Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionsprozessen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Sie ist insbesondere anwendbar zur Kultivierung von Zellen, wie sie beispielsweise in verschiedensten Applikationen des Hochdurchsatzscreenings, der Medien-, Stamm- oder Zelllinienentwicklung erforderlich ist. Vorteilhafte Anwendung findet die Erfindung in Prozessen, bei denen prozessspezifische Durchmischungs- oder Begasungsraten einzustellen sind.

Reaktionsprozesse finden sich in allen Bereichen der Forschung, Entwicklung und Produktion der chemischen, biologischen, biotechnologischen, biochemischen und pharmazeutischen Industrie. Ein wichtiges Beispiel dafür ist die Kultivierung von Zellen als essentieller Bestandteil nahezu jeden Bioprozesses. Dazu werden Reaktionsgefäße mit Kulturmedium befüllt und gezielt mit Zellen inokuliert. Die Zellen wachsen im Kulturmedium und sind entweder selbst das Zielprodukt des Bioprozesses oder aber sie stellen Produkte wie Enzyme oder Antikörper her oder fungieren als Biotransformationssysteme und damit als biologische Katalysatoren zur Erzeugung niedermolekularer Produkte aus Vorläufermolekülen.

Um optimale Prozessbedingungen zu erreichen, müssen in Abhängigkeit des Reaktionsprozesses optimale Bedingungen hinsichtlich der Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit eingestellt werden. Um am Beispiel der Kultivierung von Zellen optimale Wachstumsbedingungen und Produktionsbedingungen zu erreichen, müssen in Abhängigkeit des jeweiligen Bioprozesses, insbesondere in Abhängigkeit des verwendeten Zelltyps und der Kulturmedienzusammensetzung, optimale Bedingungen hinsichtlich der Durchmischung und Begasung der Reaktionsflüssigkeit eingestellt werden. Stand der Technik

Dem Fachmann sind verschiedenste Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung von Reaktionsprozessen bekannt. Diese werden nachfolgend teilweise am Beispielprozess der Kultivierung von Zellen erläutert, bei denen ein Reaktionsgefäß mit Kulturflüssigkeit befüllt ist, wobei sich die angeführten Verfahren und Vorrichtungen insbesondere hinsichtlich ihrer Durchmischung und Begasung dieser Kulturflüssigkeit als Reaktionsflüssigkeit unterscheiden.

Bekannt sind geschüttelte Reaktionsgefäße, bei denen die Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit über eine Schüttelbewegung erreicht wird, insbesondere Schüttelkolben, Mikrotiterplatten, Reaktionsröhrchen und Shaking Bags. Üblicherweise werden dabei mehrere Reaktionsgefäße auf einer Schüttelplattform befestigt und gemeinsam geschüttelt. Die Begasung der Reaktionsflüssigkeit erfolgt passiv über gaspermeable Verschlüsse, welche die Öffnungen der Reaktionsgefäße verschließen. Der Gasaustausch im Reaktionsgefäß findet dann an der Grenzfläche zwischen dem Bulk der Reaktionsflüssigkeit und der Gasphase im Kopfraum des Reaktionsgefäßes statt, sowie zwischen letzterer und einem durch die Schüttelbewegung hervorgerufenen Flüssigkeitsfilm an der Innenwand des Reaktionsgefäßes entlang der Bewegungsbahn der Reaktionsflüssigkeit. Nachteilig ist die Bewegung der Reaktionsgefäße und damit auch die Durchmischung der in ihnen enthaltenen Reaktionsflüssigkeit für alle gemeinsam geschüttelten Reaktionsgefäße gleich, sodass in den meisten Fällen nicht jeder Reaktionsprozess unter optimalen Bedingungen durchgeführt werden kann. Weiterhin nachteilig erfolgt die Begasung passiv, sodass auch keine individuelle, auf die Prozesserfordernisse abgestimmte Begasung der Reaktionsflüssigkeit möglich ist Aus dem Stand der Technik sind zwar Vorrichtungen bekannt, bei denen die Begasung aktiv über Schläuche und Pumpen erfolgt, dies führt jedoch nachteilig zu einem signifikant komplexeren Aufbau der gesamten Vorrichtung mit deutlich mehr beweglichen Teilen.

