WO2004026452A1 - Verfahren und durchflusszelle zur kontinuierlichen bearbeitung von fliessfähigen zusammensetzungen mittels ultraschall - Google Patents

Verfahren und durchflusszelle zur kontinuierlichen bearbeitung von fliessfähigen zusammensetzungen mittels ultraschall Download PDF

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WO2004026452A1
WO2004026452A1 PCT/EP2003/010227 EP0310227W WO2004026452A1 WO 2004026452 A1 WO2004026452 A1 WO 2004026452A1 EP 0310227 W EP0310227 W EP 0310227W WO 2004026452 A1 WO2004026452 A1 WO 2004026452A1
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flow cell
liquid
working fluid
ultrasound
sonicated
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PCT/EP2003/010227
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Sergio Freitas
Bruno Gander
Norbert Lehmann
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Dr. Hielscher Gmbh
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
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    • B01F31/80—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations
    • B01F31/84—Mixing by means of high-frequency vibrations above one kHz, e.g. ultrasonic vibrations for material continuously moving through a tube, e.g. by deforming the tube
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    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
    • B01J2219/00087—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements outside the reactor
    • B01J2219/00094—Jackets

Definitions

  • the invention relates to a method and a flow cell for the continuous processing of flowable compositions (working fluid) by means of ultrasound, the flowable composition not coming into direct contact with the sound generator during sonication and being able to be completely isolated from environmental influences, according to the features of claims 1 and 15th
  • the invention can be used for the continuous, contact-free and contamination-free sonication of flowable compositions with ultrasound.
  • the method is used, for example, in the fields of pharmaceutical technology, food technology, biotechnology, cell biology, cosmetics, electronics and electrical engineering for the purpose of mixing two or more liquids, for mixing gases and liquids, for emulsifying two immiscible or only partially miscible liquids, for the homogenization of colloidal and coarsely disperse preparations, for
  • Liquid for the aggregation and homogenization of biological organ parts, for cell disruption, for degassing liquids, for controlling, in particular, acceleration of chemical reactions, as a process intermediate in the production of liposomes, micellar systems, nano- and microemulsions, nanoparticles, nanocapsules, microspheres and microcapsules and the like.
  • Sound waves of the frequencies 18 to approx. 150 kHz are an energy source that can be used in many different ways in process engineering for manipulating flowable systems.
  • cavitation occurs in the sonicated medium. Cavitation is the formation of very fine gas bubbles, which grow in size due to continuous pressure changes due to the vibration transmitted into the fluid and ultimately implode. During the implosion, microjets are formed, which lead to locally concentrated, extremely high pressures and temperatures.
  • the energy input through cavitation can be used to initiate, accelerate chemical reactions or to influence their selectivity.
  • the energy introduced into the liquid system can be used for intensive mixing and for the dispersion of multi-phase systems.
  • the use of ultrasound to produce emulsions is known (e.g. DE 197 56 874 AI), for crushing,
  • Liquids e.g. Vasylliv and Sakka 2001
  • for brevity e.g. Vasylliv and Sakka 2001
  • An emulsion is a disperse system of two or more liquids that do not or only partially mix.
  • a coarsely dispersed raw emulsion for example by means of a simple Stirrer can be generated, is generally not very stable and can be broken down into several phases within minutes.
  • the coarse drops of the raw emulsion are further broken down to the micro or nanometer scale.
  • Performance per volume times sonication time in batch systems or per volume flow in continuous systems leads to a reduction in the droplet sizes (Bechtel et al. 2000, Behrend et al. 2000).
  • the energy density can be increased either by increasing the power input or by increasing the residence time of the emulsion in the zone of high cavitation intensity.
  • the discontinuous sonication of liquid and liquid-disperse substance systems is generally carried out by placing the substances in question in a suitable vessel and, if necessary, stirring to produce a rough premix.
  • a suitable sound generator is then immersed in this liquid and activated for a defined time.
  • the sounder consists of piezoceramic elements, which are supplied with an alternating voltage by an HF generator.
  • the AC voltage the frequency of which corresponds to that of the sound to be generated, produces a deformation of the piezoceramic, which is thus set in a mechanical vibration.
  • a sonotrode is coupled which, if necessary, amplifies the vibrations and transmits them into the liquid to be sonicated by immersing their end in the liquid.
  • a major disadvantage of this method is the lack of the possibility of a scale-up to larger scales.
  • the room intensively sonicated by the sonotrode is roughly limited to a cone that tapers from the sonotrode surface and protrudes only a few centimeters into the sonicated room. Liquid that is outside of this conical space is only insufficiently influenced by the sound. As the volume of the vessel to be sonicated increases, the ratio of intensively sonicated space to the less influenced space becomes drastically less favorable.
  • a continuous arrangement is generally advantageous, in which the liquid to be subjected to ultrasound is forced in a flow cell through the intensely sonicated space directly below the sonotrode.
  • the variation of the flow velocity enables the dwell time in the sound zone to be adjusted.
  • DE 28 46 462 AI describes a continuous emulsification by means of a flow-through chamber in which a vibrating element is flowed around or sound generators are installed at the edges.
  • Reflection walls can be arranged opposite the sounders.
  • Common to all these methods is the disadvantage that the sounder is in direct contact with the sonicated medium.
  • the cavitation generated in the sonicated liquid detaches the finest particles from the sonotrode material. After a long period of operation, this is visible macroscopically on the sonotrode surface in the form of grooves, holes, etc.
  • the problem is intensified when sonicating suspensions containing solids, since the solid particles have an additional abrasive effect on the sonotrode surface.
  • the described dispensing of particles into the sonicated medium is problematic, for example, when producing products for pharmaceutical purposes.
  • Most commercially available ultrasound sources are equipped with sonotrodes made of metallic alloys.
  • Metallic fine particles and metal ions are thus introduced into the medium exposed to ultrasound. If the product produced by the sonication is intended for medical use, in particular for parenteral administration to humans or animals, or if it is further processed into a product to be administered medically, the metal particles or ions released by the sonotrode represent a safety risk for humans or animals. The same applies to the production of medicinal products that are used on the eye, in the lungs, on areas of skin that have been extensively injured or in body cavities (eg vagina, uterus, urinary bladder). Furthermore, there may be an undesired interaction of the released metal particles and ions with constituents - in particular the active ingredients - of the pharmaceutical product, which in the worst case can thus be inactivated or converted into toxic products.
  • Another problem that has not yet been solved satisfactorily is an aseptic, ie germ-free, sonication of flowable systems that can be carried out without problems.
  • Existing systems either have no hermetic seal from the environment and / or are difficult to clean and sterilize in a validatable manner.
  • parenteral preparations are generally administered intravenously, intraarterially, intramuscularly, subcutaneously, intradermally, intraperitoneally, intraocularly, intra-articularly or intralumbally. They often consist of disperse systems or go through one or more dispersion steps in the course of their production. There are examples in the literature in which ultrasound was used to produce such disperse systems.
  • an emulsion of aqueous active substance solution and organic polymer solution is often produced in a first production step, which is then further processed into microspheres.
  • the use of ultrasound is a standard method here (e.g. Cohen et al. 1991, Yang et al. 2001).
  • Liposomes, microspheres and capsules, nanoparticles and capsules and drug-releasing implants are further examples of systems that can undergo dispersion steps in their production.
  • the object of the invention is to describe a method and a flow cell for the continuous sonication of flowable compositions, in particular also of small liquid volumes in the flow principle, with which the disadvantages of the prior art are avoided and with which an efficient processing of a flowable composition such as Mixing, dispersing, emulsifying, suspending, sonocrystallizing, crushing, disagglomerating, cell disruption, extracting, homogenizing, degassing and The like can be ensured without establishing a direct connection between the metallic sonotrode and the flowable composition to be sonicated, the flowable composition (working fluid) to be sonicated being kept insulated from environmental influences as required during the sonication.
  • This object is achieved according to the invention by the method having the features of claim 1 and the features of the flow cell of claim 15.
  • the method according to the invention is characterized in that the working liquid in the flow cell is sonicated indirectly with ultrasound via a liquid placed under increased pressure.
  • the flow cell according to the invention is characterized in that the flow path through which the working fluid flows is surrounded by a pressure jacket to which an ultrasound transducer for vibration excitation is connected, with a pressure that is under increased pressure between an outer wall of the flow path and the pressure jacket to avoid cavitation Liquid.
  • the flow cell is easily exchangeable, variable, if necessary even the smallest volumes in the flow can be processed efficiently, there are no soundproof rooms (dead volumes), the flow cell can be easily integrated into existing systems.
  • the working fluid can be hermetically sealed.
  • the system (arrangement) can be implemented in different dimensions depending on the flow rate and the necessary ultrasonic energy.
  • the present method is particularly advantageous because it enables the ultrasound systems of flowable systems, which are frequently used in many areas, to exclude contamination.
  • the sound energy is not transmitted to the liquid to be sonicated by direct contact of an oscillating surface with the liquid to be sonicated, as is customary in conventional systems. Instead, as described above, the sound energy is transferred to a liquid under pressure and passed on from there to a flow cell through which the flowable composition to be treated with ultrasound flows.
  • the described invention is furthermore outstandingly suitable for the sonication of flowable compositions under aseptic conditions.
  • the sonicated, flowable composition comes exclusively with the pipe in the pressure jacket
  • the tube (flow cell) in contact with the sonicated flowable composition can be sterilized very easily.
  • the parts of the apparatus which are not in contact with the flowable composition can be surface disinfected in a simple manner, for example by spraying / rubbing with disinfectant solutions and / or by treatment with short-wave radiation, e.g. ultraviolet light.
  • the sterilized individual components of the apparatus can be assembled without problems, for example in a laminar flow work station, isolator or clean room.
