Miniaturisierte Kultivierungssysteme mit einem hohen Maß an integrierter Sensorik und Kontrollmöglichkeit haben sich als leistungsfähige Werkzeuge in der Entwicklung moderner Bioprozesse erwiesen. Besonders Tropfen-basierte Mikrobioreaktorsysteme (tMBR) eröffnen weitreichende Möglichkeiten zur parallelisierten Kultivierung von Zellen im Hochdurchsatzverfahren bei geringem Probeneinsatz. Das abgeschlossene Fluidelement eines Flüssigkeitstropfens wird dabei genutzt, um eine Kompartimentierung zu erzeugen und separate biologische Prozesse durchzuführen. Im Gegensatz zur Tropfen-basierten Mikrofluidik mit kontinuierlicher Fluidförderung, ermöglichen Kultivierungssysteme mit sessilen Tropfen eine erhöhte Flexibilität in der Fluidhandhabung sowie eine Integration von kontinuierlicher online-Analytik. Allerdings bergen das Aufrechterhalten einer optimalen Kultivierungsumgebung als auch die Förderung von Zellwachstum in einem Flüssigkeitstropfen inhärente Herausforderungen, besonders in Bezug auf Stofftransport und Verdunstung.
Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Tropfen-basierten Kultivierungssystems zur Kultivierung und Untersuchung von Zellen. Durch die Implementierung einer aktiven Mischtechnik und umfangreicher Sensorik wurde ein leistungsfähiges Kultivierungssystem entwickelt, das als analytisches Werkzeug für biopharmazeutische Applikationen eingesetzt werden kann. Aktive Durchmischung und Stofftransport wurden durch die Anregung von Kapillarwellen auf der Tropfenoberfläche mittels vertikaler Oszillation erzeugt. So kann der gesamte Reaktorinhalt innerhalb von 3 s homogenisiert und kLa-Werte von bis zu 345 h-1 erzeugt werden, ohne bewegte Mischelemente in den Reaktionsraum zu integrieren. Die Flüssigkeitstropfen sind dabei in einen Glas-Chip eingebettet, der für eine definierte Tropfenform und die Integration optischer Sensoren sorgt. Das hohe Potential des entwickelten Tropfen-basierten Mikrorektorsystems, das aufgrund der eingesetzten Mischtechnik als capillary wave microbioreactor (cwMBR) bezeichnet wird, wurde in einem proof-of-concept durch die Kultivierung von Escherichia coli und Chinese Hamster Ovary Zellen gezeigt.
Aktualisiert: 2023-01-01
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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden numerische Berechnungen an drei verschiedenen idealisierten, mikrostrukturierten Bauteilen (T-Mischer, Interdigitalmischer/-reaktor) durchgeführt, die einen Einblick in das Strömungsverhalten von Fluiden innerhalb dieser Bauteile gewähren. Dabei wurde ein besonderes Augenmerk auf jene inneren Strukturen eines Bauteils gelegt, an denen sich Sekundärströmungen ausbilden, da diese Sekundärströmungen zu einer Erhöhung der volumenspezifischen Energiedissipation in das System führen.
Um die verbesserte Mischleistung innerhalb eines mikrostrukturierten Bauteils zu erfassen, wurde in der vorliegenden Arbeit die Turbulente Kinetische Energie (TKE) als Indikator für die Mischleistung eingeführt. Es konnte gezeigt werden, dass höhere Strömungsgeschwindigkeiten und niedrigere Viskositäten in den Simulationen zu höheren TKEs führen. Dies korrespondiert eindrucksvoll mit den experimentellen Mischgütebestimmungen, bei denen eine analoge Variation der genannten Einflussgrößen zu einer verbesserten Mischleistung führt.
Insbesondere in Einlaufzonen, Winkeln und Verengungen konnten hohe Anstiege der TKE beobachtet werden, was den Schluss nahelegt, dass diese Bereiche besonders stark zur Mischleistung beitragen.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von Flüssig-Flüssig-Pfropfenströmungen zum Erreichen hoher Stoffübergangsraten zur Prozessintensivierung, auch für stofftransportlimitierte Systeme, wurde mittels Experimenten und numerischen Verfahren untersucht.
Zum Einsatz bei der Charakterisierung der Phänomene in den Mikrokanälen kamen dabei fluoreszenzmikroskopische Systeme. Zuerst wurde dabei die Verweilzeitverteilung von zweiphasigen Stoffsystemen bestimmt, indem, ausgehend von Messungen in einphasigen Systemen, ein durch Photolyse mit einem Laser aktivierbarer Tracer eingesetzt wurde. Des Weiteren wurde in einem nächsten Schritt der Anteil der Dispersion über den Wandfilm der kontinuierlichen Phase quantifiziert. Abschließend wurde der Stofftransport über die Phasengrenzfläche in situ im Kanal verfolgt indem ein Chelat eingesetzt wurde, der nur nach Stoffübergang von der wässrigen Phase in die organische Phase fluoreszierte.