Bekannt sind weiterhin gerührte Reaktionsgefäße, insbesondere Rührkesselreaktoren, bei denen die Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit durch eine rotierende Rührvorrichtung im Inneren des Reaktionsgefäßes erfolgt. Solche Vorrichtungen werden durch Blasensäulen aktiv begast Im Gegensatz zu den geschüttelten Reaktionsgefäßen sind gerührte Reaktionsgefäße sowohl hinsichtlich ihrer Durchmischung als auch hinsichtlich der Begasung der Reaktionsflüssigkeit individuell regelbar, sodass diesbezüglich optimale Prozessbedingungen eingestellt werden können. Nachteilig ist jedoch die im Vergleich zu geschüttelten Systemen deutlich höhere Komplexität der Reaktionsgefäße, die insbesondere Folge der notwendigen Rühr- und Begasungseinbauten in den Innenraum des Reaktionsgefäßes ist Weiterhin nachteilig ist das durch den Einsatz von Blasensäulen im Vergleich zu geschüttelten Reaktionsgefäßen deutlich erhöhte Risiko für Schaumbildung, die die Stabilität von Produkten, Katalysatoren, Zellen sowie die allgemeinen Prozessbedingungen negativ beeinflussen kann. Auch der Einsatz von Rührern hat Nachteile, einerseits durch eine positionsabhängige Durchmischung, die zu verschiedenen Reaktionsregimes in verschiedenen Bereichen der Reaktionsflüssigkeit führen kann, andererseits durch hohe Scherkräfte, die an den Kanten der Rührerblätter sowie an von ihnen hervorgerufenen Kavitationen auftreten und beispielsweise sensible Zellen beschädigen können.

Dem Fachmann sind weiterhin Strömungsreaktoren mit Blasensäule sowie reine Blasensäulenreaktoren bekannt, bei denen die Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit entweder durch zirkulierendes Pumpen oder aber durch aufsteigende Blasen und die durch sie hervorgerufene Strömung erfolgt. Nachteilig sind diese Systeme durch die benötigten Pumpen und Begasungseinbauten deutlich komplexer aufgebaut als die geschüttelten Reaktionsgefäße und auch hier können sich Zonen inhomogener Durchmischung einstellen, die sich nachteilig auf den Erfolg des Reaktionsprozesses auswirken. Wie bei allen Reaktionsgefäßen mit Blasensäulenbegasung besteht auch hier ein deutlich erhöhtes Risiko für Schaumbildung, die die Stabilität von Produkten, Katalysatoren, Zellen sowie die allgemeinen Prozessbedingungen negativ beeinflussen kann.

Es sind zudem Verfahren und Vorrichtungen zum Resonanz-Akustischen-Mischen bekannt (vergl. Greta I. Reynoso-Cereceda et al., Shaken flasks by resonant acoustic mixing versus orbital mixing: Mass transfer coefficient kLa characterization and Escherichia coli cultures comparison, Biochemical Engineering Journal, Vol. 105, 2016, pp 379-390, https://doi.Org/10.1016/i.bei.2015.10.0151. Dabei werden mehrere Reaktionsgefäße mit der in ihnen enthaltenen Reaktionsflüssigkeit gemeinsam durch eine Agitatorplattform vertikal hin- und herbewegt, sodass es infolge der Trägheit der Reaktionsflüssigkeit zur Ablösung und Verteilung kleinster Tröpfchen im Kopfraum der Reaktionsgefäße kommt und somit sowohl hohe Durchmischungs- als auch Begasungsraten erreicht werden können. Vorteilhaft ist hier, analog zu den geschüttelten Systemen, dass mit geringem Aufwand und einfach handhabbaren Reaktionsgefäßen ein hoher Parallelisierungsgrad erreicht werden kann. Nachteilig ist jedoch, dass genau wie bei den geschüttelten Systemen die Einstellung jeweils individueller optimaler Prozessbedingungen hinsichtlich Durchmischung und Begasung nicht möglich ist. Weiterhin nachteilig ist die starke Zerstäubung der Reaktionsflüssigkeit, die zwar zu einer in einigen Fällen vorteilhaften Erhöhung der Begasungsrate der Reaktionsflüssigkeit führt, die jedoch auch immense Mengen an Schaum hervorrufen kann, der die Stabilität von Produkten, Katalysatoren, Zellen sowie die allgemeinen Prozessbedingungen negativ beeinflusst und darüber hinaus das Durchmischungs- und Begasungsverfahren an sich behindern kann, da er die Tröpfchenbildung im Kopfraum stört. Nachteilig kann dieser Schaum zudem bis zur Öffnung des Reaktionsgefäßes gelangen und entweder austreten oder aber dieses verschließen, sodass kein Gastransfer mehr zwischen Kopfraum und Umgebungsgasphase möglich ist.

Die DE 4019182 Al offenbart ein Verfahren zum Imprägnieren von Gewebeproben in Paraffin. An einem Arbeitsgefäß ist dabei ein Ultraschall-Erzeuger angeordnet, anhand dem die Gewebeprobe mit einer Ultraschall Energie beaufschlagt wird. Durch die Ultraschall-Energie des Ultraschall-Erzeugers soll die Temperatur eines Fixiermittels erhöht werden.

Somit sind keinerlei Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die geeignet sind, Reaktionsprozesse hochparallelisierbar unter individuell eingestellten, optimalen Bedingungen hinsichtlich Durchmischung und Begasung durchzuführen, ohne auf komplex konstruierte Vorrichtungen mit invasiven Einbauten oder schaumbildungsanfällige Verfahren zurückgreifen zu müssen.