  • Another advantage of the flow cell according to the invention is the possibility of replacing that element of the apparatus which is in contact with the sonicated flowable composition, namely the flowed-through tube (flow cell), after the sonication has taken place.
  • a cleaning of the pipe which may require validation when changing from one product or a batch to the next, and a check for possible wear can thus be avoided.
  • this exchange is associated with only low costs, which are lower than those for cleaning and cleaning validation.
  • the flow cell according to the invention offers further advantages in that the temperature of the product treated with ultrasound can be controlled with the aid of a temperature control of the medium flowing through the pressure jacket of the cell. Both heating and cooling of the sonicated product is thus possible.
  • temperatures from -80 to 200 ° C can be considered. In connection with carrying out sonochemical reactions, this can be used to heat the reaction mixture to a temperature which is favorable for the reaction to be carried out or to remove heat generated by an exothermic reaction. Furthermore, the temperature can influence the properties of the sonicated material. For example, substances can be melted or obtained in the molten state, the strength of solids to be divided can be influenced, or thermolabile substances can be sonicated at temperatures below room temperature. Heat generated in the sonicated material can also be dissipated by dissipating sound energy.
  • FIG. 1 the schematic sectional view of the arrangement for the continuous sonication of a flowable composition (flow cell)
  • Fig. 2 the schematic representation of the process flow using the example of the preparation of a dispersion of liquids, solids, gases, the raw dispersion in the course of
  • Fig. 3 the schematic representation of the process flow using the example of
  • the flow cell 4 for the continuous sonication of a small volume of liquid essentially consists of a tube 10 in which a preferably non-metallic tube 50 (flow path, flow cell) with a flowable composition 80 (working fluid ) is arranged at a distance from the pipe 10 via seals 40.
  • An ultrasound source 60 is connected to the tube 10 for ultrasound excitation.
  • a liquid inlet 30 and a liquid outlet 70 are connected to the space between the tube 10 and the flow cell 50 and are guided through final masses 20.
  • the tube 10 is set in vibration by the ultrasonic transducer 60, which is transmitted to the flow cell 50 via a liquid 90, for example water.
  • the liquid 90 is under pressure, for example 4 to 10 bar, in order to cavitate the liquid 90 and To prevent early wear of the sonotrode of the ultrasonic transducer 60 and the tube 10. At the same time, the liquid 90 can take over the temperature control of the system.
  • the flow cell 50 vibrates with the liquid 90 and transfers the vibrations to the working liquid 80 located therein.
  • the final masses 20 are used to decouple the seals 40 and the connections 30 and 70 for the liquid 90 in terms of vibration technology.
  • the flow cell 50 is changed very simply when the device is switched off in the pressureless cooling circuit by releasing clamps (not shown) in the area of the seals 40.
  • the following liquids are preferably used to transmit the sound energy from the sonotrode to the flow cell 50 through which the working liquid 80 flows: water, in particular distilled and deionized, optionally with additives for changing the colligative properties (increase in boiling point, decrease in freezing point); mineral and natural oils and mixtures thereof; Silicone oils and silicone oil mixtures, non-volatile liquids of aromatic or non-aromatic nature and mixtures thereof; Mercury.
  • the following materials are preferred as materials for the flow cell 50 through which the working fluid 80 to be sonicated is: glass, for example glass type I, II or III according to Europ.
  • the transmitting liquid 90 is advantageously set according to the invention under pressures of 2 to 20 bar, preferably 4 to 10 bar; this at flow rates from 0 to 600 1 / h, preferably 0 to 100 1 / h and temperatures of the liquid from -80 to 200 ° C.
  • the method according to the invention consists in that the flowable composition (working liquid) is passed through the ultrasonic flow cell 4 according to the invention according to FIG. 1, sound energy of the ultrasonic flow cell 4 being introduced into the working liquid 80 and this being changed in the desired manner.
  • the method essentially consists of three process steps:
  • the working fluid can be isolated from environmental influences during the three process steps and does not come into direct contact with the sonotrode.
  • the process can therefore be carried out with the exclusion of microbial or non-microbial contamination and also under strictly defined temperature conditions. This results in advantages for the treatment of flowable compositions in the fields of pharmaceutical technology, food technology, biotechnology, cell biology, cosmetics, electronics and electrical engineering.
  • the method is suitable for ultrasonication of one or more immiscible, partially miscible or completely miscible liquids, as well as for manipulation of one or more liquids and gases or solids which are insoluble, partially soluble or completely soluble.
  • the method is particularly suitable for the continuous, contact-free and contamination-free sonication of flowable compositions for the purpose of mixing, emulsification, homogenization, comminution, suspension or emulsification of liquids, solids and gases in a conveyable liquid, for cell and organ digestion, for disaggregation, degassing , Implementation and control of chemical reactions, for controlling crystal formation, for the production of liposomes, micellar systems, nano- and microemulsions, nanoparticles, nanocapsules, microspheres and microcapsules and the like.
  • the various components of the flowable composition are, for example, by means of suitable pumps, gas bottles, gas delivery and gas flow measuring systems, as well as powder conveying and powder metering systems, or manually in a suitable, preferably hermetically sealed, sterile vessel, tube or hose inserted.
  • the components are then premixed in a preferably closed system, which can be done either in a preceding step before the flow of the flowable composition into the flow cell or in the course of the conveyance.
  • Premixing in the course of conveying the flowable composition can be achieved, for example, by means of simple devices such as T-pieces, suitable mixing valves, frits, membranes, agitated or static mixers.
  • the central step of this invention is the conveying by and simultaneous sonication of the flowable composition in the flow cell according to the invention (process step 2).
  • the flowable composition can be conveyed either before or after the premixing of the components (process step 1) by means of suitable conveying devices, such as pumps or overpressure devices, the pumps or overpressure devices being able to be sterilized and working without contamination.
  • suitable conveying devices such as pumps or overpressure devices, the pumps or overpressure devices being able to be sterilized and working without contamination.
  • the volume flow of the flowable composition through the flow cell is controlled so that the flowable composition can be sonicated in the tube for a desired time interval. Depending on the application, this time interval of the sonication can be between 0.1 seconds and 12 hours, the preferred sonication time being between 1 second and 1 hour.
  • the power entered in the sonicated flowable composition can be checked.
  • the power input can be varied between 1 W and 1 kW, the power input preferably being between 2 and 400 W. 16 to 150 kHz, preferably 20 to 100 kHz, come into question as sound frequencies.
  • the dwell time and the power input into the flowable composition treated with ultrasound together determine the sound energy input, via which, together with the frequency, the effect of the sound can be influenced.
  • the grain size of the solid can be controlled in the same way.
  • a non-metal particularly preferably glass or a hard plastic, can preferably be selected as the material for this flow cell in order to prevent metal particles from being introduced into the flowable composition to be sonicated.
  • undesirable interactions are adsorption of components of the flowable composition to the flow cell, desorption of material components of the flow cell (metal traces, plastic additives), reaction of components of the flowable composition with the material of the flow cell or desorbed components thereof, catalytic reactions by the material of the flow cell or desorbed flow cell components in the flowable composition, as well as physico-chemical processes at the interface between the flowable composition and the flow cell.
  • the interfacial tension between the flow cell and the sonicated flowable composition or components thereof can also be influenced by the choice of the material for the flow cell or by modification of its surface.
  • the flowable composition to be sonicated consists of several components, the preferred wetting of the flow cell by one or more of these
  • the flow cell through the geometry of the flow cell or through the nature of the inner surface of the flow cell can be changed so that a laminar or turbulent flow of the flowable composition is achieved, which can increase or decrease the effect of the sonication.
  • the geometry of the flow cell also influences the efficiency of the sound transmission on the flowable composition to be sonicated, for example by the wall thickness of the flow cell.
  • process step 3 The introduction of the sonicated flowable composition into a collecting or process vessel or the forwarding to a downstream further processing process (process step 3) also takes place according to the invention under precisely controlled conditions and with the exclusion of possible contamination.
  • a single-portion or multi-portion vessel can be used as a collecting vessel for intermediate or final storage of the flowable composition.
  • a process vessel or a relay is used if the flowable composition from the method according to the invention is further processed in a further method, as is done, for example, in the production of micro- and nanocapsules or micro- or nanospheres.
  • the following examples are intended to illustrate the scope of the invention with reference to - the schematic representations in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 shows the process sequence using the example of producing a dispersion from a liquid and optionally a second liquid A, a solid B or a gas C.
  • a raw dispersion is produced in the course of the conveyance into the ultrasonic flow cell 4.
  • FIG. 3 illustrates the method according to the invention using the example of producing an emulsion from a liquid and optionally a second liquid A, a solid B or a gas C.
  • the raw dispersion is produced here before being conveyed into the ultrasonic flow cell.
  • the continuous liquid phase is 1
  • the metering of the disperse phase is 2
  • a mixer is 3
  • the liquid is supplied to the
  • the ultrasonic cell 4 is equipped with a glass tube 50 (FIG. 1) with an inner diameter of 2 mm and a wall thickness of 0.5 mm.
  • the pressure of the liquid 90 in the pressure jacket 10 (FIG. 1) of the ultrasonic flow cell 4 according to the invention is 4.5 to 5.5 bar, the temperature is approximately 10 ° C.
  • the flow rates are 2 ml / h for the BSA solution and 40 ml / h for the polymer solution.
  • the amplitude of the sound generator of the ultrasonic cell 4 is varied in the range from 40% to 80% of the maximum amplitude.
  • the W / O emulsions generated are collected and analyzed for their droplet size using laser light scattering (Malvern Mastersizer X, 100 mm lens, Mie diffraction). This gives reproducibly stable emulsions with an average droplet size (volume distribution) in the range from 1.37 to 0.62 micrometers (FIG. 4, Table 1), which decreases steadily with increasing amplitude.
