform, sodass zum Zweck der Übersichtlichkeit auf eine numerische Bezeichnung der Sensorkomponenten verzichtet und auf Figur 3 verwiesen wird. Außerhalb des Reaktors 1 befindet sich eine Messanordnung 6, welche mindestens einen Signalanreger 16 und mindestens einen Signaldetektor 15 umfasst. In der dargestellten Ausführung umfasst die Messanordnung 6 mehrere, parallel arbeitende Signalanreger 16 und Signaldetektoren 15, sodass die verschiedenen Marker 13A und 13B sowie die sensorischen Komponenten 7A und 7B und die mit einer konvertierenden Komponente 11 umhüllte sensorische Komponente 7A von einer einzelnen Messanordnung 6 erfasst werden können. Zum Zweck der Übersichtlichkeit ist in Figur 3 vereinfachend nur ein Signalanreger 16 und ein Signaldetektor 15 dargestellt. Mindestens eine Kombination aus mindestens einem Signalanreger 16 und mindestens einem Signaldetektor 15 spannt mindestens einen Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 auf, welcher durch die Wand des Reaktors 1 bis in den Reaktorinhalt 2 dringt, sodass dort die Signalanregung 17 mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors 5 über die mindestens eine in ihm enthaltene sensorische Komponente 7 erfolgen und deren Signal 8 oder aber ein Markersignal 14 durch mindestens einen Signaldetektor 15 der Messanordnung 6 erfasst werden kann.

Der in Figur 4 dargestellte Schüttelkolben als Reaktor 1 wird durch Orbitalschütteln einer erfindungsgemäßen Mischbewegung 25 ausgesetzt, welche über die resultierende periodische Rotationsbewegung des Reaktionsgemischs 3 auch eine Bewegung 10 des Sensors 5 hervorruft, sodass sich dieser erfindungsgemäß in den Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 hinein- und auch wieder herausbewegt. In Figur 4, 1 bewegt sich das Reaktionsgemisch 3 gerade in den Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 hinein. Da sich kein Sensor 5 im Erfassungsbereich 9 befindet, wird weder ein valides Markersignal 14 noch ein valides Signal 8 einer sensorischen Komponente 7 durch die Messanordnung 6 erfasst. Bewegt sich das Reaktionsgemisch 3 weiter, so gelangt der Sensor 5 in den Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6. Zunächst gelangt, wie in Figur 4, II dargestellt, der Bereich des Sensors 5 mit Marker 13A in den Erfassungsbereich 9, sodass anhand des durch die Messanordnung 6 mithilfe der Signalanregung 17MA erfassten Markersignals 14A die Orientierung des Sensors 5 bestimmt werden kann. Zudem werden nun die Signalanreger 16 und Signaldetektoren 15 für die folgenden sensorischen Komponenten 7A und 7B aktiviert, sodass im Moment der Anwesenheit der jeweiligen sensorischen Komponente 7 im Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 ein jeweils valides Signal 8 erfasst werden kann, um darüber die erfindungsgemäß zugehörige Eigenschaft des Reaktionsgemischs 3 zu überwachen. Da die verschiedenen Partikel mit sensorischen Komponenten 7 im dargestellten Sensor 5 hintereinander segmentiert angeordnet sind und sich infolge der Bewegung 10 des Sensors 5 nacheinander durch den Erfassungsbereich 9 des Messanordnung 6 hindurchbewegen, erfasst die Messanordnung 6 die Signale 8 der sensorischen Komponenten 7 nacheinander, zunächst mit Signalanregung 17A das Signal 8A der sensorischen Komponente 7A (Figur 4, II), danach mit Signalanregung 17B das Signal 8B der sensorischen Komponente 7B (Figur 4, III), danach mit Signalanregung 17A das Signal 8A der mit konvertierender Komponente 11 umhüllten sensorischen Komponente 7A (Figur 4, IV). Abschließend wird mithilfe der Signalanregung 17MB das Markersignal 14B des Markers 13B erfasst (Figur 4, IV), wodurch auch nochmals eine Validierung der Positionierung des Sensors 5 bei seiner Bewegung 10 durch den Erfassungsbereich 9 erfolgt. Nachfolgend bewegt sich der Sensor 5 aus dem Erfassungsbereich 9 der Messanordnung 6 hinaus (Figur 4, V-VI). Infolge der periodischen Mischbewegung 25 des hier dargestellten Schüttelprozesses unterliegt auch die Bewegung 10 des Sensors 5 einer gewissen Periodizität. Auf Basis der Erfassung der Mischbewegung 25 oder der Bewegung 10 des Sensors 5 kann die Erfassung der einzelnen Signale 8 und Markersignale 14 in einigen Ausführungen der Erfindung synchronisiert werden. Zudem erlaubt der Einsatz mehrerer unterschiedlicher Marker 13 mit entsprechend unterschiedlichen Markersignalen 14 in verschiedenen Segmenten eines Sensors 5 eine eindeutige Zuordnung verschiedener Signale 8 zu ihren jeweils zu überwachenden Eigenschaften des Reaktorinhalts 2 beziehungsweise Reaktionsgemisches 3, selbst bei sich infolge der Bewegung 10 eines Sensors 5 ändernder Lage und Orientierung des Sensors 5 im Erfassungsbereich 9. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer Sensoren 5 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Rührkesselreaktor als Reaktor 1. Die dargestellten Sensoren 5A und 5B enthalten als Partikel ausgeführte sensorische Komponenten 7, die von einer konvertierenden Komponente 11 umgeben und in der Sensormatrix 12 eingebettet sind. Sensor 5A enthält weiterhin in zwei Bereichen Marker 13A, dessen Markersignal 14A sich vom Markersignal 14B des in Sensor 5B enthaltenen Markers 13B unterscheidet, sodass die Sensoren 5A und 5B anhand ihrer Markersignale 14A und 14B unterschieden werden können. Weiterhin umfassen die Sensoren 5A und 5B jeweils eine Flosse 26 mit einer Dichte die höher ist als die des Reaktionsgemisches 3 sowie jeweils eine Flosse 27 mit einer Dichte die niedriger ist als die des Reaktionsgemisches 3. Erfindungsgemäß kommen diese Flossen 26 und 27 insbesondere zur strömungsdynamischen Stabilisierung und Positionierung der Sensoren 5 zum Einsatz. Weiterhin kann durch geeignete Dimensionierung der Flossen 26 und 27 die mittlere Dichte eines Sensors 5 festgesetzt und damit die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Sensors 5 in bestimmten Bereichen des Reaktorinhalts 2 beziehungsweise des Reaktionsgemisches 3 gezielt beeinflusst werden.