Aufgabenstellung

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen Reaktionsprozesse individuell hinsichtlich ihrer Durchmischung und vorteilhaft hinsichtlich ihrer Begasung einstellbar sind, bei gleichzeitig hoher Parallelisierbarkeit, vorteilhaft reduzierter oder regelbarer Anfälligkeit gegen Schaumbildung und reduzierter Komplexität der einzusetzenden Verfahren und Vorrichtungen im Vergleich zum Stand der Technik. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur gezielten Einstellung der Durchmischung und/oder Begasung einer Reaktionsflüssigkeit während der Durchführung von Reaktionsprozessen,

Definitionen

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

Ein Reaktionsgefäß im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung und jedes Gefäß, das geeignet ist, Reaktionsflüssigkeit aufzunehmen oder aufzubewahren. Es kann offen oder geschlossen sein. Reaktionsgefäße im Sinne der Erfindung sind somit insbesondere aber nicht ausschließlich Schüttelkolben, Reaktionsröhrchen, Falcons, T-Flasks, Mikrotiterplatten, Shaking-Bags und Schüttelfässer jeglicher Geometrie, Materialzusammensetzung und Füllmenge.

Eine Reaktionsflüssigkeit im Sinne der Erfindung ist ein Fluid, in dem mindestens eine, für den jeweiligen Reaktionsprozess relevante Reaktion abläuft. Reaktionsflüssigkeiten im Sinne der Erfindung sind daher insbesondere aber nicht ausschließlich Kulturbrühen, Gemische aus Kulturmedium und Zellen, chemische oder biochemische Reaktionsgemische aus Lösungsmittel, Edukten, Katalysatoren und Produkten, sowie grundsätzlich alle Arten von Lösungen, Emulsionen, Dispersionen, Schlämmen, Suspensionen, Schäumen, oder Pulvergemischen mit Fluideigenschaften.

Der Kopfraum bezeichnet im Sinne der Erfindung denjenigen Teil des Innenvolumens eines Reaktionsgefäßes, der nicht mit Reaktionsflüssigkeit gefüllt ist. Er ist zumeist mit einer Gasphase gefüllt und kann somit insbesondere aber nicht ausschließlich Luft sowie jegliches zufällige oder wohldefinierte andere Gasgemisch oder Reingas enthalten, oder aber vollständig oder nahezu vollständig frei von Materie sein (Vakuum)

Das Innenvolumen bezeichnet im Sinne der Erfindung das innere Volumen eines Reaktionsgefäßes, welches durch das Reaktionsgefäß eingeschlossen wird. Im Falle von Reaktionsgefäßen mit mindestens einer Öffnung entspricht das Innenvolumen demjenigen inneren Volumen, das eingeschlossen würde, wenn jede vorhandene Öffnung mit einer kleinstmöglichen Fläche verschlossen wäre.

Eine Änderung des Innenvolumens oder der Form eines Reaktionsgefäßes liegt im Sinne der Erfindung genau dann vor, wenn die Innenvolumina oder die Formen eines Reaktionsgefäßes mindestens zweier betrachteter Zustände des Reaktionsgefäßes oder Zeitpunkte des Reaktionsprozesses nicht identisch sind.

Bewegungen der Reaktionsflüssigkeit im Sinne der Erfindung sind all jene Bewegungen, die geeignet sind, die Reaktionsflüssigkeit zu durchmischen oder den Durchmischungszustand der Reaktionsflüssigkeit aufrechtzuerhalten.

Gastransfer im Sinne der Erfindung bezeichnet jede erdenkliche Art des Transports mindestens eines Gases oder gasförmigen Moleküls zwischen zwei Orten im Raum. Gastransfer im Sinne der Erfindung erfolgt somit insbesondere aber nicht ausschließlich über Diffusion, Konvektion oder über Reaktionen wie Verdampfung, Sublimation, Kondensation, Solvatation, Desolvatation, Adsorption oder Desorption.

Ein Aktuator im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, die geeignet ist, eine Änderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes herbeizuführen. Aktuatoren wirken insbesondere aber nicht ausschließlich auf flexible Wände oder Wandbestandteile des Reaktionsgefäßes sowie auf beweglich gelagerte Komponenten des Reaktionsgefäßes. Aktuatoren im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich Heber, Arme, Drücker, Schieber, Achsen, Exzenter, Permanentmagnete, Temperierungselemente, Bimetallstreifen, hydraulische oder pneumatische Aktoren, Kurbeln, Schrauben, Flüssigkeiten und Piezokristalle.