  • the emulsions produced at high amplitudes have a very narrow droplet size distribution.
  • the emulsions generated are stable for a period of> 30 minutes and thus fulfill a basic requirement for further processing into microspheres.
  • Table 1 Average droplet size of emulsions which were produced as described in Examples 1 to 3 by means of the process according to the invention.
  • Concentrate solution flowrate Concentrate flowrate Sound - mean ation of the ation of the amplitude of that of the polymer of the protein
  • Example 1 The procedure is as in Example 1. In contrast to Example 1, the flow rate of the protein solution is 3 ml / h, that of the polymer solution is 60 ml / h. The amplitude of the sounder is 80% of the maximum. A stable emulsion is obtained which has only a minimal increase in the average drop size compared to Example 1 (Table 1).
  • Example 1 The procedure is as in Example 1. In contrast to Example 1, in place of the solvent, dichloromethane is the less' toxic ethyl formate (EF) as Solvent used for the polymer.
  • EF ethyl formate
  • the concentration of the model protein BSA in the buffer solution is 5%
  • the amplitude of the sounder is in the range of 40% to 80% of the
  • the procedure is as in Example 3.
  • the concentration of the model protein BSA in the buffer solution is 10%
  • Micrometer filter sterile filtered The glass tube 50 of the ultrasonic flow cell 4, all hose material and the T-piece are autoclaved, the pumps and the ultrasonic flow cell 4 are installed in a laminar flow work station and disinfected by spraying with an ethanolic solution. Sterile disposable syringes are installed in the pumps. The test equipment is assembled in the laminar flow work station. After assembly, the apparatus is rinsed again with an ethanolic solution. As described in Example 3, emulsions are produced at an amplitude of 80% of the maximum amplitude. The emulsions produced are diluted with sterile ethyl formate and immediately mixed in a 1:10 ratio with CASO broth and incubated overnight.
  • the broth is filtered through cartridges from the Millipore * 100 test system and filled it with TSB (tryptic soy broth) medium.
  • TSB tryptic soy broth
  • half of the cartridges are incubated for 14 days at 30-35 ° C to check for bacterial growth, the other half for 14 days at 20-25 ° C to check for fungal growth. No contamination was found.
  • Parenteral oil-in-water (O / W) - fat emulsion consisting of soya oil, an emulsifier, an isotonizing additive and water.
  • the ultrasonic flow cell 4 is equipped with a sterile glass tube 50 with an inner diameter of 4 mm and a wall thickness of 0.5 mm.
  • the water pressure in the jacket 10 of the ultrasonic cell 4 is 5 bar, the temperature 40 ° C.
  • a mixture of 12.0 g of egg lecithin, 22.0 g of glycerin and 866.0 g of water is predispersed in an autoclavable glass bottle with handshakes and then autoclaved according to the 1997 European Pharmacopoeia. In parallel, 100 g soybean oil is also autoclaved in a glass bottle.
  • the two liquids are premixed in a mass flow ratio of 10: 1 (water phase: oil phase) using peristaltic pumps and sterile hoses in an autoclaved static micromixer and then conveyed through the ultrasonic flow cell 4 and sonicated at 80% of the maximum amplitude.
  • the conveying speed is 12 ml / min, which leads to a sonication time of approx. 15 seconds per unit volume of emulsion.
  • the finely dispersed O / W emulsion is filled under aseptic conditions directly into four 250 ml sterile glass bottles for storage and end use as a parenteral fat emulsion.
  • the ultrasonic flow cell 4 is equipped with a sterile glass tube 50 with an inner diameter of 4 mm and a wall thickness of 0.5 mm.
  • the water pressure in the jacket 10 of the ultrasonic flow cell 4 is 5 bar, the temperature 4 ° C.
  • a portion of 5 g of sterile, roughly chopped parts of a beef liver is suspended in 100 ml of sterile citrate buffer pH 6.5 and mixed well by vortex. This suspension of cell clumps is conveyed through the ultrasonic flow cell 4 under aseptic process conditions and sonicated with 90% of the maximum amplitude.
  • the conveying speed is 1.2 ml / min, which leads to a sonication time of approx. 150 seconds per unit volume of cell suspension.
  • the sonicated cell suspension is then transferred to a glass bottle and analyzed.
  • the sonicated cell suspension presents itself as a thick soup, the so-called homogenate.
  • the quality of the digestion is measured on the basis of the glutamate dehydrogenase activity with the substrate 2-oxogluatarate and the activator ADP.
  • a commercially available glutamate dehydrogenase with 120 U / mg enzyme protein is used as a reference.
  • the measured dehydrogenase activity of the cell sample, which was digested according to the method according to the invention, was on average 8-10% above the value obtained after classic digestion using detergent or mortar in a glass flask.
  • the ultrasonic flow cell 4 is equipped with a sterile glass tube 50 with an inner diameter of 2 mm and a wall thickness of 0.5 mm.
  • the water pressure in the jacket of the ultrasonic flow cell 4 is 5 bar, the temperature 8 ° C.
  • a mixture of 156 mg soy lecithin (0.2 mmol) and 39 mg (0.1 mmol) cholesterol are dissolved in 30 ml dichloromethane: methanol (9: 1, v / v) in a 500 ml round bottom flask. The solvent is slowly drawn off in the rotating round-bottom flask, so that a uniform thin lipid film is formed on the flask wall, which is finally dried under vacuum at room temperature.
  • the film is then hydrated with 10 ml of a 100 mM NaCl solution while swirling, producing a cloudy dispersion of large multilamellar vesicles (MLV).
  • MLV multilamellar vesicles
  • the MLV are now conveyed through the ultrasonic flow cell according to the invention and sonicated with 95% of the maximum amplitude.
  • the conveying speed is 1.2 ml / min, which leads to a sonication time of approx. 40 seconds per unit volume of MLV preparation.
  • the sonicated MLV preparation is broken down into small unilamellar lipsomes (so-called SUV, small unilamellar vesicles) by the ultrasound.
  • the liposome preparation is passed through a cellulose acetate membrane filter with a pore size of 0.2 ⁇ m installed at the end of the glass tube in order to filter the liposome preparation in a sterile manner. Finally, the preparation is filled directly into sterile glass vials under aseptic conditions. The liposome preparation appears blue-opalescent, which already indicates optically small liposomes. The average liposome size was determined using laser light scattering and was 220 nm.

Abstract

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

Description

Verfahren und Durchflusszelle zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen mittels
Ultraschall
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Durchflusszelle zur kontinuierlichen Bearbeitung von fließfähigen Zusammensetzungen (Arbeitsflüssigkeit) mittels Ultraschall, wobei die fließfähige Zusammensetzung während der Beschallung nicht direkt mit dem Schallgeber in Berührung kommt und von Umwelteinflüssen vollständig isoliert werden kann, gemäß den Merkmalen der Ansprüche 1 und 15.
Die Erfindung kann zur kontinuierlichen, berührungs- und kontaminationsfreien Beschallung fließfähiger Zusammensetzungen mit Ultraschall eingesetzt werden.
Anwendung findet das Verfahren beispielsweise in den Bereichen der Pharmatechnologie, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Zellbiologie, Kosmetik, Elektronik und Elektrotechnik zum Zwecke der Mischung von zwei oder mehreren Flüssigkeiten, zur Mischung von Gasen und Flüssigkeiten, zur Emulgierung von zwei nicht oder nur teilweise mischbaren Flüssigkeiten, zur Homogenisierung von kolloidalen und grobdispersen Zubereitungen, zur
Desaggretation und Zerkleinerung von Feststoffen in einer
Flüssigkeit, zur Kontrolle von Kristallbildung
(Sonokristallisation) , zur Suspendierung von Feststoffen in
Flüssigkeit, zur esaggregation und Homogenisation von biologischen Organteilen, zum Zellaufschluss, zur Entgasung von Flüssigkeiten, zur Steuerung insbesondere Beschleunigung chemischer Reaktionen, als Prozess- zwischenstufe bei der Herstellung von Liposomen, mizellaren Systemen, Nano- und Mikroemulsionen, Nanopartikeln, Nanokapseln, Mikrosphären und Mikrokapseln und dergleichen.
Schallwellen der Frequenzen 18 bis ca. 150 kHz (Ultraschall) sind eine Energiequelle, die vielseitig in der Verfahrenstechnik zur Manipulation fließfähiger Systeme eingesetzt werden kann.
Um sich von Ultraschall höherer Frequenzen (bis viele MHz) , welche vor allem für Mess- und diagnostische Zwecke Anwendung finden, abzugrenzen, spricht man auch von „Leistungsultraschall" .
Bei hinreichend guter Übertragung der Schallenergie auf das flüssige Medium sowie dem Überschreiten einer system- abhängigen Grenzamplitude, kommt es im beschallten Medium zu Kavitation. Unter Kavitation versteht man die Bildung feinster Gasblasen, die durch fortlaufenden Druckwechsel aufgrund der in das Fluid übertragenen Schwingung in ihrer Grδsse wachsen und schließlich implodieren. Bei der Implosion bilden sich Mikrojets, welche zu lokal konzentrierten, extrem hohen Drücken und Temperaturen führen. Der Energieeintrag durch Kavitation kann genutzt werden, um chemische Reaktionen zu initiieren, zu beschleunigen oder in ihrer Selektivität zu beeinflussen.
