DE102023111143A1 - METHOD AND DEVICE FOR MONITORING THE CONTENTS OF MIXED REACTORS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren. Sie ist insbesondere anwendbar zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit hohen Ansprüchen an Sterilität und Reinheit sowie in Applikationen mit Reaktoren komplexer Geometrie oder geringer Größe und damit einhergehend begrenzter Zugänglichkeit für Messgeräte. Anwendungen der Erfindung finden sich somit beispielsweise in der Prozessüberwachung von Zellkulturen oder chemischen Reaktionen, von Aufarbeitungs-, Aufreinigungs- und Formulierungsprozessen pharmazeutischer, biologischer oder chemischer Produkte sowie in der Überwachung von Lagerungsprozessen.Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit Sensoren im Inneren des Reaktors robust und einfach in der Handhabung erfolgen kann, bei gleichzeitig guter Skalierbarkeit in große und kleine Reaktorvolumina sowie mit der Möglichkeit zur Erfassung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts.Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren, wobei der Reaktorinhalt mindestens eine zu überwachende Eigenschaft aufweist und die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente beeinflusst und das mindestens eine Signal der mindestens einen sensorischen Komponente durch mindestens eine Messanordnung erfasst wird, durch ein Verfahren, bei dem mindestens ein Sensor, der die mindestens eine sensorische Komponente enthält, nicht ortsfest ist und sich im Reaktor bewegt, sodass sich der mindestens eine Sensor nicht permanent im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet und mindestens eine Erfassung des mindestens einen Signals der mindestens einen sensorischen Komponente durch die mindestens eine Messanordnung erfolgt, während sich der mindestens eine Sensor im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet.The invention relates to a method and a device for monitoring the contents of mixed reactors. It is particularly applicable for monitoring the contents of mixed reactors with high demands on sterility and purity as well as in applications with reactors of complex geometry or small size and thus limited accessibility for measuring devices. Applications of the invention can thus be found, for example, in the process monitoring of cell cultures or chemical reactions, of processing, purification and formulation processes of pharmaceutical, biological or chemical products, and in the monitoring of storage processes.The object of the present invention is to provide a method by means of which the monitoring of the contents of mixed reactors with sensors inside the reactor can be carried out in a robust and easy-to-use manner, while at the same time being easy to scale to large and small reactor volumes and with the possibility of recording several properties of the reactor contents.According to the invention, the solution to the problem of monitoring the contents of mixed reactors, wherein the reactor contents have at least one property to be monitored and the at least one property to be monitored influences at least one signal of at least one sensory component and the at least one signal of the at least one sensory component is recorded by at least one measuring arrangement, is achieved by a method in which at least one sensor containing the at least one sensory component is not stationary and moves in the reactor, so that the at least one sensor is not permanently in the detection range of the at least one measuring arrangement and at least one recording of the at least one Signal of the at least one sensory component is transmitted by the at least one measuring arrangement, while the at least one sensor is located in the detection range of the at least one measuring arrangement.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren. Sie ist insbesondere anwendbar zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit hohen Ansprüchen an Sterilität und Reinheit sowie in Applikationen mit Reaktoren komplexer Geometrie oder geringer Größe und damit einhergehend begrenzter Zugänglichkeit für Messgeräte. Anwendungen der Erfindung finden sich somit beispielsweise in der Prozessüberwachung von Zellkulturen oder chemischen Reaktionen, von Aufarbeitungs-, Aufreinigungs- und Formulierungsprozessen pharmazeutischer, biologischer oder chemischer Produkte sowie in der Überwachung von Lagerungsprozessen.The invention relates to a method and a device for monitoring the contents of mixed reactors. It is particularly applicable for monitoring the contents of mixed reactors with high demands on sterility and purity as well as in applications with reactors of complex geometry or small size and thus limited accessibility for measuring devices. Applications of the invention can thus be found, for example, in the process monitoring of cell cultures or chemical reactions, of processing, purification and formulation processes of pharmaceutical, biological or chemical products as well as in the monitoring of storage processes.
Durchmischte Reaktoren kommen in vielen Bereichen der chemischen, biologischen und biotechnologischen Industrie und Forschung zum Einsatz, insbesondere zur Durchführung chemischer oder biochemischer Reaktionen und Synthesen, zur Kultivierung lebender Zellen, zur Aufarbeitung, Aufreinigung und Formulierung pharmazeutischer, biologischer oder chemischer Produkte sowie zur Lagerung verschiedenster Bestandteile solcher Prozesse. Der Inhalt durchmischter Reaktoren wird dabei insbesondere zum Zwecke der Forschung, Prozessentwicklung und -optimierung, Prozesskontrolle und -regelung sowie zur Charakterisierung und Qualitätssicherung überwacht, wobei verschiedene Eigenschaften des Reaktorinhalts oder deren Korrelate mittels geeigneter Sensoren und Messanordnungen erfasst und oftmals über die Prozessdauer aufgezeichnet werden.Mixed reactors are used in many areas of the chemical, biological and biotechnological industry and research, in particular for carrying out chemical or biochemical reactions and syntheses, for cultivating living cells, for processing, purifying and formulating pharmaceutical, biological or chemical products and for storing various components of such processes. The contents of mixed reactors are monitored in particular for the purposes of research, process development and optimization, process control and regulation as well as for characterization and quality assurance, whereby various properties of the reactor contents or their correlates are recorded using suitable sensors and measuring arrangements and often recorded over the duration of the process.
Häufig erfordert die Erfassung bestimmter Eigenschaften des Reaktorinhalts den Einsatz mehrstufiger Messketten, da die zu überwachenden Eigenschaften nicht direkt als elektronisch erfassbares Signal, beispielsweise als elektromagnetische Welle, elektrische Spannung oder elektrischer Strom vorliegen. Vielmehr kommen daher Sensoren zum Einsatz, die mindestens eine sensorische Komponente enthalten, welche Bestandteil mindestes eines im Inneren des Reaktors befindlichen Sensors ist, der auf die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts reagiert und in Abhängigkeit dessen sowie möglicherweise über Zwischenschritte weiterer sensorischer Komponenten ein durch eine geeignete Messanordnung erfassbares Signal erzeugt. Dem Fachmann sind hierzu vielfältige Ansätze bekannt, insbesondere aber nicht ausschließlich die sensorische Nutzung der Abhängigkeit optisch erfassbarer Eigenschaften (z.B. Absorptions- und Emissionsspektren, Lumineszenzlebensdauern, Quantenausbeuten, Polarisationsverhalten, Plasmonenresonanz) geeigneter Farbstoffe von den Eigenschaften des Reaktorinhalts (z.B. pH, Temperatur, Sauerstoffsättigung, Substrat-, Metabolit- und Produktkonzentrationen). Auch die Verbindung solcher Farbstoffe oder anderweitiger messtechnisch erfassbarer sensorischer Komponenten mit sensorischen Komponenten (z.B. Enzyme, Aptamere, Antikörper), die nicht direkt durch eine geeignete Messanordnung erfassbar sind, sondern beispielsweise über Nebenprodukte, Co-Substrate (z.B. Protonen als pH, Sauerstoff), Dissoziations- und Assoziationsreaktionen oder Konformationsänderungen eine messtechnisch erfassbare sensorische Komponente beeinflussen, sind dem Fachmann bekannt.The detection of certain properties of the reactor contents often requires the use of multi-stage measuring chains, since the properties to be monitored are not directly present as an electronically detectable signal, for example as an electromagnetic wave, electrical voltage or electrical current. Instead, sensors are used that contain at least one sensory component, which is part of at least one sensor located inside the reactor, which reacts to the property of the reactor contents to be monitored and, depending on this and possibly via intermediate steps of other sensory components, generates a signal that can be detected by a suitable measuring arrangement. The person skilled in the art is aware of a wide variety of approaches to this, in particular but not exclusively the sensory use of the dependence of optically detectable properties (e.g. absorption and emission spectra, luminescence lifetimes, quantum yields, polarization behavior, plasmon resonance) of suitable dyes on the properties of the reactor contents (e.g. pH, temperature, oxygen saturation, substrate, metabolite and product concentrations). The combination of such dyes or other sensory components that can be measured using a measuring technique with sensory components (e.g. enzymes, aptamers, antibodies) that cannot be directly measured using a suitable measuring arrangement, but that influence a sensory component that can be measured using a measuring technique, for example via by-products, co-substrates (e.g. protons as pH, oxygen), dissociation and association reactions or conformational changes, are also known to the person skilled in the art.