Eine flexible Wand oder ein flexibler Wandbereich im Sinne der Erfindung ist jeder Wandbereich des Reaktionsgefäßes, der sich durch einen geeigneten Aktuator verformen, verschieben oder verdrehen lässt. Flexible Wände oder flexible Wandbereiche im Sinne der Erfindung sind insbesondere Wandbereiche aus flexiblen Polymeren, Gummi, Silikon, Gewebe, Vliese, Bleche oder Folien. Flexible Wände oder flexible Wandbereiche können Stützstrukturen aufweisen oder optisch transparente Fenster umfassen, um optischer Sensorik Zugang zur Reaktionsflüssigkeit im Reaktionsgefäß zu erlauben. Flexible Wände oder flexible Wandbereiche können Sensoren, insbesondere aber nicht ausschließlich mechanische, kapazitive, resistive, induktive, magnetische oder optische Sensoren enthalten oder umfassen, die eine Charakterisierung der Form und Verteilung sowie weiterer Parameter der Reaktionsflüssigkeit oder aber der flexiblen Wand selbst ermöglichen.

Ein Aktuatorantrieb im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, die geeignet ist, das erfindungsgemäße Wirken eines Aktuators hervorzurufen, zu vermitteln oder anzupassen. Aktuatorantriebe im Sinne der Erfindung sind insbesondere Motoren, Spulen, Elektromagnete, Pumpen, Heiz- und Kühlelemente sowie Spannungsquellen oder Stromquellen.

Eine Aktuatorsteuerung im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, die geeignet ist, erfindungsgemäße Aktuatoren oder Aktuatorantriebe zu konfigurieren, zu regeln oder anzupassen. Aktuatorsteuerungen sind häufig entweder analoge Regelketten oder Rechner, wobei letztere sämtliche, insbesondere elektronische, Vorrichtungen umfassen, die Daten (insbesondere arithmetische und logische) speichern und auf der Grundlage programmierbarer Vorschriften verarbeiten können. Als Rechner und damit auch als Aktuatorsteuerung im Sinne der Erfindung gelten insbesondere aber nicht ausschließlich Mikrocontroller, Mikroprozessoren, System-on-a-Chip Rechnern (SoC), PCs und Server sowie Netzwerke aus Rechnern.

Eine Sterilbarriere im Sinne der Erfindung ist eine gaspermeable Vorrichtung, welche insbesondere zur Vorbeugung, Reduktion oder vollständigen Unterbindung des Eindringens unerwünschter Zellen, Viren oder sonstiger Verschmutzungen in das Innere der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch mindestens eine Öffnung eingesetzt wird. Erfindungsgemäße Sterilbarrieren erlauben mindestens einen Gastransfer zwischen dem Kopfraum und der Umgebung oder der Reaktionsflüssigkeit und der Umgebung, insbesondere über Diffusion oder Konvektion. Sterilbarrieren im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich Sterilfilter, poröse Membranen (z.B. PTFE, Zellulose, hydrophil oder hydrophob, etc.), Wattestopfen oder -polster sowie offenporige Schäume aus Silikon, Polyurethan oder anderen Kunststoffen. Sterilbarrieren im Sinne der Erfindung werden zumeist mit der Wand des Reaktionsgefäßes verbunden, insbesondere aber nicht ausschließlich durch direktes Verkleben oder Verschweißen, sowie indirekt über geeignete Verschlusssysteme mit Schraub- oder Rastverschluss oder sonstige form- oder stoffschlüssige Verbindungen. Eine Fixierungsvorrichtung im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, die geeignet ist, mindestens ein Reaktionsgefäß an einer anderen Vorrichtung, insbesondere aber nicht ausschließlich an einem Tisch oder einer Schüttelplattform, zu befestigen. Fixierungsvorrichtungen stellen zwischen mindestens einem Reaktionsgefäß und mindestens einer weiteren Vorrichtung eine mechanisch belastbare Verbindung (insbesondere durch Form- oder Stoffschluss, Unterdrück sowie durch alle Arten des Klebens und der Adhäsion) her.

Lösung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionsprozessen, welches auf der Grundidee beruht, die Durchmischung des Reaktionsgemisches über eine prozessbegleitende Änderung des Innenvolumens des Reaktionsgefäßes und die damit einhergehende Bewegung der Reaktionsflüssigkeit zu realisieren. Die Lösung der Aufgabe erfolgt somit erfindungsgemäß insbesondere durch ein Verfahren zur Durchführung von Reaktionsprozessen, bei dem mindestens ein Reaktionsgefäß mit mindestens einer Reaktionsflüssigkeit befüllt ist und das Innenvolumen des Reaktionsgefäßes nicht zu jeder Zeit des Reaktionsprozesses vollständig durch mindestens eine Reaktionsflüssigkeit ausgefüllt ist, wobei das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das Innenvolumen des Reaktionsgefäßes im Verlaufe des Reaktionsprozesses eine Änderung erfährt, die eine Bewegung der mindestens einen Reaktionsflüssigkeit hervorruft

Erfindungsgemäß kann die Änderung des Innenvolumens auch mit einer Änderung der Form des Reaktionsgefäßes einhergehen. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dann an Reaktionsgefäßen mit mindestens einem flexiblen Bereich umsetzen, z.B. durch das Verformen, Verschieben oder Bewegen mindestens einer flexiblen Wand oder mindestens eines flexiblen Bereichs mindestens einer Wand des Reaktionsgefäßes.