Weiterhin kann die in das flüssige System eingetragene Energie zur intensiven Durchmischung und zur Dispergierung mehrphasiger Systeme verwendet werden. Bekannt ist die Verwendung von Ultraschall zur Erzeugung von Emulsionen (z.B. DE 197 56 874 AI), zur Zerkleinerung,
Desagglomeration und Dispergierung von Feststoffen in
Flüssigkeiten (z.B. Vasylliv und Sakka 2001) und zum
Aufschluss von biologischem Material, beispielsweise Zellen (z.B. DE 42 41 154 Cl) .
Aus der DE 197 56 874 AI ist eine Vorrichtung zum Herstellen von dispersen Stoffgemischen mittels Ultraschall bekannt, bei der die Abstrahltlache der Sonotrode in direktem Kontakt mit der zu bearbeitenden Flüssigkeit steht .
Aus der DE 42 41 154 Cl ist es bekannt, Zelldispersionen oder Zellsuspensionen mittels Ultraschall in einer Durchflusszelle aufzuschließen, um Zellinhaltsstoffe zu gewinnen, indem die Sonotrode zu bis 2/3 ihrer Länge in die Durchflusszelle hineinragt . Es werden dabei der Eintauchwinkel und die Eintauchtiefe der Sonotrode in Abhängigkeit vom Feststoffanteil des zu beschallenden Mediums eingestellt .
Beschrieben ist auch die Nutzung von Ultraschall zur
Erzeugung von Liposomen (Arnardόttir et al . 1995).
Schliesslich findet Ultraschall zum Entgasen von Flüssigkeiten Anwendung.
Eine verbreitete Anwendung findet Ultraschall in der Erzeugung von Emulsionen. Im folgenden soll daher tiefer auf dieses Anwendungsgebiet eingegangen werden, ohne jedoch die beschriebene Erfindung auf dieses Gebiet beschränken zu wollen. Unter einer Emulsion versteht man ein disperses System zweier oder mehrerer Flüssigkeiten, die sich nicht oder nur teilweise mischen. Bei der Herstellung von Emulsionen wird häufig von einer grobdispersen Rohemulsion ausgegangen, welche z.B. mittels eines, einfachen Rührapparates erzeugt werden kann, im allgemeinen wenig stabil ist und sich innerhalb von Minuten wieder in mehrere Phasen zerlegt . Durch Eintragen weiterer mechanischer Energie werden die groben Tropfen der Rohemulsion weiter bis in den Mikro- oder Nanometer-Massstab zerteilt. Durch den Einsatz von oberflächenaktiven Substanzen und/oder Stabilisatoren kann eine Koaleszenz der Tröpfchen und ein Aufrahmen der Emulsion verhindert und diese so über Stunden, Monate oder gar Jahre stabilisiert werden.
Es wurde festgestellt, dass mittels Ultraschall Emulsionen von vergleichbarer Güte wie jene aus etablierten Verfahren
(Hochdruckhomogenisation) erzeugt werden können (Behrend et al . 2000) . Eine Steigerung der Energiedichte (eingetragene
Leistung pro Volumen mal Beschallungszeit bei Batchsystemen bzw. pro Volumenstrom bei kontinuierlichen Systemen) führt zu einer Verkleinerung der Tropfchengrössen (Bechtel et al . 2000, Behrend et al . 2000) . Eine Steigerung der Energiedichte kann entweder durch höheren Leistungseintrag erfolgen oder durch eine Vergrösserung der Verweilzeit der Emulsion in der Zone hoher Kavitationsintensität.
Die diskontinuierliche Beschallung von flüssigen und flüssig-dispersen StoffSystemen erfolgt im allgemeinen, indem die betreffenden Substanzen in einem geeigneten Gefäss vorgelegt und gegebenenfalls zur Erzeugung einer groben Vormischung gerührt werden. In diese Flüssigkeit wird dann ein geeigneter Schallgeber eingetaucht und für eine definierte Zeit aktiviert. Häufig besteht der Schallgeber aus piezokeramischen Elementen, welche von einem HF-Generator mit einer WechselSpannung versorgt werden. Die Wechselspannung, deren Frequenz jener des zu erzeugenden Schalls entspricht, erzeugt eine Verformung der Piezokera iken, welche somit in eine mechanische Schwingung versetzt werden. An die piezokeramischen Schwingelemente gekoppelt ist eine Sonotrode, die die Schwingungen gegebenenfalls verstärkt und in die zu beschallende Flüssigkeit überträgt, indem ihr Ende in die Flüssigkeit eingetaucht wird . Ein grosser Nachteil dieses Verfahrens ist die mangelnde Möglichkeit eines Scale-Up zu grδsseren Massstäben. Der von der Sonotrode intensiv beschallte Raum beschränkt sich grob auf einen sich von der Sonotrodenoberflache aus verjüngenden Kegel, der nur wenige Zentimeter in den beschallten Raum ragt. Flüssigkeit, die sich ausserhalb dieses kegelförmigen Raumes befindet, wird nur unzureichend vom Schall beeinflusst . Mit zunehmendem Volumen des zu beschallenden Gefasses wird das Verhältnis von intensiv beschalltem Raum zum weniger beeinflussten Raum drastisch ungünstiger.
Vorteilhaft ist gemäss DE 197 56 874 AI die Verwendung eines Gefasses, das im Durchmesser nur wenig grosser ist als die Abstrahlfläche der Sonotrode.
Weiterhin können Einbauten oder ein Rühren der Flüssigkeit das effektiv beschallte Volumen vergrössern. Generell vorteilhaft ist eine kontinuierliche Anordnung, bei der die mit Ultraschall zu beaufschlagende Flüssigkeit in einer Durchflusszelle durch den intensiv beschallten Raum direkt unter der Sonotrode gezwungen wird. Die Variation der Flussgeschwindigkeit ermöglicht eine Anpassung der Verweilzeit in der Schallzone.
Aus der Patent- und wissenschaftlichen Literatur sind eine Reihe solcher Anordnungen bekannt .
DE 197 56 874 AI beschreibt u.a. einen Strömungskanal vom Durchmesser der Abstrahlfläche der verwendeten Sonotroden, in den mehrere Sonotroden in Reihe eingebaut werden können. Ebenfalls dort beschrieben ist die Hintereinanderschaltung mehrerer! durchströmter Gefässe, in die Sonotroden hinein ragen.
DE 43 27 679 AI beschreibt ein Verfahren zum Aufschluss von Zellmaterial mittels Ultraschall, in dem vorteilhafte Konditionen wie Winkel, Eintauchtiefen und Volumenverhältnisse für eine in eine Durchflusszelle hinein ragende Sonotrode genannt werden.
Bekannt sind auch Anordnungen mit durchströmten, topfähnlichen Gefässen von geringem Volumen, in welchen die zu beschallende Flüssigkeit an einer Sonotrode vorbeigeführt wird (US 5 032 027, GB 2 250 930 A) .
DE 28 46 462 AI beschreibt eine kontinuierliche Emulgierung mittels einer durchströmten Kammer, in der ein schwingendes Element umströmt wird oder an deren Berandung Schallgeber installiert sind.
DE 39 30 052 AI beschreibt weiterhin eine Anordnung, in der in einem durchströmten Kanal speziell gestaltete
Reflexionswände den Schallgebern gegenüber angeordnet werden. Gemeinsam ist all diesen Verfahren der Nachteil, dass sich der Schallgeber in direktem Kontakt mit dem beschallten Medium befindet. Durch die in der beschallten Flüssigkeit erzeugte Kavitation kommt es zur Ablösung feinster Partikel aus dem Sonotrodenmaterial . Nach längerem Betrieb ist dieses in Form von Rillen, Löchern u.a. makroskopisch auf der Sonotrodenoberflache sichtbar. Intensiviert wird das Problem bei der Beschallung feststoffhaltiger Suspensionen, da die Feststoffpartikel einen zusätzlichen abrasiven Effekt auf die Sonotrodenoberflache ausüben. Die beschriebene Abgabe von Partikeln in das beschallte Medium ist beispielsweise bei der Erzeugung von Produkten für pharmazeutische Zwecke problematisch. Die meisten handelsüblichen Ultraschallquellen sind mit Sonotroden aus metallischen Legierungen ausgestattet. Es kommt somit zum Eintrag von metallischen Feinstpartikeln und Metall-Ionen in das mit Ultraschall beaufschlagte Medium. Ist das durch das Beschallen erzeugte Produkt zur medizinischen Anwendung, insbesondere zur parenteralen Verabreichung am Mensch oder Tier, vorgesehen oder wird es zu einem medizinisch zu verabreichenden Produkt weiterverarbeitet, stellen die von der Sonotrode abgegebenen Metallpartikel oder -ionen ein Sicherheitsrisiko für Mensch oder Tier dar. Gleiches gilt für die Produktion von Arzneimitteln, die am Auge, in der Lunge, auf grossflächig verletzten Hautarealen oder in Kδrperhöhlen (z.B. Vagina, Uterus, Harnblase) angewendet werden. Des weiteren kann es zu einer unerwünschten Interaktion der freigesetzten Metallpartikel und -ionen mit Bestandteilen - insbesondere den Wirkstoffen - des pharmazeutischen Produktes kommen, welches somit im schlimmsten Fall inaktiviert oder zu toxischen Produkten umgewandelt werden kann. Generell führt eine Kontamination des beschallten Produktes mit aus der Sonotrode freigesetzten Substanzen dann zu Problemen, wenn es, wie am Beispiel des pharmazeutischen Produktes erläutert, zu einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen dem aus der Sonotrode freigesetzten Material und Bestandteilen des beschallten Gutes kommt. Unerwünschte Wechselwirkungen wären beispielsweise Hydrolyse, Oxidation oder Reduktion, Komplexbildung, Aggregation, Fällung, Konformationsänderung von Bestandteilen des beschallten Gutes . Dieses kann beispielsweise auch dann auftreten, wenn Zellen zur Gewinnung von Inhaltsstoffen (z.B. Proteine, Peptide, Antikörper, etc.) aufgeschlossen werden. Weiterhin können von der Sonotrode freigesetzte Partikel und Ionen bei einer Analyse des beschallten Produktes beeinträchtigend wirken oder diese verunmöglichen.