Die Kombination geeigneter Sensoren und Messanordnungen ermöglicht daher grundsätzlich die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren, wobei die zu überwachenden Eigenschaften durch geeignete Sensoren im Inneren des Reaktors in ein durch die Messanordnung elektronisch erfassbares Signal umgewandelt werden. Sofern der Reaktorinhalt aus mehreren Phasen besteht (beispielsweise flüssiges oder flüssigkeitsartiges Reaktionsgemisch und darüberliegende Gasphase im Kopfraum des Reaktors), ist dabei in der Anwendung häufig die Überwachung der Eigenschaften einzelner Phasen von Bedeutung (beispielsweise Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgemisch, Sauerstoffkonzentration in der Gasphase des Kopfraums).The combination of suitable sensors and measuring arrangements therefore basically enables the monitoring of the contents of mixed reactors, whereby the properties to be monitored are converted by suitable sensors inside the reactor into a signal that can be electronically recorded by the measuring arrangement. If the reactor contents consist of several phases (for example liquid or liquid-like reaction mixture and the overlying gas phase in the head space of the reactor), monitoring the properties of individual phases is often important in the application (for example oxygen concentration in the reaction mixture, oxygen concentration in the gas phase of the head space).
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, welche die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren ermöglichen, indem sie mindestens eine sensorische Komponente umfassen, welche Bestandteil mindestes eines im Inneren des Reaktors befindlichen Sensors ist und auf die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts reagiert sowie in Abhängigkeit dessen ein durch eine geeignete Messanordnung erfassbares Signal erzeugt.Methods and devices are known from the prior art which enable the monitoring of the contents of mixed reactors by comprising at least one sensory component which is part of at least one sensor located inside the reactor and reacts to the property of the reactor content to be monitored and, depending on this, generates a signal which can be detected by a suitable measuring arrangement.
Eine Übersicht des Stands der Technik für die Überwachung der Sauerstoffkonzentration im Reaktorinhalt bietet der Review-Artikel von
Eine vergleichbare Übersicht für die Überwachung des pH im Reaktorinhalt bietet der Review-Artikel
Weitere vergleichbare oder davon abgeleitete Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung anderer Eigenschaften des Reaktorinhalts sind dem Fachmann aus der Fachliteratur bekannt.Other comparable or derived methods and devices for monitoring other properties of the reactor contents are known to the person skilled in the art from the specialist literature.
Die oben genannten Übersichtsartikel beschreiben die Nutzung optisch erfassbarer sensorischer Komponenten, wobei sich mindestens eine ihrer optischen Eigenschaften in Abhängigkeit der zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts (beispielsweise pH oder Sauerstoffkonzentration) ändert. Die optische Erfassung erfolgt über geeignete Messanordnungen, die üblicherweise über mindestens eine Lichtquelle und mindestens einen Lichtdetektor verfügen. Die beiden Übersichtsartikel offenbaren verschiedene Sensorformate und damit einhergehende Konzepte und Ausführungen der optischen Messanordnungen. Es werden schichtartige Sensorformate offenbart, die auf die Innenseite der Reaktorwand, auf die Innenseite optischer Fenster von Immersionssonden, oder auf optische Fasern und andere totalreflektierende Lichtleiter mit Kontakt zum Reaktorinhalt aufgebracht werden. Die zugehörige Messanordnung befindet sich im optischen Kontakt mit den Sensoren und den in ihnen enthaltenen sensorischen Komponenten. Weiterhin werden mikro- und nanopartikuläre Sensorformate offenbart. In einigen Ausführungen werden diese Partikel in Polymere eingebettet und vergleichbar zu den vorgenannten schichtartigen Sensoren ortsfest auf der Innenseite des Reaktors aufgebracht, mit ebenfalls ortsfester zugehöriger optischer Messanordnung. In anderen Ausführungen werden diese Partikel dem Reaktorinhalt zugegeben und entweder durch magnetische Wechselwirkungen lokal im optischen Sichtfeld der Messanordnung konzentriert, oder aber in derart hoher Konzentration zugegeben, dass eine solche magnetische Aufkonzentrierung zur Erzielung hinreichend starker optischer Signale nicht erforderlich ist.The above-mentioned review articles describe the use of optically detectable sensor components, whereby at least one of their optical properties changes depending on the property of the reactor contents to be monitored (for example pH or oxygen concentration). Optical detection is carried out using suitable measuring arrangements, which usually have at least one light source and at least one light detector. The two review articles disclose various sensor formats and associated concepts and designs of the optical measuring arrangements. Layered sensor formats are disclosed that are applied to the inside of the reactor wall, to the inside of optical windows of immersion probes, or to optical fibers and other totally reflective light guides in contact with the reactor contents. The associated measuring arrangement is in optical contact with the sensors and the sensory components contained in them. Furthermore, micro- and nanoparticulate sensor formats are disclosed. In some designs, these particles are embedded in polymers and, similar to the aforementioned layered sensors, applied in a stationary manner to the inside of the reactor, with an associated optical measuring arrangement that is also stationary. In other embodiments, these particles are added to the reactor contents and either concentrated locally in the optical field of view of the measuring arrangement by magnetic interactions, or added in such a high concentration that such magnetic concentration is not necessary to achieve sufficiently strong optical signals.
Der Artikel
Auch aus der Patentliteratur sind verschiedenste Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren bekannt. Sie alle ähneln sich hinsichtlich der ortsfesten Aufbringung von Sensoren an der Innenseite der Reaktorwand oder anderer Bestandteile des Reaktors, wobei jedem Sensor eine geeignete Messanordnung ortsfest zugeordnet ist, entweder als vollständige Messanordnung oder aber über eine zum jeweiligen Sensor ortsfeste Komponente der Messanordnung (beispielsweise in Form einer optischen Faser).A wide variety of methods and devices for monitoring the contents of mixed reactors are also known from the patent literature. They are all similar in terms of the fixed attachment of sensors to the inside of the reactor wall or other components of the reactor, with each sensor being assigned a suitable measuring arrangement in a fixed location, either as a complete measuring arrangement or via a component of the measuring arrangement that is fixed to the respective sensor (for example in the form of an optical fiber).
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren offenbaren Sensoren, die über geeignete sensorische Komponenten mindestens eine zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts in ein durch die Messanordnung elektronisch erfassbares Signal umwandeln. Die überwiegende Mehrzahl dieser Verfahren und Vorrichtungen nutzt ortsfest mit der Innenseite der Reaktorwand oder der Reaktoreinbauten verbundene Sensoren in Kombination mit ebenfalls ortsfesten Messanordnungen innerhalb oder außerhalb des Reaktors zur Erfassung des Sensorsignals.The methods and devices known from the prior art for monitoring the contents of mixed reactors disclose sensors which, via suitable sensor components, convert at least one property of the reactor contents to be monitored into a signal that can be electronically recorded by the measuring arrangement. The vast majority of these methods and devices use sensors that are fixedly connected to the inside of the reactor wall or the reactor internals in combination with likewise fixed measuring arrangements inside or outside the reactor to record the sensor signal.