In einer Ausgestaltung wird die Änderung des Innenvolumens gezielt zur Einstellung der

Durchmischung und/oder Begasung der Reaktionsflüssigkeit eingesetzt.

In einer Ausgestaltung kann das Innenvolumen um 5%, vorzugsweise zumindest 10%, weiter vorzugsweise zumindest 20% oder 50% verändert werden. In einer Ausgestaltung kann neben der Reaktionsflüssigkeit auch noch mindestens ein Kopfraum im Innenvorlumen vorgesehen sein, der insbesondere mit einer Gasphase befällt ist. Das Innenvolumen wird erfindungsgemäß derart verändert, dass das Volumen des Kopfraums um 5%, vorzugsweise zumindest 10%, weiter vorzugsweise zumindest 20% oder 50% verändert wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Änderungen des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes im Verlaufe des Reaktionsprozesses wiederholt, sodass sich beispielsweise durch kontinuierlich periodische Änderungen des Innenvolumens und die dadurch hervorgerufenen Bewegungen der Reaktionsflüssigkeit eine kontinuierliche Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit während des gesamten Reaktionsprozesses realisieren lässt.

Erfindungsgemäß kann die Änderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes im Verlaufe des Reaktionsprozesses angepasst werden, insbesondere aber nicht ausschließlich hinsichtlich ihrer Art und Weise, Intensität, Periodizität und Geschwindigkeit. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Anpassung der Änderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes und damit die Anpassung der Durchmischung der Reaktionsflüssigkeit in Rückkopplung auf den jeweils aktuellen Reaktionsprozesszustand. Erfindungsgemäß liefern geeignete Sensoren zur Erfassung und geeignete Modelle zur Abbildung und Beschreibung dieses Zustands die notwendigen Daten, um über einen Rechner mit geeigneter Regelungssoftware die Anpassung der Änderungen des Innenvolumens des Reaktionsgefäßes vorzunehmen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Änderung des Innenvolumens auch eine aktive und regelbare Begasung des Reaktionsprozesses durch Hervorrufung mindestens eines Gastransfers über mindestens eine Öffnung des Reaktionsgefäßes. Bei einer Vergrößerung des Innenvolumens kommt es dabei erfindungsgemäß zum Einströmen von Gas durch mindestens eine Öffnung des Reaktionsgefäßes, während bei einer Verkleinerung des Innenvolumens Gas aus dem Reaktionsgefäß durch mindestens eine Öffnung abgegeben wird.

In einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist mindestens eine Öffnung derart am Reaktionsgefäß angeordnet, dass der Gastransfer zwischen dem Kopfraum des Reaktionsgefäßes und der Umgebung stattfindet In anderen Ausführungsformen der Erfindung ist die Öffnung derart am Reaktionsgefäß angeordnet, dass der Gastransfer zwischen Reaktionsflüssigkeit und Umgebung stattfindet, sodass durch die entstehende Blasensäule eine erhöhte Begasung der Reaktionsflüssigkeit erreichbar ist

In einigen Ausführungsformen erfolgt der erfindungsgemäß durch die Änderung des Innenvolumens hervorgerufene Gastransfer durch mindestens zwei Öffnungen des Reaktionsgefäßes, wobei über mindestens eine Öffnung, die mit dem Kopfraum in Verbindung steht, das Ausströmen von Gas erfolgt, während über mindestens eine andere Öffnung, die mit der Reaktionsflüssigkeit in Verbindung steht, das Einströmen von Gas erfolgt

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Öffnung des Reaktionsgefäßes mit einer gaspermeablen Barriere verschlossen, sodass flüssige oder feste Stoffe nicht in den Innenraum des Reaktionsgefäßes gelangen oder aus ihm entweichen können. In einigen Ausführungen der Erfindung sind diese Barrieren als Sterilbarrieren ausgeführt, insbesondere aber nicht ausschließlich als Sterilfilter, Wattestopfen oder gaspermeable Membranen.