Der in Figur 5 oben links dargestellte Sensor 5A ist mit einer großen Flosse 27A geringer Dichte und einer kleinen Flosse 26A hoher Dichte ausgestattet, sodass die mittlere Dichte des Sensors 5A geringer ist als die Dichte des Reaktionsgemischs 3 des in Figur 5 rechts dargestellten Reaktors 1. Daher hält sich Sensor 5A selbst bei turbulenter Durchmischung überwiegend im oberen Teil des Reaktionsgemischs 3 auf und kann somit gezielt zur Überwachung von Eigenschaften dieses oberen Bereichs des Reaktionsgemischs 3 genutzt werden. Der in Figur 5 unten links dargestellte Sensor 5B ist mit einer kleinen Flosse 27B geringer Dichte und einer großen Flosse 26B hoher Dichte ausgestattet, sodass die mittlere Dichte des Sensors 5B höher ist als die Dichte des Reaktionsgemischs 3 des in Figur 5 rechts dargestellten Reaktors 1. Daher hält sich Sensor 5B selbst bei turbulenter Durchmischung überwiegend im unteren Teil des Reaktionsgemischs 3 auf und kann somit gezielt zur Überwachung von Eigenschaften dieses unteren Bereichs des Reaktionsgemischs 3 genutzt werden. Die Anwendung von Flossen 26 und 27 unterschiedlicher Dichte, wobei die Flosse 26 höherer Dichte bevorzugt nach unten und die Flosse 27 niedrigerer Dichte bevorzugt nach oben ausgerichtet ist, stabilisiert die Lage des jeweiligen Sensors 5 im Reaktionsgemisch 3 und somit auch im Erfassungsbereich 9 geeigneter Messanordnungen 6, wodurch in einigen Ausführungen der Erfindung eine bessere Qualität von Signalen 8 und Markersignalen 14 erreicht wird.