Das Konzept ortsfester Sensoren und Messanordnungen geht mit einigen gravierenden Nachteilen einher. So erfordert die parallele Überwachung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts über mehrere geeignete Sensoren auch eine Parallelisierung bzw. Vervielfältigung der zugehörigen Messanordnungen. Der dadurch zunehmende Platzbedarf für die Messanordnungen limitiert die Miniaturisierung von Reaktoren, wie sie häufig für Screening- und Prozessentwicklungsarbeiten interessant ist, und begrenzt die Anzahl parallelisiert überwachbarer Eigenschaften des Reaktorinhalts in miniaturisierten Reaktoren. Weiterhin ist das Aufbringen ortsfester Sensoren auf innenliegende Reaktorbestandteile oder -wände, insbesondere unter sterilen Bedingungen, sehr aufwendig. Selbst für einfachste Reaktoren wie Schüttelkolben existieren bisher keine robusten und nutzerfreundlichen Systeme zum Aufbringen ortsfester Sensoren auf die Innenseite der Reaktorwände. Auch das unsterile Aufbringen ortsfester Sensoren auf innenliegende Reaktorbestandteile oder -wände in Kombination mit nachträglicher Sterilisierung ist nachteilig, da viele gängige Sterilisierungsverfahren das Verhalten sensorischer Komponenten nachteilig beeinflussen.The concept of stationary sensors and measuring arrangements is accompanied by some serious disadvantages. For example, the parallel monitoring of several properties of the reactor contents using several suitable sensors also requires parallelization or duplication of the associated measuring arrangements. The resulting increase in space required for the measuring arrangements limits the miniaturization of reactors, which is often of interest for screening and process development work, and limits the number of properties of the reactor contents in miniaturized reactors that can be monitored in parallel. Furthermore, the application of stationary sensors to internal reactor components or walls is very complex, especially under sterile conditions. Even for the simplest reactors such as shake flasks, there are currently no robust and user-friendly systems for applying stationary sensors to the inside of the reactor walls. The non-sterile application of stationary sensors to internal reactor components or walls in combination with subsequent sterilization is also disadvantageous, since many common sterilization processes have a negative impact on the behavior of sensory components.
Ein weiterer Nachteil ortsfester Sensoren ist im Falle von außerhalb des Reaktors liegenden Messanordnungen die erforderliche Genauigkeit bei der Positionierung und Orientierung zwischen innenliegendem Sensor und außenliegender Messanordnung, die häufig nur durch komplizierte Positionierungshilfen erreicht werden kann. Zudem sind ortsfeste Sensoren in durchmischten Reaktoren teilweise hohen Scherkräften ausgesetzt, die lebensdauerbegrenzend wirken können oder die Sensoren sogar unter Kontamination des Reaktionsgemisches zersetzen.Another disadvantage of stationary sensors in the case of measuring arrangements located outside the reactor is the required accuracy in positioning and orientation between the internal sensor and the external measuring arrangement, which can often only be achieved with complicated positioning aids. In addition, stationary sensors in mixed reactors are sometimes exposed to high shear forces, which can limit their service life or even decompose the sensors and contaminate the reaction mixture.
Einige Nachteile ortsfester Sensoren lassen sich vermeiden durch die aus dem Stand der Technik bekannte Anwendung von Mikro- und Nanopartikeln im Reaktionsgemisch. Diese sind entweder frei und gleichmäßig im Reaktorinhalt bzw. Reaktionsgemisch verteilt oder sie werden zur Signalerfassung magnetisch im Erfassungsbereich der Messanordnung fokussiert und erscheinen daher in beiden Fällen für die Messanordnung wie ein ortsfester Sensor. Im Vergleich zum auf die Innenseite der Reaktorwand ortsfest aufgebrachten Sensor kommt es durch eine klare Phasenzuordnung der Sensorpartikel jedoch nicht zu der oben beschriebenen fehlerhaften Erfassung von Mischsignalen der zu überwachenden Eigenschaften aus verschiedenen Phasen des Reaktorinhalts. Weiterhin vereinfacht die homogene Verteilung der Sensorpartikel im Reaktorinhalt bzw. Reaktionsgemisch ebenso wie die magnetische Fokussierung der Sensorpartikel vor der Messanordnung sowohl die Einbringung der Sensoren in den Reaktorinhalt als auch die Positionierung und Orientierung der Messanordnung.Some disadvantages of stationary sensors can be avoided by using micro and nano particles in the reaction mixture, as is known from the state of the art. These are either freely and evenly distributed in the reactor contents or reaction mixture, or they are magnetically focused in the detection range of the measuring arrangement for signal detection and therefore appear in both cases to the measuring arrangement like a stationary sensor. In comparison to a sensor that is fixed to the inside of the reactor wall, however, the clear phase assignment of the sensor particles means that the above-described incorrect detection of mixed signals of the properties to be monitored from different phases of the reactor contents does not occur. Furthermore, the homogeneous distribution of the sensor particles in the reactor contents or reaction mixture, as well as the magnetic focusing of the sensor particles in front of the measuring arrangement, simplifies both the introduction of the sensors into the reactor contents and the positioning and orientation of the measuring arrangement.
Nichtsdestotrotz birgt auch die Verwendung frei verteilter Sensorpartikel gewichtige Nachteile. So sind mit steigendem Reaktorvolumen auch steigende Sensorpartikelmengen erforderlich, um die für die korrekte Signalerfassung durch geeignete Messanordnungen notwendigen Sensorpartikelkonzentrationen im Reaktorinhalt zu erreichen, sodass für größere Reaktorvolumina die Überwachungskosten deutlich steigen. Zudem erschwert die Verwendung homogen verteilter wie auch magnetisch fokussierter Sensorpartikel die parallele Überwachung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts über mehrere geeignete Sensorpartikel. Ursache dafür ist in vielen Fällen die gegenseitige Wechselwirkung bzw. Beeinflussung der Sensorsignale (beispielsweise durch Filter- oder Streueffekte bei optischen Sensoren mit Absorptions-, Lumineszenz- oder Streulichterfassung) verschiedener Sensorpartikel im gleichen Reaktionsgemisch. Zusätzlich wird die Verwendung identischer, durch geeignete Messanordnungen erfassbarer sensorischer Komponenten in Sensoren mit mehrstufigen Messketten verhindert. So ist beispielsweise die Nutzung von Sensoren mit dem gleichen sauerstofflöschbaren Luminophor, aber verschiedenen sauerstoffverbrauchenden Enzymen zur parallelen Überwachung von beispielsweise Glucose, Lactat und Glutamin mit den aus dem Stand der Technik bekannten Partikelsensoren nicht möglich, da keine derzeit verfügbare Messanordnung unterscheiden könnte, durch welche der verschiedenen Substanzen als zu überwachende Eigenschaften des Reaktorinhalts das erfasste Signal des Luminophors beeinflusst wird. Dieser Nachteil besteht bei ortsfest aufgebrachten Sensoren nicht, da die Kombination von ortsfestem Sensor und ortsfest zugeordneter Messanordnung implizit auch die parallel überwachten Eigenschaften zuordnet und unterscheidbar hält.Nevertheless, the use of freely distributed sensor particles also has significant disadvantages. As the reactor volume increases, increasing amounts of sensor particles are required to achieve the sensor particle concentrations in the reactor contents necessary for correct signal detection by suitable measuring arrangements, so that the monitoring costs increase significantly for larger reactor volumes. In addition, the use of homogeneously distributed and magnetically focused sensor particles makes it difficult to monitor several properties of the reactor contents in parallel using several suitable sensor particles. In many cases, this is due to the mutual interaction or influence of the sensor signals (for example due to filter or scattering effects in optical sensors with absorption, luminescence or scattered light detection) of different sensor particles in the same reaction mixture. In addition, the use of identical sensor components that can be detected by suitable measuring arrangements in sensors with multi-stage measuring chains is prevented. For example, the use of sensors with the same oxygen-quenching luminophore but different oxygen-consuming enzymes for parallel monitoring of, for example, glucose, lactate and glutamine is not possible with the particle sensors known from the state of the art, since no currently available measuring arrangement could distinguish which of the different substances is to be monitored. Properties of the reactor contents influence the signal recorded by the luminophore. This disadvantage does not exist with stationary sensors, since the combination of stationary sensor and stationary measuring arrangement implicitly assigns the properties monitored in parallel and keeps them distinguishable.