In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Größe oder Form mindestens einer Öffnung des Reaktionsgefäßes automatisch oder manuell angepasst werden, um die für den Gastransfer zur Verfügung stehende Fläche an die Erfordernisse des jeweiligen Reaktionsprozesses oder Reaktionsprozesszustands anzupassen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der Gastransfer zwischen Kopfraum und Reaktionsflüssigkeit durch die erfindungsgemäße Änderung der Größe und der Form des Innenvolumens insofern erhöht, als dass sich dadurch erfindungsgemäß größere mit Reaktionsflüssigkeitsfilmen benetzte Bereiche auf den Innenwänden des Reaktionsgefäßes ergeben, die durch die erhöhte Kontaktfläche mit der Gasphase des Kopfraums einen vorteilhaft erhöhten Gasaustausch ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Änderung des Innenvolumens des Reaktionsgefäßes oder seiner Form erfolgt je nach Ausführung der Erfindung durch verschiedene Bewegungen flexibler Wände des Reaktionsgefäßes, insbesondere aber nicht ausschließlich durch Auf-und-Ab- oder Hin-und-Her- Bewegungen oder durch rollende, gleitende oder massierende Bewegungen. In einigen Ausführungen der Erfindung umfasst das Reaktionsgefäß einen flexiblen Boden, der durch einen Aktuator auf und ab bewegt wird. Dieser Aktuator kann insbesondere aber nicht ausschließlich als Permanentmagnet oder als Elektromagnet ausgeführt sein, welcher durch ein externes magnetisches Feld bewegt wird.

In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die das Innenvolumen ändernde Bewegung oder Verformung mindestens einer Wand vollständig aktiv durch Aktuatoren. In anderen Ausführungen der Erfindung wird nur ein Teil der Bewegung aktiv durch mindestens einen Aktuator verursacht, während der verbleibende Teil, insbesondere die Rückbewegung, durch die Elastizität der Wand selbst oder an ihr angebrachter und auf sie wirkender Federelemente verursacht wird.

In einigen Ausgestaltungen der Erfindung wird mindestens ein Reaktionsgefäß mitsamt der in ihm enthaltenen Reaktionsflüssigkeit prozessbegleitend geschüttelt, um eine Grunddurchmischung zu erzielen, die dann unter Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens individuell, je nach Anforderungen des jeweiligen Reaktionsprozesses, angepasst wird.

In einigen Ausgestaltungen der Erfindung werden zudem Aktuatoren, welche zur Verformung des Reaktionsgefäßes geeignet sind, genutzt, um insbesondere durch Verformung des Bodens oder der Seitenwände des Reaktionsgefäßes einstellbare Strömungshindernisse zu generieren, die die Turbulenz und Stärke der Durchmischung einstellen können.

Erfindungsgemäß wird die Veränderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes durch einen oder durch mehrere Aktuatoren aktiv durchgeführt. Erfindungsgemäß kann die Veränderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes auch passiv durch Elastizitätsgradienten oder diskrete Elastizitätsunterschiede in den Wänden eines geschüttelten Reaktionsgefäßes hervorgerufen werden.

In einigen Ausführungen der Erfindung wird die zur Bewegung der Reaktionsflüssigkeit mittels Änderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes notwendige Energie überwacht, bilanziert und genutzt, um insbesondere aber nicht ausschließlich Änderungen der Masse oder der Viskosität der Reaktionsflüssigkeit zu detektieren und die Bedingungen des Reaktionsprozesses entsprechend anzupassen. In einigen Ausführungen der Erfindung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung im Allgemeinen oder das Reaktionsgefäß im Besonderen geeignete Sensorik, um die Durchmischung, Begasung und weitere essentielle Prozessparameter des in der Reaktionsflüssigkeit ablaufenden Prozesses erfassen und die Prozessregelung einfließen lassen zu können. Insbesondere können an oder in elastisch verformbaren Bereichen des Reaktionsgefäßes resistive oder kapazitive Dehnungsmessstreifen angebracht sein, die eine Beurteilung der Form, Verteilung und Masse der Reaktionsflüssigkeit über die Form des Reaktionsgefäßes ermöglichen. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann somit die Änderung des Innenvolumens oder der Form des Reaktionsgefäßes im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens im Verlaufe eines jeden Reaktionsprozesses auf dessen jeweils aktuelle Erfordernisse angepasst werden.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert Auf Bezugszeichen in den Figuren, welche Komponenten der Erfindung bezeichnen, die bereits in der gleichen Figur oder aber in einer anderen Figur unter gleichen Umständen oder gleicher Darstellung verwendet wurden, wird teilweise verzichtet, um die Klarheit und Übersichtlichkeit der Figuren zu erhalten. Graphische Elemente ohne Bezugszeichen sind daher unter Beachtung der Bezugszeichenliste, der anderen Figuren, der bezeichneten Darstellungen innerhalb derselben Figur, der Musterung oder Strukturierung bereits bezeichneter graphischer Elemente sowie unter Hinzuziehung der gesamten Beschreibung und der Ansprüche zu interpretieren.