Darüber hinaus wurden im Labormaßstab verschiedene Bauteile, sowohl zum Erzeugen von Pfropfenströmungen als auch für die Phasentrennung, untersucht wobei der Fokus vor allem auf dem Aufbau eines robust betreibbaren Extraktionsmoduls lag. Die gemessenen Stofftransportraten wurden in Relation zu den Betriebsparametern wie Strömungsgeschwindigkeit und Pfropfenlänge gesetzt. Ausgehend von den einstufigen Untersuchungen wurde dann in einer zweistufigen Extraktion im Gegen- bzw. Gleichstrom die Anwendbarkeit bei mehrstufigen Trennaufgaben gezeigt.
Aktualisiert: 2020-12-26
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Eine sich zunehmend etablierende Strategie der Prozessintensivierung, sowohl für die Synthese von chemischen Produkten als auch für die Aufarbeitungsschritte, stellt die Miniaturisierung von verfahrenstechnischen Apparaten dar. Durch die massive Reduzierung der Apparateabmessungen erhöhen sich die spezifischen Flächen und hierdurch werden Wärmetransport-, Stofftransport- und Mischvorgänge intensiviert. Zur Erschließung industrieller Produktionsmaßstäbe kann eine Skalierung durch Maßstabsänderung bzw. das klassische Scale-up nicht zur Anwendung kommen, da die abmessungsbedingten Vorteile verloren gingen. In der Mikroverfahrenstechnik ist die Strategie der Durchsatzsteigerung eine Vervielfältigung des Einzelsystems. Während das Numbering-up von einphasigen Systemen Stand der Technik ist, ist die Parallelisierung von mehrphasigen Reaktionssystemen eine große Herausforderung.
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines Konzeptes zur Kapazitätssteigerung von reaktiven mehrphasigen Pfropfenströmungen in Mikrokanalreaktoren. In einer Modellierung und Analyse des Druckverlustverhaltens von mehrphasigen reaktiven Systemen werden multiple Betriebszustände aufgezeigt, die aus der Wechselwirkung zwischen Reaktion und der besonderen Fluiddynamik resultieren. Diese Analyse argumentiert somit für ein aktives Mess- und Regelkonzept für jeden einzelnen Kanal innerhalb einer Parallelisierungsstruktur.
Die in dieser Arbeit entwickelte, nicht-invasive Mess- und Aktortechnik zur Detektion und Einstellung der mehrphasigen Pfropfenströmungsparameter ermöglicht eine vollständige Prozesskontrolle.
Die Skalierung dieses Konzeptes, durch Parallelisierung, stellt eine wirtschaftliche Durchsatzsteigerung in industrielle Maßstäbe in Aussicht und ist somit ein fundamentaler Beitrag zur Etablierung der Mikroverfahrenstechnik als Mittel zur Intensivierung von chemischen und biochemischen Prozessen.
Aktualisiert: 2019-12-27
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Im Zuge der Intensivierung chemischer Prozesse wird derzeit, besonders im Umfeld der Reaktionstechnik, ein Forschungsschwerpunkt in der miniaturisierten Verfahrenstechnik gesehen. In der Regel werden dabei Rohrreaktoren mit Abmessungen im Bereich von mehreren hundert Mikrometern bis hin zu einigen Millimetern eingesetzt, wodurch sich das Oberflächen-zu-Volumenverhältnis vergrößert. Dies ermöglicht einen intensiven Stoffaustausch, kurze Verweilzeiten und einen effektiven Wärmetransport. Aufgrund dieser Vorteile stehen auch thermische Trennverfahren wie die Destillation, Absorption oder Flüssig-Flüssig Extraktion immer stärker im Fokus ähnlicher Bemühungen.
Die vorliegende Arbeit stellt einen Ansatz dar, die Entwicklung und Charakterisierung miniaturisierter Flüssig-Flüssig Extraktoren zu systematisieren. Dazu wird ein Konzept betrachtet, das zunächst die experimentelle Vermessung von Prototypen hinsichtlich wesentlicher Leistungsdaten wie Stufenwirkungsgrad, Druckverlust, Fluiddynamik und Phasenseparation in den Vordergrund stellt. Einige der durch die Experimente erhaltenen Daten werden im Anschluss für die thermodynamische Simulation der Vorgänge in dem Extraktor verwendet und sollen in einem nächsten Schritt die Optimierung des Apparates und der Betriebsparameter ermöglichen. Die Prototypen müssen dabei industrielle Randbedingungen wie Feststoffanteile, geringe Fertigungskosten und eine einfache Handhabung erfüllen.
Aktualisiert: 2019-12-12
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