Sämtliche aus dem Stand der Technik offenbarten Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren weisen zumindest einen der oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich Skalierbarkeit des Reaktorvolumens, Erfassung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts oder Komplexität in der Handhabung und Einhaltung von Sterilitäts- und Reinheitsanforderungen der zu überwachenden Prozesse auf.All methods and devices disclosed in the prior art for monitoring the contents of mixed reactors have at least one of the disadvantages described above with regard to scalability of the reactor volume, detection of several properties of the reactor contents or complexity in handling and compliance with sterility and purity requirements of the processes to be monitored.
Aufgabenstellungtask
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen die Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren mit Sensoren im Inneren des Reaktors robust und einfach in der Handhabung erfolgen kann, bei gleichzeitig guter Skalierbarkeit in große und kleine Reaktorvolumina sowie mit der Möglichkeit zur Erfassung mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 8; bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüche sowie der Beschreibung.It is therefore the object of the present invention to provide a method by means of which the monitoring of the contents of mixed reactors with sensors inside the reactor can be carried out in a robust and easy-to-use manner, while at the same time being easy to scale to large and small reactor volumes and with the possibility of recording several properties of the reactor contents. The object underlying the invention is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 8; preferred embodiments emerge from the subclaims and the description.
Definitionendefinitions
Zur Sicherstellung der Klarheit einiger in der Beschreibung verwendeter Begriffe, werden diese nachfolgend und im Verlauf der Beschreibung definiert und erläutert.To ensure clarity of some terms used in the description, they are defined and explained below and throughout the description.
Ein Reaktor ist ein Behältnis, welches insbesondere zur Kultivierung von Organismen oder zur Durchführung chemischer und biochemischer Reaktionsprozesse eingesetzt werden kann. Weitere Einsatzbereiche von Reaktoren sind unter anderem biokatalytische Prozesse unter Verwendung von Organismen und/oder Biomolekülen sowie andere chemische und/oder physikalische Prozesse, wobei vom Begriff Prozess alle Arten der Umwandlung, Auftrennung, Zusammenführung, Durchmischung, Größenänderung und Lagerung von insbesondere chemischen Stoffen, Organismen, Partikeln, Lösungen, Emulsionen und Schäumen umfasst sind. Reaktoren im Sinne der Erfindung umfassen insbesondere Rührkesselfermenter und -reaktoren, Blasensäulenfermenter, Schüttelkolben, T-Flasks, Mikrotiterplatten, Deep-Well-Plates, Schüttelfässer, Fermentation-Bags, Mehrzweckröhrchen und Zellkulturschalen.A reactor is a container that can be used in particular for cultivating organisms or for carrying out chemical and biochemical reaction processes. Other areas of application for reactors include biocatalytic processes using organisms and/or biomolecules as well as other chemical and/or physical processes, whereby the term process includes all types of conversion, separation, combination, mixing, size change and storage of in particular chemical substances, organisms, particles, solutions, emulsions and foams. Reactors in the sense of the invention include in particular stirred tank fermenters and reactors, bubble column fermenters, shake flasks, T-flasks, microtiter plates, deep well plates, shake barrels, Fermentation bags, multi-purpose tubes and cell culture dishes.
Reaktoren können gegenüber ihrer Umwelt geschlossen oder offen sein.Reactors can be closed or open to their environment.
Der Reaktorinhalt umfasst sämtliche Materie, welche sich innerhalb der Außenhülle des Reaktors befindet. Im Falle eines gegenüber der Umwelt offenen Reaktors wird der Reaktorinhalt begrenzt durch die Innenwand des Reaktors sowie durch die hypothetische Verschlussfläche, die den Übergang zwischen Reaktorinnerem und Umwelt darstellt. Der Reaktorinhalt setzt sich aus einer oder mehreren Phasen zusammen, die insbesondere als Fluide (Gase, Flüssigkeiten) oder als Phasengemische mit fluidischem Charakter (Schäume, Emulsionen, Suspensionen, Pulverschüttungen) ausgebildet sind. In vielen Einsatzbereichen der Erfindung wird der Reaktorinhalt durch zwei Phasen gebildet, durch das Reaktionsgemisch, in dem der überwiegende Teil des durchzuführenden Prozesses abläuft, sowie durch den darüberliegenden, meist als Gasphase ausgebildeten Kopfraum. Erfindungsgemäß kann jede Phase des Reaktorinhalts ein reiner Stoff oder aber ein Stoffgemisch sein. Der Reaktorinhalt und damit insbesondere auch das Reaktionsgemisch und der Kopfraum weisen physikalische, chemische, biologische oder anderweitige Eigenschaften auf, die Zielobjekt einer Überwachung sein können. Im Sinne der Erfindung kann die sensorbasierte Überwachung einer oder mehrerer Eigenschaften des Reaktorinhalts, des Reaktionsgemischs, des Kopfraums oder ihrer Bestandteile durch die Erfassung und Bestimmung der Eigenschaft selbst oder durch die Erfassung von Korrelaten der Eigenschaft erfolgen. Dabei sind Korrelate im Sinne der Erfindung jegliche mit der zu überwachenden Eigenschaft korrelierende Phänomene, Prozesse, Signale, Eigenschaften oder Umgebungsbedingungen geeigneter Sensoren, sensorischer Komponenten oder konvertierender Komponenten. Eigenschaften im Sinne der Erfindung sind qualitative oder quantitative Größen, die geeignet sind, den Zustand einer Sache zu beschreiben, insbesondere aber nicht ausschließlich Stoff- und Partikelkonzentrationen, Umgebungsparameter wie Temperatur und Druck, optische Parameter wie Lumineszenzlebensdauer, Emissions-, Absorptions- oder Streuintensität und -wellenlängen, andere physikalische Parameter wie Emissivität, Impedanz, elektrische Kapazität, Induktivität und Leitfähigkeit, biologische Parameter wie Expressionsraten, Stoffwechselwegaktivitäten, Teilungsraten oder Viabilität und viele mehr. Im Sinne der Erfindung kann die Überwachung von Eigenschaften des Reaktorinhalts oder seiner Bestandteile auch über die einzelne oder gemeinsame Erfassung mehrerer Korrelate sowie deren Kombination mit geeigneten mathematischen Berechnungs- und Auswertungsverfahren oder mit anderen Algorithmen erfolgen.The reactor contents include all the material that is located within the outer shell of the reactor. In the case of a reactor that is open to the environment, the reactor contents are limited by the inner wall of the reactor and by the hypothetical sealing surface that represents the transition between the interior of the reactor and the environment. The reactor contents are made up of one or more phases that are in particular designed as fluids (gases, liquids) or as phase mixtures with a fluidic character (foams, emulsions, suspensions, powder beds). In many areas of application of the invention, the reactor contents are formed by two phases, the reaction mixture in which the majority of the process to be carried out takes place, and the headspace above it, which is usually designed as a gas phase. According to the invention, each phase of the reactor contents can be a pure substance or a mixture of substances. The reactor contents and thus in particular also the reaction mixture and the headspace have physical, chemical, biological or other properties that can be the target of monitoring. In the sense of the invention, the sensor-based monitoring of one or more properties of the reactor contents, the reaction mixture, the headspace or their components can be carried out by detecting and determining the property itself or by detecting correlates of the property. Correlates in the sense of the invention are any phenomena, processes, signals, properties or environmental conditions of suitable sensors, sensory components or converting components that correlate with the property to be monitored. Properties in the sense of the invention are qualitative or quantitative quantities that are suitable for describing the state of an object, in particular but not exclusively substance and particle concentrations, environmental parameters such as temperature and pressure, optical parameters such as luminescence lifetime, emission, absorption or scattering intensity and wavelengths, other physical parameters such as emissivity, impedance, electrical capacitance, inductance and conductivity, biological parameters such as expression rates, metabolic pathway activities, division rates or viability and many more. In the sense of the invention, the monitoring of properties of the reactor contents or its components can also be carried out via the individual or joint detection of several correlates and their combination with suitable mathematical calculation and evaluation methods or with other algorithms.