Ausführungsbeispiele und Figuren

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Änderung der Form des Reaktionsgefäßes.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Gastransfer.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit magnetischem Aktuator.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dazu ist ein Reaktionsgefäß 1 mit mindestens einer Reaktionsflüssigkeit 2 befüllt, welche im Verlaufe des Reaktionsprozesses zu durchmischen ist Die Reaktionsflüssigkeit 2 füllt jedoch das Reaktionsgefäß 1 nicht zu jedem Zeitpunkt des Reaktionsprozesses vollständig aus, sondern im Reaktionsgefäß 1 existiert zumindest zeitweilig ein Kopfraum 3, in dem sich keine Reaktionsflüssigkeit 2 befindet, sondern der üblicherweise mit einer Gasphase, insbesondere aber nicht ausschließlich Luft, gefüllt ist. Das gesamte Innenvolumen 4 des Reaktionsgefäßes 1 umfasst somit sämtliche Bereiche des Reaktionsgefäßes 1, die mit Reaktionsflüssigkeit 2 befüllt sind oder die Teil des Kopfraums 3 sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich aus durch mindestens eine Änderung 5 des Innenvolumens 4 des Reaktionsgefäßes 1, wobei die Änderung 5 eine Bewegung 6 der Reaktionsflüssigkeit 2 und damit deren Durchmischung hervorruft

In einigen Ausführungen der Erfindung umfasst das Innenvolumen 4 während des gesamten Reaktionsprozesses mindestens einen Kopfraum 3, dessen Gasphase durch erfindungsgemäße Änderungen 5 des Innenvolumens 4 komprimiert oder dekomprimiert werden kann.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung existieren, wie in Figur 1 dargestellt, zumindest zwei unterschiedliche Grenzzustände des Innenvolumens 4, zwischen denen sämtliche Innenvolumenänderungen 5 periodisch kontinuierlich ablaufen, sodass die Reaktionsflüssigkeit 2 während des gesamten Reaktionsprozesses Bewegungen 6 ausführt und somit kontinuierlich durchmischt wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Bildung eines Reaktionsflüssigkeitsfilms 17 auf der Differenzfläche der unterschiedlichen Grenzzustände des Innenvolumens 4. Dieser Reaktionsflüssigkeitsfilm 17 entsteht erfindungsgemäß durch die Anhaftung der Reaktionsflüssigkeit 2 an den Innenwänden des Reaktionsgefäßes 1. Er kann vorteilhaft den Gasaustausch zwischen Kopfraum 3 und Reaktionsflüssigkeit 2 erhöhen. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens wie in Figur 1, jedoch zusätzlich zur Änderung 5 des Innenvolumens 4 mit einer Änderung der Form des Reaktionsgefäßes 1. Vorteilhaft lassen sich dadurch die erfindungsgemäßen Bewegungen 6 der Reaktionsflüssigkeit 2 verstärken oder gezielt lenken und beeinflussen. So kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung durch gezielte Verformung des Reaktionsgefäßes 1 die Ausbildung inhomogen durchmischter Bereiche in der Reaktionsflüssigkeit 2 vermieden werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt auch die Verformung des Reaktionsgefäßes 1 periodisch kontinuierlich, sodass die Reaktionsflüssigkeit 2 während des gesamten Reaktionsprozesses Bewegungen 6 ausführt und somit kontinuierlich durchmischt wird.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Verformung des Reaktionsgefäßes 1 wie in Figur 2, wobei das Reaktionsgefäß 1 hier noch eine Öffnung 7 umfasst. Erfindungsgemäß rufen Änderungen 5 des Innenvolumens 4 des Reaktionsgefäßes 1 Druckänderungen im Kopfraum 3 hervor, die, wie in Figur 3 dargestellt, zu einem Gastransfer 8 über die Öffnung 7 des Reaktionsgefäßes 1 führen.

Erfindungsgemäß führen somit Vergrößerungen des Innenvolumens 4 zum Einströmen von Gasen in das Reaktionsgefäß 1 und Verkleinerungen des Innenvolumens 4 zum Ausströmen von Gasen aus dem Reaktionsgefäß 1. Erfindungsgemäß kann somit über eine Anpassung der Änderung 5 des Innenvolumens 4 des Reaktionsgefäßes 1 auch die Intensität und Geschwindigkeit des Gastransfers 8 und damit der Begasung der Reaktionsflüssigkeit 2 angepasst und nach den Erfordernissen des in ihr ablaufenden Reaktionsprozesses geregelt werden.

Dabei kann die Änderung des Innenvolumens beträchtlich sein, um die gewünschte Begasung und/oder Durchmischung zu erreichen. Eine Änderung des Innenvolumens um mehr als 5%, auch mehr als 50% sind möglich. Auch eine Änderung des Volumens des Kopfraumes um dieses Ausmaß ist möglich.