In Figur 5 rechts ist schematisch eine Ausführung der Erfindung an einem Rührkesselreaktor als Reaktor 1 mit den in Figur 5 links dargestellten Sensoren 5A und 5B gezeigt. Dargestellt ist ein Rührkesselreaktor als Reaktor 1 , dessen Reaktorinhalt 2 durch eine Zellkultursuspension als Reaktionsgemisch 3 sowie darüberliegend durch einen gasgefüllten Kopfraum 4 gebildet wird. Im Reaktionsgemisch 3 befinden sich je zwei Sensor 5A und 5B in der in Figur 5 links dargestellten Ausführungsform, wobei sich die Sensoren 5A überwiegend im oberen Bereich und die Sensoren 5B überwiegend im unteren Bereich des Reaktionsgemisches 3 aufhalten. Außerhalb des Reaktors 1 befindet sich sowohl für den oberen als auch für den unteren Bereich des Reaktionsgemischs 3 jeweils eine Messanordnung 6, welche jeweils mindestens einen Signalanreger 16 und mindestens einen Signaldetektor 15 umfasst. In der dargestellten Ausführung umfasst jede Messanordnung 6 mehrere, parallel arbeitende Signalanreger 16 und Signaldetektoren 15, sodass die verschiedenen Marker 13A und 13B sowie die die mit einer konvertierenden Komponente 11 umhüllte sensorische Komponente 7A von einer einzelnen Messanordnung 6 erfasst werden können. Zum Zweck der Übersichtlichkeit ist vereinfachend nur ein Signalanreger 16 und Signaldetektor 15 je Messanordnung 6 dargestellt. Mindestens eine Kombination aus mindestens einem Signalanreger 16 und mindestens einem Signaldetektor 15 spannt mindestens einen Erfassungsbereich 9 der jeweiligen Messanordnung 6 auf, welcher durch die Wand des Reaktors 1 bis in das Reaktionsgemisch 3 dringt, sodass dort die Signalanregung 17 mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors 5 über die mindestens eine in ihm enthaltene sensorische Komponente 7 erfolgen und deren Signal 8 oder aber ein Markersignal 14 durch mindestens einen Signaldetektor 15 der Messanordnung 6 erfasst werden kann. Der dargestellte Reaktor 1 verfügt über ein Rührwerk 28 und wird durch dieses einer erfindungsgemäßen Mischbewegung 25 ausgesetzt, welche über die resultierende Bewegung des Reaktionsgemischs 3 auch eine Bewegung 10 der Sensoren 5A und 5B hervorruft, sodass sich diese erfindungsgemäß in den Erfassungsbereich 9 der jeweiligen Messanordnung 6 hinein- und auch wieder herausbewegen. Durch Zuordnung der Messanordnungen 6 zum jeweils oberen beziehungsweise unteren Bereich des Reaktionsgemischs 3 können dessen Eigenschaften nun erfindungsgemäß mithilfe der Sensoren 5A und 5B über deren Signale 8A und 8B ortsaufgelöst überwacht werden, wobei die Verwendung unterschiedlicher Marker 13A und 13B über deren unterschiedliche Markersignale 14A und 14B eine Unterscheidung der beiden Sensoren 5A und 5B erlaubt, sofern diese ihren Zielaufenthaltsbereich im Reaktionsgemisch 3 einmal verlassen sollten.

Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 in Kern-Schale-Ausführung mit angepasster Geometrie für die Anwendung in orbitalgeschüttelten Systemen. Die Sensormatrix 12 bildet den mechanisch stabilen Kern des Sensors 5 und fungiert als Träger des Marker 13 und der sensorischen Komponente 7. Figur 6 zeigt oben einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Sensors 5 und unten zwei Querschnitte, links einen Querschnitt durch den zentralen Bereich des Sensors 5 und rechts einen Querschnitt durch eine der randständigen Kappen des Sensors 5. Die sensorische Komponente 7 ist in der dargestellten Ausführung derart nach innen zurückgesetzt, dass sie selbst bei Kontakt des Sensors 5 mit dem Reaktor 1 letzteren nicht berührt und somit vor mechanischen Schäden weitestgehend geschützt ist. Im Gegensatz dazu treten die beiden mit Marker 13 beschichteten Endkappen deutlich hervor und bilden somit die Hauptberührungspunkte des Sensors 5 mit dem Reaktor 1. Um insbesondere im Schüttelbetrieb das Rollen des Sensors 5 über den Boden des Reaktors 1 zu unterbinden und den Sensor 5 vielmehr durch die Bewegung des Reaktionsgemisches 3 kontrolliert durch den Reaktor 1 zu bewegen, sind die beiden Endkappen des Sensor 5 kantig, in der in Figur 6 dargestellten Ausführungsform hexagonal, ausgeführt. Um eine für die Erfassung durch mindestens eine geeignete Messanordnung 6 optimale und stabile Lage und Orientierung des Sensors 5 im sich bewegenden Reaktionsgemisch 3 zu erreichen, ist der Sensor 5 an die Strömungsbedingungen im Reaktionsgemisch 3 angepasst. In der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform ist der Sensor 5 dazu rotationssymmetrisch aufgebaut und hat ein Länge-Durchmesser-Verhältnis von mehr als eins, bevorzugt von mindestens zwei. Weiterhin weist die in Figur 6 dargestellte Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors 5 einen fließenden Übergang der hexagonalen Kantenstrukturen der beiden den Marker 13 tragenden Endkappen in eine strömungsmechanisch vorteilhaftere kantenfreie Geometrie, hier eine Kugelsegment, auf. Auch die Tiefe der und der Übergang in die Zurücksetzung der sensorischen Komponente 7 kann vorteilhaft so gewählt werden, dass in der Anwendung ein optimaler Kompromiss zwischen der Vermeidung von direktem Kontakt zwischen der sensorischen Komponente 7 oder anderen mechanisch sensitiven Bestandteilen des Sensors 5 und dem Reaktor 1 sowie einer für die Anwendung optimalen Anströmung des Sensors 5 vorliegt, insbesondere aber nicht ausschließlich durch den Einsatz geeigneter Geometrien zur Vermeidung von Strömungsabrissen und Wirbeln hinter den angeströmten Endkappen des Sensors 5. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Tiefe der Zurücksetzung der sensorischen Komponente 7 zudem gerade so gering gewählt, dass mechanischer Schutz sensibler Bestandteile des Sensors 5 durch Kontaktvermeidung mit dem Reaktor 1 sowie strömungstechnische Optimierung gewährleistet sind aber gleichzeitig möglichst wenig Reaktionsgemisch 3 zwischen der sensorischen Komponente 7 und der mindestens einen geeigneten Messanordnung 6 während der Erfassung mindestens eines Signals 8 mindestens einer sensorischen Komponente 7 liegt. Dies ist für Anwendungen von Bedeutung, in denen sich insbesondere aber nicht ausschließlich die Trübung oder Absorption des Reaktionsgemisches 3 über die Zeit ändert, beispielsweise durch Zellwachstum oder die Bildung oder Auflösung von Substraten, Produkten, Nebenprodukten, Metaboliten, Schäumen, Partikeln, Emulsionen oder anderen Phasengemischen. Der Figur 6 dargestellte erfindungsgemäße Sensor 5 kann beispielsweise ausgeführt werden als Sensor für Gelöstsauerstoff, wobei ein durch Sauerstoff löschbares Luminophor als sensorische Komponente 7 als dünne Schicht auf einen Kern aus Polyamid als primäre Sensormatrix 12 aufgebracht ist, wobei die Endkappen dieser primären Sensormatrix 12 auch als Träger eines anderen Luminophors als Marker 13 fungieren. Die sensorische Komponente 7 und der Marker 13 können dabei ebenfalls in eine oder mehrere geeignete Sensormatrizen 12 eingebettet und mittels dieser auf den Kern als primäre Sensormatrix 12 aufgebracht sein.

Bezugszeichenliste

Zur jeweiligen Interpretation der Bezugszeichen sind Beschreibung und Ansprüche zu beachten. Bezugszeichen, die mit Buchstaben ergänzt werden, bezeichnen separate oder unterschiedliche Elemente des gleichen Typs.