Die Durchmischung des Reaktorinhalts bezeichnet jedes Verfahren, den Reaktorinhalt dergestalt zu beeinflussen, dass sich mindestens zwei, zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommene Zustände der Verteilung des Reaktorinhalts und seiner Bestandteile im Reaktor, nicht gleichen. Übliche Durchmischungsverfahren nutzen dazu insbesondere mechanische, thermische oder thermodynamische Verfahren, insbesondere aber nicht ausschließlich Schüttelverfahren, Rührverfahren, Pumpverfahren und Diffusionsverfahren.Mixing of the reactor contents refers to any process that influences the reactor contents in such a way that at least two states of the distribution of the reactor contents and their components in the reactor, recorded at different times, are not the same. Common mixing processes use mechanical, thermal or thermodynamic processes in particular, but not exclusively shaking processes, stirring processes, pumping processes and diffusion processes.
Sensoren im Sinne der Erfindung sind Vorrichtungen, die geeignet sind, mindestens eine Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile in mindestens ein Signal zu überführen, welches, bei Bedarf mittels Anregung, durch geeignete Messanordnungen erfasst werden kann. Dazu umfassen Sensoren im Sinne der Erfindung mindestens eine sensorische Komponente, die über mindestens eine Eigenschaft oder ein entsprechendes Korrelat verfügt, welche oder welches durch die Messanordnung erfassbar ist und durch die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile beeinflusst wird. Die Beeinflussung durch die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft kann direkt oder indirekt erfolgen, insbesondere auch durch Interaktionsketten mit verschiedenen konvertierenden Komponenten oder mit anderen Eigenschaften oder Bestandteilen des Reaktorinhalts. Im Sinne der Erfindung erfolgt die Erfassung von Eigenschaften oder Korrelaten durch Messanordnungen über mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente, welches in einigen Fällen durch die Messanordnung angeregt werden muss. Sensorische Komponenten im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich Farbstoffe, Fluorophore, Luminophore, Nano- oder Mikropartikel aus Metallen oder Halbleitern und andere Strukturen, die optische oder andere elektromagnetische Signale erzeugen oder beeinflussen können, sowie Kombinationen der vorgenannten oder ähnlicher Komponenten untereinander und Systeme, die mindestens eine der vorgenannten Komponenten enthalten.Sensors in the sense of the invention are devices that are suitable for converting at least one property of the reactor contents or at least one of its components into at least one signal that can be detected by suitable measuring arrangements by means of excitation if necessary. For this purpose, sensors in the sense of the invention comprise at least one sensory component that has at least one property or a corresponding correlate that can be detected by the measuring arrangement and is influenced by the property of the reactor contents or at least one of its components to be monitored. The influence by the at least one property to be monitored can be direct or indirect, in particular also through interaction chains with various converting components or with other properties or components of the reactor contents. In the sense of the invention, the detection of properties or correlates by measuring arrangements takes place via at least one signal from at least one sensory component, which in some cases must be excited by the measuring arrangement. Sensory components within the meaning of the invention are in particular but not exclusively dyes, fluorophores, luminophores, nano- or microparticles made of metals or semiconductors and other structures that can generate or influence optical or other electromagnetic signals, as well as combinations of the aforementioned or similar components with one another and systems that contain at least one of the aforementioned components.
Sensoren im Sinne der Erfindung können weiterhin eine oder mehrere konvertierende Komponenten enthalten. Eine konvertierende Komponente im Sinne der Erfindung weist mindestens eine Eigenschaft oder ein entsprechendes Korrelat auf, welche oder welches durch die zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile direkt oder indirekt (über eine andere konvertierende Komponente) beeinflusst wird, dabei zwar selbst nicht durch eine Messanordnung erfassbar ist, aber direkt oder indirekt (über eine andere konvertierende Komponente) mindestens eine Eigenschaft und somit mindestens ein Signal mindestens einer sich in der Umgebung der konvertierenden Komponente befindlichen sensorischen Komponente beeinflussen kann. Konvertierende Komponenten im Sinne der Erfindung können über ihre Interaktionen untereinander oder mit sensorischen Komponenten zu beliebig langen Interaktionsketten verknüpft sein, um Änderungen mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts oder mindestens eines seiner Bestandteile in ein durch mindestens eine Messanordnung erfassbares Signal zu konvertieren. Konvertierende Komponenten im Sinne der Erfindung weisen vorteilhaft eine hohe Spezifität gegenüber der zu überwachenden Eigenschaft oder den interagierenden anderen konvertierenden Komponenten oder sensorischen Komponenten auf und werden eingesetzt, um insbesondere Stoffkonzentrationen zu überwachen. Konvertierende Komponenten im Sinne der Erfindung sind insbesondere Enzyme, Katalysatoren, Nukleinsäuren, Aptamere, Ribozyme, Antikörper und andere selektiv bindende Proteine oder Strukturen, sowie Kombinationen der vorgenannten oder ähnlicher Komponenten untereinander und Systeme, die mindestens eine der vorgenannten Komponenten enthalten. Im Sinne der Erfindung befindet sich die durch mindestens eine konvertierende Komponente beeinflusste sensorische Komponente bevorzugt in räumlicher Nähe zur sie beeinflussenden konvertierenden Komponente, insbesondere um eine effektive Interaktion zwischen beiden, beispielsweise durch lokale Änderungen von Stoffkonzentrationen (insbesondere Sauerstoff- oder Protonenkonzentration) oder durch Energie-, Elektronen- oder Protonentransferprozesse (insbesondere Quenching, FRET, PET, Elektrolumineszenz, Reaktionen), zu ermöglichen.Sensors in the sense of the invention can further contain one or more converting components. A converting component in the sense of the invention has at least one property or a corresponding correlate which is influenced directly or indirectly (via another converting component) by the property of the reactor contents or at least one of its components to be monitored, and although it cannot itself be detected by a measuring arrangement, it directly or indirectly (via another converting component) has at least one property and thus at least one signal. nal of at least one sensory component located in the vicinity of the converting component. Converting components within the meaning of the invention can be linked via their interactions with one another or with sensory components to form interaction chains of any length in order to convert changes in at least one property of the reactor contents or at least one of its components into a signal that can be detected by at least one measuring arrangement. Converting components within the meaning of the invention advantageously have a high specificity with regard to the property to be monitored or the interacting other converting components or sensory components and are used in particular to monitor substance concentrations. Converting components within the meaning of the invention are in particular enzymes, catalysts, nucleic acids, aptamers, ribozymes, antibodies and other selectively binding proteins or structures, as well as combinations of the aforementioned or similar components with one another and systems which contain at least one of the aforementioned components. In the sense of the invention, the sensory component influenced by at least one converting component is preferably located in spatial proximity to the converting component influencing it, in particular in order to enable effective interaction between the two, for example through local changes in substance concentrations (in particular oxygen or proton concentration) or through energy, electron or proton transfer processes (in particular quenching, FRET, PET, electroluminescence, reactions).
Sensoren im Sinne der Erfindung können weiterhin Marker enthalten, die mindestens ein Markersignal erzeugen, sodass insbesondere die Lage, Position und Identität des jeweiligen Sensors durch geeignete Messanordnungen über die Erfassung des mindestens einen Markersignals bestimmt werden kann.Sensors in the sense of the invention can further contain markers which generate at least one marker signal, so that in particular the location, position and identity of the respective sensor can be determined by suitable measuring arrangements via the detection of the at least one marker signal.