Ein weiteres bislang nicht zufriedenstellend gelöstes Problem ist eine unproblematisch durchzuführende aseptische, also keimfreie Beschallung fliessfähiger Systeme. Existierende Systeme weisen entweder keine hermetische Abdichtung gegenüber der Umgebung auf und/oder sind nur schlecht in validierbarer Weise zu reinigen und zu sterilisieren.
Bedarf an aseptisch produzierten fliessfähiger StoffSystemen besteht insbesondere im Bereich der pharmazeutischen Produkte, weiterhin bei Kosmetika und Lebensmitteln. Letztere profitieren von einer aseptischen oder zumindest keimarmen Produktion, indem der Zusatz von Konservierungsstoffen verringert oder ganz vermieden werden kann. Gleiches gilt für die Herstellung von Pharmazeutika für topische Anwendungen, insbesondere auf der geschädigten Haut, am Auge, in der Lunge oder in Kδrperhöhlen. Pharmazeutika für parenterale Verabreichung, welche also injiziert werden, oder Pharmazeutika zur Anwendung am verletzten Auge, auf grossflächig geschädigten Hautarealen oder zur Spülung von Körperhδhlen müssen zwingend steril sein. Eine Endsterilisierung kann nachteilig oder auch unmöglich sein, womit eine aseptische Produktionsweise unvermeidbar ist . Beispiele für parenteral verabreichbare Pharmazeutika sind Infusionslδsungen zur parenteralen Regulierung des Wasser-, Elektrolyt- und Kohlehydrathaushaltes, Zubereitungen zur totalen parenteralen Ernährung, sowie arzneistoffhaltige Zubereitungen (beispielsweise wässrige oder ölige Lösungen, Emulsionen, Suspensionen, Mikroemulsionen) und Impfstoffe. Solche parenteralen Zubereitungen werden im allgemeinen intravenös, intraarterial, intramuskulär, subkutan, intradermal, intraperitoneal, intraocular, intraarticulär oder intralumbal verabreicht. Sie bestehen häufig aus dispersen Systemen oder durchlaufen im Zuge ihrer Produktion einen oder mehrere Dispergierschritte. In der Literatur gibt es Beispiele, bei denen Ultraschall zur Erzeugung solch disperser Systeme eingesetzt wurde. Bei der Verkapselung hydrophiler Wirkstoffe in biodegradierbare Mikrosphären beispielsweise wird in einem ersten Produktionsschritt häufig eine Emulsion aus wässriger Wirkstofflösung und organischer Polymerlösung erzeugt, die dann zu Mikrosphären weiterverarbeitet wird. Hier ist der Einsatz von Ultraschall eine standardmässig angewandte Methode (z.B. Cohen et al . 1991, Yang et al . 2001). Liposomen, Mikrosphären und -kapseln, Nanopartikel und - kapseln und Wirkstofffreisetzende Implantate sind weitere Beispiele für Systeme, die bei ihrer Produktion Dispergierschritte durchlaufen können. Zusammenfassend besteht somit ein grosses Potenzial für ein Ultraschallsystem, das in der Lage ist, unter aseptischen Bedingungen disperse Stoffsysteme ohne eine Kontamination durch Partikel von der Sonotrode zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Durchflusszelle zur kontinuierlichen Beschallung von fließfähigen Zusammensetzungen, insbesondere auch von kleinen Flüssigkeits-Volumina im Durchlaufprinzip zu beschreiben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen eine effiziente Bearbeitung einer fliessfähigen Zusammensetzung wie Mischen, Dispergieren, Emulgieren, Suspendieren, Sonokristalliesieren, Zerkleinern, Desagglome-rieren, Zellaufschluß, Extrahieren, Homogenisieren, Entgasen und dergleichen gewährleistet werden, ohne eine direkte Verbindung zwischen der metallischen Sonotrode und der zu beschallenden fliessfähigen Zusammensetzung herzustellen, wobei die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) während der Beschallung nach Bedarf von Umwelteinflüssen isoliert gehalten werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den Merkmalen der Durchflusszelle des Anspruchs 15 gelöst.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsflüssigkeit in der Durchflusszelle über eine unter erhöhten Druck gesetzte Flüssigkeit indirekt mit Ultraschall beschallt wird. Die Durchflusszelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die von der Arbeitsflüssigkeit durchströmte Durchflussstrecke von einem Druckmantel umgeben ist, an den ein Ultraschallwandler zur Schwingungsanregung angeschlossen ist, wobei sich zwischen einer Außenwandung der Durchflussstrecke und dem Druckmantel zur Vermeidung von Kavitation eine unter erhöhtem Druck stehende Flüssigkeit befindet.
Durch die indirekte Schwingungsanregung einer Durchfluss- strecke aus beispielsweise einer Glas- oder KunstStoffröhre (Durchflusszelle) , in der sich die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) befindet, über eine unter Druck stehende Flüssigkeit in einem umgebenden Rohr, die gleichzeitig als Kühlung wirken kann, wird erreicht, dass keine Kontamination der zu beschallenden fliessfähigen Zusammensetzung mit Metallen erfolgen kann. Der erhöhte Druck der Flüssigkeit verhindert die Kavitation in der Flüssigkeit und somit Übertragungsverluste. Der Ultraschall wirkt mit hoher Intensität auf die Durchflusszelle und auf die darin strömende Arbeitsflüssigkeit ein und bewirkt die in der Arbeitsflüssigkeit erwünschte Kavitation.
Die Durchflusszelle ist leicht auswechselbar, es können variable, bei Bedarf auch kleinste Volumina im Durchfluß effizient bearbeitet werden, es gibt keine schalltoten Räume (Totvolumina) , die Durchflusszelle kann in bestehende Systeme einfach integriert werden.
Die Arbeitsflüssigkeit kann hermetisch abgeschlossen werden.
Das System (Anordnung) kann in unterschiedlichen Abmessungen in Abhängigkeit von der Durchflussrate und der notwendigen Ultraschallenergie realisiert werden.
Das vorliegende Verfahren ist besonders vorteilhaft, weil es die in vielen Bereichen häufig verwendete Ultrabeschallung fliessfähiger Systeme unter Ausschluss von Kontamination ermöglicht. Insbesondere wird beim erfindungsgemässen Verfahren die Schallenergie nicht, wie bei herkömmlichen Systemen üblich, durch direkten Kontakt einer schwingenden Fläche mit der zu beschallenden Flüssigkeit auf diese übertragen. Die Schallenergie wird statt dessen, wie weiter oben beschrieben, auf eine unter Druck stehende Flüssigkeit übertragen und von dieser an eine Durchflusszelle weitergegeben, durch welches die mit Ultraschall zu behandelnde fliessfähige Zusammensetzung strömt . Die- beschriebene Erfindung ist weiterhin hervorragend zur Beschallung von fliessfähigen Zusammensetzungen unter aseptischen Bedingungen geeignet.
Die beschallte fliessfähige Zusammensetzung kommt ausschliesslich mit dem im Druckmantel befindlichen Rohr
(Durchflusszelle) in Kontakt und ist damit während der
Passage der Ultraschallapparatur hermetisch von der
Umgebung abgeschlossen und vor Kontamination geschützt.
Das mit der beschallten fliessfähige Zusammensetzung in Kontakt stehende Rohr (Durchflusszelle) kann sehr einfach sterilisiert werden.
Die nicht mit der fliessfähigen Zusammensetzung in Kontakt stehenden Apparateteile können auf einfache Weise oberflächendesinfiziert werden, beispielsweise durch Besprühen/Abreiben mit desinfizierenden Lösungen und/oder durch Behandlung mit kurzwelliger Strahlung, z.B. ultraviolettem Licht .
Der Zusammenbau der sterilisierten einzelnen Komponenten der Apparatur kann unproblematisch beispielsweise in einem Laminar-Flow-Arbeitsplatz, Isolator oder Reinraum erfolgen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Durchflusszelle ist die Möglichkeit, jenes Element der Apparatur, das mit der beschallten fliessfähigen Zusammensetzung in Kontakt steht, nämlich das durchströmte Rohr (Durchflusszelle) , nach erfolgter Beschallung auszu-tauschen. Eine gegebenenfalls der Validierung bedürfende Reinigung des Rohres beim Wechsel von einem Produkt bzw. einer Charge zur nächsten sowie eine Kontrolle auf möglichen Verschleiss kann damit vermieden werden. In Abhängigkeit von dem für das Rohr verwendeten Material ist dieser Austausch mit nur geringen Kosten .verbunden, die jene der Reinigung und Reinigungsvalidierung unterschreiten. Weitere Vorteile bietet die erfindungsgemässe Durchflusszelle dadurch, dass die Temperatur des mit Ultraschall behandelten Produktes mit Hilfe einer Temperierung des den Druckmantel der Zelle durchströmenden Mediums kontrolliert werden kann. Sowohl eine Erwärmung als auch eine Kühlung des beschallten Produktes ist somit möglich. Je nach Anwendungszweck kommen dabei Temperaturen von -80 bis 200 °C in Betracht. Im Zusammenhang mit der Durchführung von sonochemischen Reaktionen kann dieses genutzt werden, um das Reaktionsgemisch auf eine für die durchzuführende Reaktion günstige Temperatur zu erwärmen oder um durch eine exotherme Reaktion erzeugte Wärme abzuführen. Weiterhin kann über die Temperatur Einfluss auf Eigenschaften des beschallten Gutes genommen werden. So können beispielsweise Substanzen geschmolzen oder in geschmolzenem Zustand erhalten, die Festigkeit von zu zerteilenden Feststoffen beeinflusst oder thermolabile Substanzen bei Temperaturen unterhalb der Raumtemperatur beschallt werden. Auch kann durch Dissipation von Schallenergie im beschallten Gut erzeugte Wärme abgeführt werden.