Vorteilhaft ergibt sich aus dieser Art der Begasung ein oszillierendes Begasungsverfahren ähnlich der menschlichen Atmung. Dabei wird die Bildung von Schäumen vermieden aber gleichzeitig erfolgt im Vergleich zu passiv begasten Schüttelreaktionen ein deutlich effizienterer aktiver Gasaustausch zwischen dem Kopfraum 3 und der Umgebung des Reaktionsgefäßes 1. Zudem ergibt sich durch die Unterteilung in die mindestens zwei dargestellten Zustände mit großem und kleinerem Kopfraumvolumen vorteilhaft ein zweiphasiges Gasaustauschverfahren, bei dem in der Einströmungsphase (links) durch die gleichzeitige erfindungsgemäße Bildung eines Reaktionsflüssigkeitsfilms 17 eine große Oberfläche zum Gasaustausch zwischen Kopfraum 3 und Reaktionsflüssigkeit 2 zur Verfügung steht, während die Ausströmungsphase (rechts) mit einem Gasgemisch erfolgt, das beispielsweise Sauerstoff an die Reaktionsflüssigkeit 2 abgegeben und Kohlenstoffdioxid aus dieser aufgenommen hat Auch hier verhält sich das erfindungsgemäße Verfahren analog zur menschlichen Atmung.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst ein Reaktionsgefäß 1, das mit einer Reaktionsflüssigkeit 2 befüllt ist. Das Reaktionsgefäß 1 umfasst weiterhin einen Kopfraum 3. Dieser füllt zusammen mit der Reaktionsflüssigkeit 2 das Innenvolumen 4 des Reaktionsgefäßes 1 aus. Mindestens eine Wand oder mindestens ein Teil mindestens einer Wand des Reaktionsgefäßes 1 ist flexibel ausgeführt, hier als flexible Wand 10. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist diese flexible Wand 10 zumindest zeitweilig in Kontakt mit mindestens einem Aktuator 9, durch den die flexible Wand 10 verschoben oder verformt wird, um die erfindungsgemäße Änderung 5 des Innenvolumens 4 oder der Form des Reaktionsgefäßes 1 und damit die zur Durchmischung notwendige Bewegung 6 der Reaktionsflüssigkeit 2 herzurufen.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit magnetischem Aktuator 9. Das Reaktionsgefäß 1 ist in Anlehnung an einen Erlenmeyerkolben ausgeführt und mit Reaktionsflüssigkeit 2 befüllt Die Ausführung des Bodens des Reaktionsgefäßes 1 als flexible Wand

10 erlaubt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als Aktuator 9 ist ein Permanentmagnet fest mit der flexiblen Wand 10 verbunden. Dieser Aktuator 9 wird über eine, mittels Aktuatorsteuerung 12 schalt- und regelbare, stromdurchflossene Spule als Aktuatorantrieb

11 und das durch sie hervorgerufene, schaltbare externe Magnetfeld 13 auf und ab bewegt Dadurch wird die Form und Ausdehnung der flexiblen Wand 10 und somit das Innenvolumen 4 und die Form des Reaktionsgefäßes 1 erfindungsgemäß verändert, sodass es zu einer durchmischenden Bewegung 6 der Reaktionsflüssigkeit 2 sowie zur Ausbildung des Gasaustausch-begünstigenden Reaktionsflüssigkeitsfilms 17 kommt

Das dargestellte Reaktionsgefäß 1 verfügt zudem über eine Öffnung 7, durch die, wie bereits für Figur 3 beschrieben, der erfindungsgemäße Gastransfer 8 zwischen dem Kopfraum 3 und der Umgebung des Reaktionsgefäßes 1 erfolgt. Die Öffnung 7 ist mit einer gaspermeablen Sterilbarriere 14 verschlossen, die Verunreinigungen der Reaktionsflüssigkeit 2 verhindert

Am Reaktionsgefäß 1 befinden sich zudem Fixierungsvorrichtungen 15, die eine Befestigung des Reaktionsgefäßes 1 auf einer Schüttelplattform erlauben, um eine Grunddurchmischung der Reaktionsflüssigkeit 2 mittels Schütteins zu erreichen.

Weiterhin befinden sich an oder in der flexiblen Wand 10 kapazitive oder resistive Dehnungsmessstreifen 16, um die Masse, Form und Verteilung der Reaktionsflüssigkeit 2 während des Reaktionsprozesses zu erfassen. Diese Daten können vorteilhaft in die Regelung und Ansteuerung des Aktuatorantriebs 11 über die Aktuatorsteuerung 12 und damit in die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens integriert werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung mit Schüttelbetrieb sind der Aktuatorantrieb 11, die Aktuatorsteuerung 12 sowie die zur Erfassung und Analyse der Daten der Dehnungsmessstreifen 16 notwendigen elektrischen Schaltungen und Rechner in die Schüttelplattform integriert, auf der das Reaktionsgefäß 1 mittels der Fixierungsvorrichtungen 15 befestigt ist.

Bezugszeichenliste

Zur jeweiligen Interpretation der Bezugszeichen sind Beschreibung und Ansprüche zu beachten.