Sensoren im Sinne der Erfindung können über mindestens eine Sensormatrix verfügen, die als Strukturkomponente mechanische Stabilität verleiht, zur Aufrechterhaltung der sensorinternen Anordnung von sensorischen Komponenten, konvertierenden Komponenten und Markern dient, diese in den Sensor einbetten kann, diese voneinander trennen kann und so den Sensor segmentieren kann. Eine Sensormatrix kann auch genutzt werden, um dem Sensor eine bestimmte Form zu verleihen und diese aufrechtzuerhalten. Zudem können Sensormatrizen im Sinne der Erfindung zur Einstellung eines selektiven Stofftransports eingesetzt werden, beispielsweise durch definierte Porengrößen, Polarität oder Oberflächenladung. Als Sensormatrix im Sinne der Erfindung gelten insbesondere aber nicht ausschließlich alle Arten von Polymeren, Hydrogelen, Membranen sowie amorphen, teilkristallinen oder kristallinen Feststoffen. Es können mehrere gleiche oder verschiedene Sensormatrizen in einem Sensor eingesetzt werden.Sensors within the meaning of the invention can have at least one sensor matrix which, as a structural component, provides mechanical stability, serves to maintain the internal arrangement of sensory components, converting components and markers within the sensor, can embed these in the sensor, can separate them from one another and can thus segment the sensor. A sensor matrix can also be used to give the sensor a certain shape and to maintain this. In addition, sensor matrices within the meaning of the invention can be used to set a selective material transport, for example through defined pore sizes, polarity or surface charge. In particular, but not exclusively, all types of polymers, hydrogels, membranes and amorphous, partially crystalline or crystalline solids are considered sensor matrices within the meaning of the invention. Several identical or different sensor matrices can be used in one sensor.
Eine Messanordnung im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen, die geeignet ist, mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens ein Markersignal mindestens eines Markers zu erfassen. Insofern ist jede durch eine Messanordnung erfassbare Eigenschaft oder deren Korrelat einer sensorischen Komponente oder eines Markers ein Signal beziehungsweise Markersignal im Sinne der Erfindung. Zum Zweck der Erfassung von Signalen und Markersignalen umfasst eine Messanordnung mindestens einen Signaldetektor. Sofern das zu erfassende Signal oder Markersignal angeregt werden muss, umfasst eine geeignete Messanordnung zudem mindestens einen Signalanreger. Anzuregende Signale im Sinne der Erfindung sind insbesondere aber nicht ausschließlich optische Signale wie Lumineszenz-, Absorptions- und Streuintensitäten, Lumineszenzpolarisationsgrade, Lumineszenzlebensdauern und Impedanzsignale wie Kapazität, Induktivität oder Leitfähigkeit. Signale können frequenzabhängig beziehungsweise zeitabhängig erfasst werden. Signale können unter Modulation der Signalanregung erfasst werden. Aus einzelnen erfassten Signalen (beispielsweise Intensitäten) können abgeleitete Signale (beispielsweise Spektren, ratiometrische Signale, Abklingkurven, Bode-Plots, Zeitreihen) gebildet werden. Zur Bildung von abgeleiteten Signalen können geeignete elektrische Schaltungen oder Rechner mit geeigneter Software und Algorithmen eingesetzt werden, die im Sinne der Erfindung Bestandteil der entsprechenden Messanordnung sind. Als Rechner zählt jede elektronische Vorrichtung, die Daten (insbesondere arithmetische und logische) speichern und auf der Grundlage programmierbarer Vorschriften verarbeiten kann. Als Rechner im Sinne der Erfindung gelten insbesondere aber nicht ausschließlich Mikrocontroller, Mikroprozessoren, System-on-a-Chip Rechner (SoC), PCs und Server.A measuring arrangement within the meaning of the invention is any device or combination of devices that is suitable for detecting at least one signal from at least one sensory component or at least one marker signal from at least one marker. In this respect, any property of a sensory component or marker that can be detected by a measuring arrangement or its correlate is a signal or marker signal within the meaning of the invention. For the purpose of detecting signals and marker signals, a measuring arrangement comprises at least one signal detector. If the signal or marker signal to be detected must be excited, a suitable measuring arrangement also comprises at least one signal exciter. Signals to be excited within the meaning of the invention are in particular but not exclusively optical signals such as luminescence, absorption and scattering intensities, luminescence polarization degrees, luminescence lifetimes and impedance signals such as capacitance, inductance or conductivity. Signals can be detected frequency-dependently or time-dependently. Signals can be detected by modulating the signal excitation. Derived signals (e.g. spectra, ratiometric signals, decay curves, Bode plots, time series) can be formed from individual recorded signals (e.g. intensities). Suitable electrical circuits or computers with suitable software and algorithms can be used to form derived signals, which are part of the corresponding measuring arrangement within the meaning of the invention. A computer is any electronic device that can store data (in particular arithmetic and logical) and process it on the basis of programmable rules. Computers within the meaning of the invention include in particular but not exclusively microcontrollers, microprocessors, system-on-a-chip computers (SoC), PCs and servers.
Durch geeignete Messanordnungen erfassbare Signale werden im Erfassungsbereich der Messanordnung erfasst, wobei sich der Erfassungsbereich aus dem Detektionsbereich mindestens eines Signaldetektors und, im Falle einer erforderlichen Signalanregung, dem Anregungsbereich mindestens eines Signalanregers ergibt. Im Sinne der Erfindung erfasst eine Messanordnung sämtliche durch sie erfassbaren Signale in ihrem Erfassungsbereich, also nicht nur die Signale sensorischer Komponenten oder die Markersignale von Markern, sondern auch Hintergrund- und Umgebungssignale, welche bei Bedarf durch geeignete Verfahren eliminiert werden können. Insofern erfassen Messanordnungen im Sinne der Erfindung auch Signale, insbesondere Umgebungs- und Hintergrundsignale, wenn gerade kein Sensor in ihrem Erfassungsbereich lokalisiert ist.Signals that can be detected by suitable measuring arrangements are detected in the detection range of the measuring arrangement, whereby the detection range results from the detection range of at least one signal detector and, in the case of a required signal excitation, the excitation range of at least one signal exciter. In the sense of the invention, a measuring arrangement detects all signals that can be detected by it in its detection range, i.e. not only the signals of sensory components or the marker signals of markers, but also background and ambient signals, which can be eliminated if necessary by suitable methods. In this respect, measuring arrangements in the sense of the invention also detect signals, in particular ambient and background signals, when no sensor is located in their detection range.
Die Verweilzeit im Sinne der Erfindung ist die Zeit, in der sich eine bestimmte sensorische Komponente eines Sensors im Erfassungsbereich einer ihr Signal erfassen könnenden Messanordnung befindet.The dwell time in the sense of the invention is the time during which a specific sensory component of a sensor is in the detection range of a measuring arrangement capable of detecting its signal.
Die Erfassungszeit im Sinne der Erfindung ist die Zeit, die von einer Messanordnung benötigt wird, um ein bestimmtes Signal genau einmal zu erfassen.The acquisition time in the sense of the invention is the time required by a measuring arrangement to acquire a specific signal exactly once.
Ein Signaldetektor im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen, die geeignet ist, mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens ein Markersignal mindestens eines Markers zu detektieren und zu digitalisieren. Signaldetektoren im Sinne der Erfindung umfassen daher insbesondere aber nicht ausschließlich Elektroden, Antennen, Fotodioden, Fototransistoren, Fotowiderstände, CCD- und CMOS-Arrays, optische Elemente wie Filter, Gitter, Linsen, Fasern und Blenden, aber auch Verstärker- und Signalformungsschaltungen, Analog-Digital-Wandler, Rechner sowie Kombinationen aller vorgenannten Elemente.A signal detector in the sense of the invention is any device or combination of devices that is suitable for detecting and digitizing at least one signal from at least one sensory component or at least one marker signal from at least one marker. Signal detectors in the sense of the invention therefore include in particular but not exclusively electrodes, antennas, photodiodes, phototransistors, photoresistors, CCD and CMOS arrays, optical elements such as filters, gratings, lenses, fibers and diaphragms, but also amplifier and signal shaping circuits, analog-digital converters, computers and combinations of all of the aforementioned elements.
Ein Signalanreger im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung oder Kombination von Vorrichtungen, die geeignet ist, mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens ein Markersignal mindestens eines Markers anzuregen. A signal exciter within the meaning of the invention is any device or combination of devices that is suitable for stimulating at least one signal of at least one sensory component or at least one marker signal of at least one marker.