Zweckmäßige Ausführungsformen der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend in mehreren Ausführungsbeispielen der Beschallung einer fliessfähigen Zusammensetzung mit Ultraschall in einer Durchflusszelle nach der Erfindung näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
Fig. 1 : die schematische Schnittdarstellung der Anordnung zur kontinuierlichen Beschallung einer fliessfähigen Zusammensetzung (Durchflusszelle) , Fig. 2 : die schematische Darstellung des Verfahrensablaufs am Beispiel der Herstellung einer Dispersion aus Flüssigkeiten, Feststoffen, Gasen, wobei die Rohdispersion im Zuge der
Förderung in die Durchflusszelle erzeugt wird und
Fig. 3 : die schematische Darstellung des Verfahrensablaufs am Beispiel der
Herstellung einer Dispersion aus Flüssigkeiten, Feststoffen, Gasen durch Vorgeschaltete Erzeugung der Rohdispersion vor der Durchflusszelle.
Die Durchflusszelle 4 zur kontinuierlichen Beschallung eines kleinen Flüssigkeitsvolumens besteht entsprechend der Darstellung in der Figur 1 im wesentlichen aus einem Rohr 10, in dem ein bevorzugterweise nicht-metallisches Rohr 50 (Durchflussstrecke, Durchflusszelle) mit einer darin durchfließenden, zu beschallenden fliessfähigen Zusammensetzung 80 (Arbeitsflüssigkeit) über Abdichtungen 40 vom Rohr 10 beabstandet angeordnet ist.
Mit dem Rohr 10 ist zur Ultraschallanregung eine Ultraschallquelle 60 verbunden. Mit dem Raum zwischen dem Rohr 10 und der Durchflusszelle 50 sind ein Flüssigkeitszulauf 30 und ein Flüssigkeitsablauf 70 verbunden, welche durch Endmassen 20 geführt sind.
Das Rohr 10 wird durch den Ultraschallwandler 60 in Schwingungen versetzt, die über eine Flüssigkeit 90, zum Beispiel Wasser, auf die Durchflusszelle 50 übertragen werden. Die Flüssigkeit 90 steht unter Druck, zum Beispiel 4 bis 10 bar, um eine Kavitation der Flüssigkeit 90 und den frühen Verschleiß der Sonotrode des Ultraschallwandlers 60 und des Rohrs 10 zu verhindern. Gleichzeitig kann die Flüssigkeit 90 die Temperierung des Systems übernehmen.
Die Durchflusszelle 50 schwingt mit der Flüssigkeit 90 und überträgt die Schwingungen auf die in ihr befindliche Arbeitsflüssigkeit 80.
Die Endmassen 20 dienen der schwingungstechnischen Entkopplung der Abdichtungen 40 und der Anschlüsse 30 und 70 für die Flüsigkeit 90. Ein Wechsel der Durchflusszelle 50 erfolgt sehr einfach im ausgeschalteten Zustand des Gerätes im drucklosen Kühlkreislauf durch Lösen von nicht dargestellten Klemmungen im Bereich der Abdichtungen 40.
Zur Übertragung der Schallenergie von der Sonotrode auf die mit der Arbeitsflüssigkeit 80 durchströmte Durchflusszelle 50 kommen bevorzugt folgende Flüssigkeiten in Frage: Wasser, insbesondere destilliertes und deionisiertes, gegebenenfalls mit Zusätzen zur Änderung der kolligativen Eigenschaften (Siedepunktserhöhung, Gefrierpunktssenkung) ; mineralische und natürliche Öle sowie Mischungen derselben; Silikonöle und Silikonöl-Mischungen, schwerflüchtige Flüssigkeiten aromatischer oder nicht-aromatischer Natur und Mischungen derselben; Quecksilber. Als Werkstoffe für die von der zu beschallenden Arbeitsflüssigkeit 80 durchströmte Durchflusszelle 50 kommen bevorzugt folgende Materialien in Frage: Glas, zum Beispiel Glasart I, II oder III gemäss Europ . Arzneibuch, 1997; harte, abriebsfeste Kunststoffe, zum Beispiel Polycarbonat , PVC, Polyurethane, Polyamide, Polyester, jedoch auch Teflon, Polystyrol, Polyolefine; keramische Werkstoffe, Metalle und Hartmetalle (wenn eine Kontamination mit Metallpartikeln und/oder -ionen unkritisch ist) . Zur Übertragung der Schallenergie von der Sonotrode auf die mit der Arbeitsflüssigkeit 80 durchströmte Durchflusszelle 50 und Temperierung der beschallten Arbeitsflüssigkeit 80 wird die übertragende Flüssigkeit 90 erfindungsgemäss vorteilhaft unter Drücke von 2 bis 20 bar, bevorzugt 4 bis 10 bar gesetzt; dieses bei Flussraten von 0 bis 600 1/h, bevorzugt 0 bis 100 1/h und Temperaturen der Flüssigkeit von -80 bis 200 °C.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die fließfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) durch die erfindungsgemässe Ultraschalldurchflusszelle 4 nach Fig. 1 hindurchgeführt wird, wobei Schallenergie der Ultraschall- durchflusszelle 4 in die Arbeitsflüssigkeit 80 eingetragen und diese dadurch in gewünschter Weise verändert wird.
Das Verfahren besteht gemäß den Darstellungen in den Fig. 2 und 3 im wesentlichen aus drei Prozessschritten:
(1) Dosieren und/oder Vormischen der Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) ; (2) Fördern durch und gleichzeitiges Beschallen der Arbeitsflüssigkeit in der erfindungsgemässen Ultra- schalldurchflusszelle ; (3) Einleiten der beschallten Arbeits lüssigkeit in ein Auffang- oder Prozessgefäss bzw. Weiterleiten zu einem nachgeschalteten weiteren Verarbeitungs- prozess.
Erfindungswesentlich ist dabei, dass die Arbeitsflüssigkeit während der drei Prozessschritte von Umgebungseinflüssen isoliert werden kann und nicht in direkten Kontakt mit der Sonotrode kommt . Deshalb kann das Verfahren unter Ausschluss von mikrobieller oder nicht-mikrobieller Kontamination sowie zudem unter streng definierten Temperaturbedingungen durchgeführt werden. Daraus ergeben sich Vorteile zur Behandlung fliessfähiger Zusammensetzungen in den Bereichen der Pharmatechnologie, Lebensmitteltechnologie, Biotechnologie, Zellbiologie, Kosmetik, Elektronik und Elektrotechnik.
Ganz generell eignet sich das Verfahren zur Ultrabeschallung von einer oder mehreren nicht-mischbaren, teilweise mischbaren oder vollständig mischbaren Flüssigkeiten, sowie zur Manipulation von einer oder mehreren Flüssigkeiten und darin unlöslichen, teilweise löslichen oder vollständig löslichen Gasen oder Feststoffen.
Das Verfahren eignet sich insbesondere zur kontinuierlichen, berührungs- und kontaminationsfreien Beschallung fliessfähiger Zusammensetzungen zum Zwecke von Mischung, Emulgierung, Homogenisierung, Zerkleinerung, Suspendierung oder Emulgierung von Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen in einer fδrderbaren Flüssigkeit, zum Zeil- und Organaufschluss, zu Desaggregierung, Entgasung, Durchführung und Steuerung von chemischen Reaktionen, zur Kontrolle von Kristallbildung, zur Herstellung von Liposomen, mizellaren Systemen, Nano- und Mikroemulsionen, Nanopartikeln, Nanokapseln, Mikrosphären und Mikrokapseln und dergleichen.
Zum Dosieren der Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung (Prozess-Schritt 1) werden die verschiedenen Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung beispielsweise mittels geeigneter Pumpen, Gasflaschen, Gasförder- und Gasflussmesssysteme, sowie PulverfOrder- und Pulverdosier-Systeme oder auch manuell in ein geeignetes, bevorzugt hermetisch abschliessbares, steriles Gefäss, Rohr oder einen Schlauch eingebracht. Die Komponenten werden dann in einem bevorzugt nach aussen abgeschlossen System vorgemischt, was entweder in einem vorgelagerten Schritt vor der Förderung der fliessfähigen Zusammensetzung in die Durchflusszelle oder im Zuge der Förderung geschehen kann. Eine Vormischung im Zuge der Förderung der fliessfähigen Zusammensetzung kann beispielsweise mittels einfachen Geräten wie T-Stück, geeigneten Mischventilen, Fritten, Membranen, bewegter oder statischer Mischer erzielt werden.
Wichtig ist, dass bereits das Vormischen der Komponenten in einem sterilisierbaren Gerät oder Gefäss kontaminationsfrei und von Umwelteinflüssen hermetisch abgeschirmt erfolgt.
Das Fördern durch und gleichzeitige Beschallen der fliessfähigen Zusammensetzung in der erfindungsgemässen Durchflusszelle der (Prozess-Schritt 2) ist der zentrale Schritt dieser Erfindung.