1 Reaktor

2 Reaktorinhalt

3 Reaktionsgemisch

4 Kopf raum

5 Sensor

6 Messanordnung

7 Sensorische Komponente mit mindestens einer durch die Messanordnung 6 erfassbaren Eigenschaft

8 Signal einer durch eine Messanordnung 6 erfassbaren sensorischen Komponente 7

9 Erfassungsbereich einer Messanordnung 6

10 Bewegung eines Sensors 5

11 Konvertierende Komponente, die mit mindestens einer sensorischen Komponente 7 oder mindestens einer konvertierenden Komponente interagiert

12 Sensormatrix

13 Marker

14 Markersignal

15 Signaldetektor

16 Signalanreger

17 Signalanregung

18 Zugabesystem

19 Lagermedium

20 Zugabe mindestens eines Sensors 5 in einen Reaktor 1

21 Zeit

22 Intensität von Signalen 8 beziehungsweise Markersignalen 14

23 Erfassungszeit

24 Verweilzeit

25 Mischbewegung

26 Flosse mit im Vergleich zum Reaktorinhalts 2 oder Reaktionsgemisch 3 höherer Dichte

27 Flosse mit im Vergleich zum Reaktorinhalts 2 oder Reaktionsgemisch 3 niedrigerer Dichte

28 Rührwerk

Claims

Ansprüche Verfahren zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren 1 , wobei der Reaktorinhalt 2 mindestens eine zu überwachende Eigenschaft aufweist, wobei die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft mindestens ein Signal 8 mindestens einer sensorischen Komponente 7 direkt oder indirekt beeinflusst, wobei das mindestens eine Signal 8 der mindestens einen sensorischen Komponente 7 durch mindestens eine Messanordnung 6 erfassbar ist, wobei die mindestens eine sensorische Komponente 7 Bestandteil mindestens eines Sensors 5 ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor 5 nicht ortsfest ist und im Reaktor 1 eine Bewegung 10 vollführt, und dass mindestens eine Erfassung des mindestens einen Signals 8 der mindestens einen sensorischen Komponente 7 durch mindestens eine Messanordnung 6 erfolgt, während sich der mindestens eine Sensor 5 im Erfassungsbereich 9 der mindestens einen Messanordnung 6 befindet, und dass sich der mindestens eine Sensor 5 nicht permanent im Erfassungsbereich 9 der mindestens einen Messanordnung 6 befindet. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungszeit 23 des mindestens einen Signals 8 kürzer ist als die Verweilzeit 24 des mindestens einen Sensors 5 im Erfassungsbereich 9 der mindestens einen Messanordnung 6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung unter Einsatz mindestens einer im Sensor 5 enthaltenen konvertierenden Komponente 11 erfolgt, wobei die mindestens eine konvertierende Komponente 11 mindestens eine im Sensor 5 enthaltene sensorische Komponente 7 und deren durch mindestens eine Messanordnung 6 erfassbares Signal 8 direkt oder indirekt beeinflusst. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedliche Sensoren 5 zur Überwachung mehrerer unterschiedlicher Eigenschaften des Reaktorinhalts 2 eingesetzt werden. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Markersignal 14 mindestens eines im Sensor 5 enthaltenen Markers 13 durch mindestens eine Messanordnung 6 erfasst wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrere Signaldetektoren 15 und/oder mehrere Signalanreger 16 umfassende Messanordnung 6 mehrere Signale 8 und/oder mehrere Markersignale 14 erfasst. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe 20 mindestens eines Sensors 5 in den Reaktor 1 vor dem Beginn des im Reaktor 1 durchzuführenden Prozesses erfolgt. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Reaktor 1 mit Reaktorinhalt 2 umfasst, und die Vorrichtung mindestens einen nicht ortsfesten Sensor 5 umfasst, und die Vorrichtung mindestens eine Messanordnung 6 zur Erfassung mindestens eines Signals 8 mindestens einer im Sensor 5 enthaltenen sensorischen Komponente 7 umfasst, und das mit dem Reaktorinhalt 2 überlappende Volumen mindestens eines Erfassungsbereichs 9 mindestens einer Messanordnung 6 kleiner ist als das Volumen des Reaktorinhalts 2. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Reaktorinhalt 2 überlappende Volumen mindestens eines Erfassungsbereichs 9 mindestens einer Messanordnung 6 kleiner ist als mindestens einer der durch die Messanordnung 6 erfassbaren Sensoren 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mehrere nicht ortsfeste Sensoren 5 umfasst.