Das Fördern der fliessfähigen Zusammensetzung kann entweder vor oder nach dem Vormischen der Komponenten (Prozess- Schritt 1) mittels geeigneter Fördereinrichtungen wie Pumpen oder Überdruckeinrichtungen erfolgen, wobei die Pumpen oder Überdruckeinrichtungen sterilisierbar sein und kontamina-tionsfrei arbeiten müssen. Der Volumenstrom der fliessfähigen Zusammensetzung durch die Durchflusszelle wird so gesteuert, dass die fliessfähige Zusammensetzung während eines gewünschten Zeitintervalls im Rohr ultrabeschallt werden kann. Dieses Zeitintervall der Beschallung kann je nach Anwendungszweck zwischen 0,1 Sekunden und 12 Stunden liegen, wobei die bevorzugte Beschallungsdauer zwischen 1 Sekunde und 1 Stunde liegt. Über die Schwingungsamplitude der Sonotrode und deren Frequenz kann die in die beschallte fliessfähige Zusammensetzung eingetragene Leistung kontrolliert werden. Je nach Anwendungszweck kann der Leistungseintrag zwischen 1 W und 1 kW variiert werden, wobei der Leistungseintrag bevorzugterweise zwischen 2 und 400 W liegt. Als Schallfrequenzen kommen 16 bis 150 kHz, bevorzugt 20 bis 100 kHz, in Frage.
Die Verweilzeit und der Leistungseintrag in die mit Ultraschall behandelte fliessfähige Zusammensetzung bestimmen zusammen die eingetragene Schallenergie, über welche zusammen mit der Frequenz Einfluss auf den Effekt der Beschallung genommen werden kann.
So ist es beispielsweise möglich, den Mittelwert und die Breite der Tröpfchengrössenverteilung bei der Erzeugung von Emulsionen zu beeinflussen.
Bei der Zerkleinerung von Feststoffen in einer Flüssigkeit kann in gleicher Weise die erzeugte Korngrösse des Feststoffs kontrolliert werden.
Auch besteht die Möglichkeit, beim Aufschluss biologischen Materials den Grad des Aufschlusses zu beeinflussen, um beispielsweise Zellverbände in einzelne Zellen zu zertrennen oder diese zudem aufzuschliessen.
Grosse Bedeutung für den Beschallungseffekt auf die fliessfähige Zusammensetzung haben nebst Beschallungszeit, Leistungseintrag und Schallfrequenz auch die Materialart, die Geometrie sowie die Oberflächeneigenschaften der mit der fliessfähigen Zusammensetzung in Berührung kommenden Durchflusszelle, wie dies weiter oben unter der Beschreibung der Einrichtung ausgeführt wurde . Als Material für diese Durchflusszelle kann vorzugsweise ein Nichtmetall, besonders bevorzugt Glas oder ein harter Kunststoff, gewählt werden, um einen Eintrag von Metallpartikeln in die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung zu vermeiden.
Weiterhin können durch geeignete Materialwahl und/oder Oberflächenbehandlung der Durchflusszelle unerwünschte Interaktionen zwischen Bestandteilen der fliessfähigen Zusammensetzung und dem Material der Durchflusszelle vermieden werden.
Beispiele für unerwünschte Interaktionen sind Adsorption von Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung an die Durchflusszelle, Desorption von Materialkomponenten der Durchflusszelle (Metallspuren, Kunststoffadditive) , Reaktion von Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung mit dem Material der Durchflusszelle oder desorbierten Komponenten derselben, katalytische Reaktionen durch das Material dee Durchflusszelle oder desorbierte Durchflusszellenkomponenten in der fliessfähigen Zusammensetzung, sowie physikalisch-chemische Vorgänge an der Grenzfläche zwischen der fliessfähigen Zusammensetzung und der Durchflusszelle.
Durch die Wahl des Materials für die Durchflusszelle oder durch Modifikation von deren Oberfläche kann zudem die Grenzflächenspannung zwischen der Durchflusszelle und der beschallten fliessfähigen Zusammensetzung oder Komponenten derselben beeinflusst werden.
Besteht die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung aus mehreren Komponenten, kann so die bevorzugte Benetzung des Durchflusszelle durch eine oder mehrere dieser
Komponenten verhindert werden, was einer Durchmischung der verschiedenen Komponenten der fliessfähigen Zusammensetzung abträglich wäre .
Weiterhin kann durch die Geometrie der Durchflusszelle oder durch die Beschaffenheit der Innenfläche derselben die Strömung durch die Durchflusszelle so verändert werden, dass ein laminares oder turbulentes Fliessen der fliessfähigen Zusammensetzung erzielt wird, was den Effekt der Beschallung verstärken oder abschwächen kann.
Auch hat die Geometrie der Durchflusszelle Einfluss auf die Effizienz der Schallübertragung auf die zu beschallende fliessfähige Zusammensetzung, beispielswiese durch die Wanddicke der Durchflusszelle.
Das Einleiten der beschallten fliessfähigen Zusammensetzung in ein Auffang- oder Prozessgefäss bzw. das Weiterleiten zu einem nachgeschalteten weitern Verarbeitungsprozess (Prozess-Schritt 3) geschieht erfindungsgemäss ebenfalls unter genau kontrollierten Bedingungen und unter Ausschluss von möglichen Kontaminationen.
Als Auffanggefäss kann ein Einzelportionen- oder Mehrportionengefäss zur Zwischen- oder Endlagerung der fliessfähigen Zusammensetzung verwendet werden. Ein Prozessgefäss bzw. eine Weiterleitung wird angewendet, wenn die fliessfähige Zusammensetzung aus dem erfindungsgemässen Verfahren in einem weiteren Verfahren weiterverarbeitet wird, so wie dies beispielsweise bei der Herstellung von Mikro- und Nanokapseln oder Mikro- oder Nanosphären geschieht . Folgende Beispiele sollen die Anwendungsbreite der Erfindung unter Bezugnahme auf - die schematischen Darstellungen in den Fig. 2 und 3 verdeutlichen.
Dabei zeigt die Fig. 2 den Verfahrensablauf am Beispiel der Herstellung einer Dispersion aus einer Flüssigkeit und wahlweise einer zweiten Flüssigkeit A, einem Feststoff B oder einem Gas C. Es wird eine Rohdispersion im Zuge der Förderung in die Ultraschalldurchflusszelle 4 erzeugt .
Die Fig. 3 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Herstellung einer Emulsion aus einer Flüssigkeit und wahlweise einer zweiten Flüssigkeit A, einem Feststoff B oder einem Gas C. Die Rohdispersion wird hier jedoch vor der Förderung in die Ultraschall- durchflusszelle erzeugt.
In beiden Figuren ist die kontinuierliche flüssige Phase mit 1, die Zudosierung der dispersen Phase mit 2, ein Mischer mit 3, die Zufuhr der Flüssigkeit zur
Schallübertragung mit 30 (Fig. 1) , ein Wärmetauscher mit 6, der Ablauf der Flüssigkeit zur Schallübertragung mit 70
(Fig. 1) , eine grobdispersive fliessfähige Zusammensetzung nach dem Verfahrensschritt 1 mit 8 und die nach dem Verfahren behandelte fliessfähige Zusammensetzung (Verfahrensschritt 2) mit 9 bezeichnet.
Beispiel 1
Herstellung einer Emulsion einer wassrigen Lösung eines Modellproteins in einer organischen Lösung eines bioabbaubaren Polymers als Vorstufe zur Weiterverarbeitung zu Mikrosphären als therapeutisches Delivery System. Die Ultraschallzelle 4 wird mit einem Glasrohr 50 (Fig. 1) mit einem Innendurchmesser von 2 mm -und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet .
Der Druck der Flüssigkeit 90 im Druckmantel 10 (Fig. 1) der erfindungsgemässen Ultraschalldurchflusszelle 4 beträgt 4,5 bis 5,5 bar, die Temperatur ca. 10 °C.
Eine 5% (w/w) Lösung des Polymers Poly (Milch-co-Glykol- säure) in Dichlormethan (DCM) und eine 10% (w/w) Lösung des Proteins Rinderserum Albumin (BSA) in einem Phosphatpuffer vom pH = 7.4 werden mittels zweier nicht dargestellter Spritzenpumpen und über ein T-Stück in das Glasrohr 50 der Ultraschallzelle 4 gefördert. Die Flussraten betragen 2 ml/h für die BSA-Lδsung und 40 ml/h für die Polymerlösung. Die Amplitude des Schallgebers der Ultraschallzelle 4 wird im Bereich von 40% bis 80% der Maximalamplitude variiert. Die erzeugten W/O Emulsionen werden aufgefangen und mittels Laserlichtstreuung (Malvern Mastersizer X, 100 mm-Linse, Mie-Beugung) bezüglich ihrer Tropfchengrösse analysiert. Man erhält reproduzierbar stabile Emulsionen mit einer mittleren Tropfchengrösse (Volumenverteilung) im Bereich von 1.37 bis 0.62 Micrometer (Fig. 4, Tabelle 1), die sich mit steigender Amplitude stetig verringert. Die bei hohen Amplituden hergestellten Emulsionen weisen eine sehr enge Tropfengrössenverteilung auf. Die erzeugten Emulsionen sind in einem Zeitraum >30 Minuten stabil und erfüllen damit eine Grundvoraussetzung zur Weiterverarbeitung zu Mikrosphären.
Tabelle 1 : Mittlere Tropf engrösse von Emulsionen, die wie in Beispiel 1 bis 3 beschrieben, mi ttels des erf indungsgemässen Verfahrens erzeugt wurden . Konzentr Lösungsm Flussrat Konzentr Flussrat Schall - mittlere ation ittel e der ation e der amplitud r der des Polymerl der Proteinl e Tropfend
Polymer- Polymers δsung Proteinösung urchmess lδsung lösung [% er
Maximal-
[% [ml/h] [% [ml/h] ampli .tud [Microme
(w/w) ] (w/w) ] e] ter]
5 • DCM 40 10 2 40 1.37
5 DCM 40 10 2 60 0.81
5 DCM 40 10 2 80 0.62
5 DCM 60 10 3 80 0.63
5 EF 40 5 2 40 0.90
5 EF 40 5 2 60 0.68
5 EF 40 5 2 80 0.89
Beispiel 2
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen. Im Unterschied zu Beispiel 1 beträgt die Flussrate der Proteinlösung 3 ml/h, die der Polymerlösung 60 - ml/h. Die Amplitude des Schallgebers beträgt 80% vom Maximum. Man erhält eine stabile Emulsion, die gegenüber Beispiel 1 eine nur minimale Vergrösserung der mittleren Tropfengrösse aufweist (Tabelle 1) .
Beispiel 3
Es wird wie in Beispiel 1 vorgegangen. Im Unterschied zu Beispiel 1 wird, anstelle des Lösungsmittels Dichlormethan wird das weniger ' toxische Ethylformiat (EF) als Lösungsmittel für das Polymer verwendet . Die Konzentration des Modellproteins BSA in der Pufferlösung beträgt 5%
(w/w) ; die Flussraten betragen 2 ml/h für die Protein- und
40 ml/h für die Polymerlδsung . Die Amplitude des Schallgebers wird im Bereich von 40% bis 80% der
Maximalamplitude variiert . Man erhält reproduzierbar stabile Emulsionen mit einer mittleren Tropfchengrösse
(Volumenverteilung) im Bereich von 0.90 bis 0.68 Micrometer
(Tabelle 1) . Bei einer Amplitude von 60% wird ein Minimum der mittleren Tropfchengrösse gefunden. Die Emulsionen weisen eine enge Tropfengrδssenverteilung auf und sind in einem Zeitraum von >30 Minuten stabil.
Beispiel 4
Es wird wie in Beispiel 3 vorgegangen. Die Konzentration des Modellproteins BSA in der Pufferlösung beträgt 10%
(w/w) . Die Lösungen von Polymer und BSA werden über 0.2
Mikrometer Filter sterilfiltriert. Das Glasrohr 50 der Ultraschalldurchflusszelle 4, sämtliches Schlauchmaterial, sowie das T-Stück werden autoklaviert , die Pumpen und die Ultraschalldurchflusszelle 4 in einem Laminar-Flow- Arbeitsplatz installiert und durch Besprühen mit einer ethanolischen Lδsung desinfiziert. In den Pumpen werden sterile Einmalspritzen installiert. Der Zusammenbau der Versuchsapparatur erfolgt im Laminar-Flow-Arbeitsplatz . Nach erfolgtem Zusammenbau wird die Apparatur nochmals mit einer ethanolischen Lösung gespült. Es werden wie unter Beispiel 3 beschrieben bei einer Amplitude von 80% der Maximalamplitude Emulsionen hergestellt. Die erzeugten Emulsionen werden mit sterilem Ethylformiat verdünnt und sofort im Verhältnis 1:10 mit CASO Bouillon gemischt und über Nacht inkubiert. Am folgenden Tag wird die Bouillon über Kartuschen des Testsystems Millipore* 100 filtriert und diese mit TSB (tryptic soy broth) Medium befüllt. Gemäss Europäischem Arzneibuch wird eine Hälfte der Kartuschen 14 Tage bei 30-35 °C zur Kontrolle auf Bakterienwachstum, die andere Hälfte 14 Tage bei 20-25 °C zur Kontrolle auf Pilzwachstum inkubiert. Es konnte keine Kontamination festgestellt werden.
Beispiel 5
Parenterale Öl-in-Wasser (O/W) - Fettemulsion bestehend aus Soyaδl, einem Emulgator, einem Isotonisierungszusatz und Wasser.
Die erfindungsgemässe Ultraschalldurchflusszelle 4 wird mit einem sterilen Glasrohr 50 mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet . Der Wasserdruck im Mantel 10 der Ultraschallzelle 4 beträgt 5 bar, die Temperatur 40 °C. Eine Mischung aus 12,0 g Eilecithin, 22,0 g Glycerin und 866,0 g Wasser wird in einer autoklavierbaren Glasflasche unter Handschütteln vordispergiert und danach gemäss Europäischem Arzneibuch 1997 autoklaviert . Parallel dazu wird 100 g Soyaöl ebenfalls in einer Glasflasche autoklaviert. Nach Abkühlung werden die beiden Flüssigkeiten in einem Massenstromverhältnis von 10:1 (Wasserphase : Ölphase) mittels Schlauchpumpen und sterilen Schläuchen in einem autoklavierten statischen Mikromischer vorgemischt und danach durch die Ultraschalldurch-flusszelle 4 gefördert und mit 80% der Maximalamplitude beschallt. Die Fδrdergeschwindigkeit beträgt 12 ml/min, was zu einer Beschallungsdauer von ca. 15 Sekunden je Volumeneinheit Emulsion führt. Die feindisperse O/W-Emulsion wird unter aseptischen Bedingungen direkt in vier sterile Glasflaschen zu 250 ml für die Lagerung und den Endgebrauch als parenterale Fettemulsion gefüllt . Die mittels Laserlichtstreuung (Malvern Mastersizer X, 45 mm-Linse,
Mie-Beugung) ermittelte mittlere Tropfchengrösse
(Volumenverteilung) der hergestellten Emulsion liegt bei
405 nm und entspricht der Tropfchengrösse handelsüblicher Produkte .
Beispiel 6
Zellaufschluss .
Die Ultraschalldurchflusszelle 4 wird mit einem sterilen Glasrohr 50 mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet . Der Wasserdruck im Mantel 10 der Ultraschalldurchflusszelle 4 beträgt 5 bar, die Temperatur 4 °C. Eine Portion von 5 g steril entnommener und grob zerkleinerter Teile einer Rindsleber wird in 100 ml sterilem Citratpuffer pH 6.5 suspendiert und mittels Vortex gut durchmischt . Diese Suspension von Zellklumpen wird unter aseptischen Verfahrensbedingungen durch die Ultraschalldurchflusszelle 4 gefördert und mit 90% der Maximalamplitude beschallt. Die Fördergeschwindigkeit beträgt 1,2 ml/min, was zu einer Beschallungsdauer von ca. 150 Sekunden je Volumeneinheit Zellsuspension führt. Die beschallte Zellsuspension wird dann in eine Glasflasche überführt und analysiert. Die beschallte Zellsuspension präsentiert sich als dicke Suppe, das sogenannte Homogenisat. Die Güte des Aufschlusses wird anhand der Glutamat-Dehydrogenase-Aktivität mit dem Substrat 2- Oxogluatarat und dem Aktivator ADP gemessen. Als Referenz wird eine handelsübliche Glutamat-Dehydrogenase mit 120 U/mg Enzym-Protein verwendet Die gemessene Dehydrogenase- aktivität der Zellprobe, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren aufgeschlossen wurde, lag um durchschnittlich 8- 10% oberhalb des Wertes, der nach klassischem Aufschluss mittels Detergens oder Vermörserung in einem Glaskolben erzielt wurde. Beispiel 7
Liposomenherstellung.
Die Ultraschalldurchflusszelle 4 wird mit einem sterilen Glasrohr 50 mit einem Innendurchmesser von 2 mm und einer Wandstärke von 0.5 mm ausgestattet . Der Wasserdruck im Mantel der Ultraschalldurchflusszelle 4 beträgt 5 bar, die Temperatur 8 °C. Eine Mischung aus 156 mg Sojalecithin (0,2 mmol) und 39 mg (0,1 mmol) Cholesterol werden in 30 ml Dichlormethan : Methanol (9:1, v/v) in einem 500 ml Rundkolben gelöst . Das Lösungsmittel wird im rotierenden Rundkolben langsam abgezogen, so dass an der Kolbenwand ein einheitlicher dünner Lipidfilm entsteht, der unter Vakuum bei Raumtemperatur endgetrocknet wird. Der Film wird dann mit 10 ml einer 100 mM NaCl-Lösung unter Schwenken hydratisiert, wobei ein trübe Dispersion von grossen multilamellaren Vesikeln (MLV) entsteht. Die MLV werden nun durch die erfindungsgemässe Ultraschalldurchflusszelle gefördert und mit 95% der Maximalamplitude beschallt. Die Fδrdergeschwindigkeit beträgt 1,2 ml/min, was zu einer Beschallungsdauer von ca. 40 Sekunden je Volumeneinheit MLV-Zubereitung führt. Die beschallte MLV-Zubereitung wird durch die Ultrabeschallung in kleine unilamellare Lipsomen (sogenannte SUV, small unilamellar vesicles) zerkleinert. Die Liposomen-Zubereitung wird durch einen am Ende des Glasrohres installierten Celluloseacetat-Membranfilter mit einer Porengrδsse von 0,2 Dm geführt, um > die Liposomen- Zubereitung steril zu filtrieren. Schliesslich wird die Zubereitung unter aseptischen Bedingungen direkt in sterile Glasfläschchen gefüllt. Die Liposomen-Zubereitung erscheint blaulich-opaleszent, was bereits optisch auf kleine Liposomen hinweist. Die durchschnittliche Liposomengrösse wurde mittels LaserlichtStreuung bestimmt und betrug 220 nm.
Bezugszeichenliste
Druckmantel (Rohr) Endmasse Flüssigkeitszulauf Abdichtung Durchflusszelle in Form eines Rohres Ultraschallwandler Flüssigkeitsablauf Fliessfähige Zusammensetzung (Arbeitsflüssigkeit) Druckübertragende und gegebenenfalls thermostatisierende Flüssigkeit
kontinuierliche fliessfähige Phase Zudosierung der dispersen Phase Mischer Durchflusszelle
Wärmetauscher
grobdisperse fliessfähige Zusammensetzung beschallte fliessfähige Zusammensetzung

Claims

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