Signalanreger im Sinne der Erfindung umfassen daher insbesondere aber nicht ausschließlich Elektroden, Antennen, LEDs, Blitzlampen, Laser, optische Elemente wie Filter, Gitter, Linsen, Fasern und Blenden, aber auch Treiber- und Modulationsschaltungen, Digital-Analog-Wandler, Rechner sowie Kombinationen aller vorgenannten Elemente.Signal exciters within the meaning of the invention therefore include in particular but not exclusively electrodes, antennas, LEDs, flash lamps, lasers, optical elements such as filters, gratings, lenses, fibers and diaphragms, but also driver and modulation circuits, digital-analog converters, computers and combinations of all of the aforementioned elements.
Im Sinne der Erfindung gilt als Zugabe mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors in einen Reaktor jegliche gezielte Verbringung mindestens eines Sensors von außerhalb des Reaktors ins Reaktorinnere, insbesondere in den Reaktorinhalt oder mindestens einen seiner Bestandteile, wie beispielsweise in ein Reaktionsgemisch oder den Kopfraum.For the purposes of the invention, the addition of at least one sensor according to the invention into a reactor is deemed to be any targeted transfer of at least one sensor from outside the reactor into the interior of the reactor, in particular into the reactor contents or at least one of its components, such as, for example, into a reaction mixture or the headspace.
Als Lagermedium im Sinne der Erfindung gilt jeglicher Stoff oder jegliches Stoffgemisch, mit dem mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor während seiner Lagerung oder anderweitigen Aufbewahrung vor seiner Zugabe in einen Reaktor gezielt in Kontakt gebracht oder gehalten wird, um bestimmte Eigenschaften oder Verhaltensweisen des mindestens einen Sensors gezielt zu beeinflussen oder zu erhalten. Erfindungsgemäße Lagermedien sind insbesondere aber nicht ausschließlich Luft, definierte Gasgemische, Schutzgase, wässrige Lösungen, Pufferlösungen, Salzlösungen, Gemische organischer und wässriger Bestandteile, Emulsionen, Schäume und auch Pulver.A storage medium within the meaning of the invention is any substance or mixture of substances with which at least one sensor according to the invention is deliberately brought into contact or kept during its storage or other storage before it is added to a reactor in order to specifically influence or maintain certain properties or behaviors of the at least one sensor. Storage media according to the invention are in particular but not exclusively air, defined gas mixtures, protective gases, aqueous solutions, buffer solutions, salt solutions, mixtures of organic and aqueous components, emulsions, foams and also powders.
Flossen im Sinne der Erfindung können Bestandteile erfindungsgemäßer Sensoren sein. Eine Flosse im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung, die dazu geeignet ist, das Bewegungsverhalten erfindungsgemäßer Sensoren im Reaktorinhalt oder mindestens einem seiner Bestandteile oder aber das Strömungsverhalten von Fluiden im Reaktorinneren an erfindungsgemäßen Sensoren gezielt zu beeinflussen. Somit gelten als Flossen im Sinne der Erfindung insbesondere aber nicht ausschließlich strömungsmechanische Strukturelemente, wie Finnen, Kerben, Spalte, Rillen und Perforationen, aber auch Auftriebselemente wie Gewichte, Hohlräume, Schäume oder anderweitig geschlossen-poröse Strukturen.Fins within the meaning of the invention can be components of sensors according to the invention. A fin within the meaning of the invention is any device that is suitable for specifically influencing the movement behavior of sensors according to the invention in the reactor contents or at least one of its components or the flow behavior of fluids inside the reactor at sensors according to the invention. Thus, fins within the meaning of the invention include in particular but not exclusively fluid-mechanical structural elements such as fins, notches, gaps, grooves and perforations, but also buoyancy elements such as weights, cavities, foams or other closed-porous structures.
Ein Rührwerk im Sinne der Erfindung ist jegliche Vorrichtung im oder am Reaktor, die entweder selbst in Bewegung versetzt werden kann, oder den Reaktor in Bewegung setzt, um eine Mischbewegung als insbesondere konvektiven Stofftransport im Reaktorinhalt, oder in mindestens einem seiner Bestandteile, etwa im Reaktionsgemisch oder im Kopfraum, hervorzurufen.An agitator within the meaning of the invention is any device in or on the reactor which can either be set in motion itself or sets the reactor in motion in order to cause a mixing movement, in particular as convective mass transport, in the reactor contents or in at least one of its components, for example in the reaction mixture or in the head space.
LösungSolution
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe zur Überwachung des Inhalts durchmischter Reaktoren, wobei der Reaktorinhalt mindestens eine zu überwachende Eigenschaft aufweist und die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponente beeinflusst und das mindestens eine Signal der mindestens einen sensorischen Komponente durch mindestens eine Messanordnung erfasst wird, durch ein Verfahren, bei dem mindestens ein Sensor, der die mindestens eine sensorische Komponente enthält, nicht ortsfest ist und sich im Reaktor bewegt, sodass sich der mindestens eine Sensor nicht permanent im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet und mindestens eine Erfassung des mindestens einen Signals der mindestens einen sensorischen Komponente durch die mindestens eine Messanordnung erfolgt, während sich der mindestens eine Sensor im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befindet.According to the invention, the problem of monitoring the contents of mixed reactors is solved, wherein the reactor contents have at least one property to be monitored and the at least one property to be monitored influences at least one signal of at least one sensory component and the at least one signal of the at least one sensory component is detected by at least one measuring arrangement, by a method in which at least one sensor containing the at least one sensory component is not stationary and moves in the reactor, so that the at least one sensor is not permanently located in the detection range of the at least one measuring arrangement and at least one detection of the at least one signal of the at least one sensory component is carried out by the at least one measuring arrangement while the at least one sensor is in the detection range of the at least one measuring arrangement.
Erfindungsgemäß wird mindestens ein Signal der mindestens einen sensorischen Komponente, das erfasst wurde, während sich der mindestens eine Sensor im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung befand, zur Überwachung oder Bestimmung der mindestens einen zu überwachenden Eigenschaft des Reaktorinhalts genutzt. Erfindungsgemäß kann diese Überwachung auch über die Erfassung von Korrelaten der zu überwachenden Eigenschaft erfolgen.According to the invention, at least one signal of the at least one sensor component that was detected while the at least one sensor was in the detection range of the at least one measuring arrangement is used to monitor or determine the at least one property of the reactor content to be monitored. According to the invention, this monitoring can also be carried out by detecting correlates of the property to be monitored.
In Abgrenzung zu den aus dem Stand der Technik bekannten Mikro- und Nanopartikelsensoren sind die erfindungsgemäßen Sensoren dabei nicht gleichmäßig im Reaktorinhalt oder Reaktionsgemisch verteilt, sodass die sequentielle oder parallele Erfassung mehrerer Sensoren mit unterschiedlichen sensorischen Komponenten durch die gleiche oder durch mehrere geeignete Messanordnungen ermöglicht wird, ohne dass sich die erfindungsgemäßen Sensoren gegenseitig hinsichtlich ihrer Erfassung durch geeignete Messanordnungen beeinflussen oder stören. Darüber hinaus ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren von sich im Reaktor bewegenden, nicht gleichmäßig verteilten Sensoren eine kostengünstigere Überwachung größerer Reaktoren, da zur Erreichung erfassbarer Messsignale nicht, wie für Mikro- und Nanopartikelsensoren erforderlich, größere Mengen an Sensoren dem Reaktorinhalt zugegeben werden müssen.In contrast to the micro and nanoparticle sensors known from the prior art, the sensors according to the invention are not evenly distributed in the reactor contents or reaction mixture, so that the sequential or parallel detection of several sensors with different sensory components is made possible by the same or several suitable measuring arrangements, without the sensors according to the invention influencing or interfering with each other with regard to their detection by suitable measuring arrangements. In addition, the method according to the invention of non-evenly distributed sensors moving in the reactor enables more cost-effective monitoring of larger reactors, since in order to achieve detectable measurement signals, larger quantities of sensors do not have to be added to the reactor contents, as is necessary for micro and nanoparticle sensors.
Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Nutzung von sich im Reaktor bewegenden, nicht gleichmäßig verteilten Sensoren eine sequentielle Erfassung der Signale von den jeweils in den Sensoren befindlichen sensorischen Komponenten, sodass in Abgrenzung zu den aus dem Stand der Technik bekannten ortsfesten Sensoren die Erfassung verschiedener Signale von verschiedenen Sensoren und sensorischen Komponenten zur Überwachung verschiedener Eigenschaften des Reaktorinhalts mit einer verringerten Anzahl an Messanordnungen möglich ist, und solche Überwachungen auch an miniaturisierten Reaktoren erfolgen können.Advantageously, the use according to the invention of non-uniformly distributed sensors moving in the reactor enables sequential detection of the signals from the sensory components located in the sensors, so that, in contrast to the stationary sensors known from the prior art, the detection of different signals from different sensors and sensory components for monitoring different properties of the reactor contents is possible with a reduced number of measuring arrangements, and such monitoring can also be carried out on miniaturized reactors.
In Abgrenzung zu ortsfesten Sensoren vereinfacht das erfindungsgemäße Verfahren zudem die Anwendung von Sensoren im Reaktor, da die erfindungsgemäßen Sensoren einfach während der Befüllung des Reaktors zugegeben werden können und nicht wie im Falle der ortsfesten Sensoren zuvor auf die Innenwände oder sonstige Einbauten des Reaktors aufgebracht werden müssen.In contrast to stationary sensors, the method according to the invention also simplifies the application of sensors in the reactor, since the sensors according to the invention can simply be added during filling of the reactor and do not have to be applied beforehand to the inner walls or other internals of the reactor, as is the case with stationary sensors.
Erfindungsgemäß ist das mit dem Reaktorinhalt überlappende Volumen mindestens eines Erfassungsbereichs mindestens einer Messanordnung kleiner als das Volumen des Reaktorinhalts. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das mit dem Reaktorinhalt überlappende Volumen jedes Erfassungsbereichs jeder einzelnen Messanordnung kleiner als das Volumen des Reaktorinhalts, insbesondere aber so klein, dass für jeden eingesetzten und durch die betreffende Messanordnung erfassbaren Sensor derjenige Zustand des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbar ist, in dem sich der jeweilige Sensor nicht im Erfassungsbereich der betreffenden Messanordnung befindet. In weiterhin vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Erfassungsbereich jeder einzelnen Messanordnung kleiner oder gleich dem Volumen des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches abzüglich des Volumens sämtlicher durch die jeweilige Messanordnung erfassbaren Sensoren, die sich gerade im Reaktor oder Reaktionsgemisch befinden und durch Bewegung in den Erfassungsbereich der jeweiligen Messanordnung hineingelangen könnten.According to the invention, the volume of at least one detection area of at least one measuring arrangement that overlaps with the reactor contents is smaller than the volume of the reactor contents. In an advantageous embodiment of the invention, the volume of each detection area of each individual measuring arrangement that overlaps with the reactor contents is smaller than the volume of the reactor contents, but in particular so small that for each sensor used and detectable by the relevant measuring arrangement, the state of the method according to the invention can be achieved in which the respective sensor is not in the detection area of the relevant measuring arrangement. In a further advantageous embodiment of the invention, the detection area of each individual measuring arrangement is smaller than or equal to the volume of the reactor contents or reaction mixture minus the volume of all sensors that can be detected by the respective measuring arrangement that are currently in the reactor or reaction mixture and could enter the detection area of the respective measuring arrangement through movement.
Erfindungsgemäß ist der Erfassungsbereich jeder einzelnen Messanordnung mindestens so groß, dass der kleinste durch die jeweilige Messanordnung zu erfassende Sensor noch durch sie erfasst werden kann.According to the invention, the detection range of each individual measuring arrangement is at least large enough that the smallest sensor to be detected by the respective measuring arrangement can still be detected by it.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens ein Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung kleiner als mindestens einer der durch die Messanordnung erfassbaren Sensoren. In einigen Ausführungen der Erfindung ist jeder Erfassungsbereich jeder Messanordnung kleiner als der kleinste in dem entsprechenden Erfassungsbereich erfassbare Sensor. Darüber hinaus ist in einigen Ausführungen der Erfindung der Erfassungsbereich jeder Messanordnung kleiner als der kleinste in dem entsprechenden Erfassungsbereich erfassbare und die gleiche Art sensorischer Komponenten enthaltende zusammenhängende Sensorbereich innerhalb eines Sensors.In some embodiments of the invention, at least one detection range of at least one measuring arrangement is smaller than at least one of the sensors detectable by the measuring arrangement. In some embodiments of the invention, each detection range of each measuring arrangement is smaller than the smallest sensor detectable in the corresponding detection range. Furthermore, in some embodiments of the invention, the detection range of each measuring arrangement is smaller than the smallest contiguous sensor range within a sensor that is detectable in the corresponding detection range and contains the same type of sensory components.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das mindestens eine Signal oder mehrere Signale oder die Gesamtheit der Signale einer durch mindestens eine geeignete Messanordnung erfassbaren sensorischen Komponente auch dann erfassbar, wenn der Sensor den Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung nicht vollständig ausfüllt. Derartige erfindungsgemäße Signale sind insbesondere aber nicht ausschließlich ratiometrische Signale sowie Lebensdauern und Abklingzeiten.In an advantageous embodiment of the invention, the at least one signal or several signals or the entirety of the signals of a sensory component that can be detected by at least one suitable measuring arrangement can also be detected if the sensor does not completely fill the detection range of the at least one measuring arrangement. Such signals according to the invention are in particular but not exclusively ratiometric signals as well as lifetimes and decay times.
In einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist jeder Sensor mindestens so groß wie oder größer als der Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung, welche das mindestens eine Signal der mindestens einen im Sensor enthaltenen sensorischen Komponente erfasst.In some embodiments of the invention, each sensor is at least as large as or larger than the detection range of the at least one measuring arrangement which detects the at least one signal of the at least one sensory component contained in the sensor.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Erfassungszeit, die eine Messanordnung zur Erfassung mindestens eines Signals einer sensorischen Komponente benötigt, kürzer als die Verweilzeit des die sensorische Komponente enthaltenden Sensors im Erfassungsbereich der Messanordnung.In an advantageous embodiment of the invention, the detection time required by a measuring arrangement for The time required to detect at least one signal of a sensory component is shorter than the residence time of the sensor containing the sensory component in the detection range of the measuring arrangement.
In einigen Ausgestaltungen der Erfindung ist die Erfassungszeit, die eine Messanordnung zur Erfassung mindestens eines Signals einer sensorischen Komponente benötigt, kürzer als die Verweilzeit des die sensorische Komponente enthaltenden Segments eines Sensors im Erfassungsbereich der Messanordnung. Dies gilt vorteilhaft insbesondere für Sensoren, die mehrere, in Segmenten angeordnete sensorische Komponenten enthalten.In some embodiments of the invention, the detection time that a measuring arrangement requires to detect at least one signal of a sensory component is shorter than the dwell time of the segment of a sensor containing the sensory component in the detection range of the measuring arrangement. This advantageously applies in particular to sensors that contain several sensory components arranged in segments.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind wiederholt für mindestens eine Erfassungszeit der eine bestimmte sensorische Komponente erfassenden Messanordnung keine Sensoren oder Sensorsegmente, die ebendiese sensorische Komponente enthalten, im Erfassungsbereich ebendieser die bestimmte sensorische Komponente erfassenden Messanordnung.In an advantageous embodiment of the invention, repeatedly for at least one detection time of the measuring arrangement detecting a specific sensory component, no sensors or sensor segments containing this same sensory component are in the detection range of this same measuring arrangement detecting the specific sensory component.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden ein erfindungsgemäßer Sensor oder mehrere erfindungsgemäße Sensoren passiv durch die im Rahmen der Durchmischung des Reaktors erfolgenden Bewegung des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches bewegt und gelangen dadurch in den Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung hinein sowie auch aus dem Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung hinaus. Derartige erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich insbesondere durch die Nutzung erfindungsgemäßer Sensoren in geschüttelten Reaktoren (beispielsweise Schüttelkolben, Bags, Kulturplatten, Mikrotiterplatten, T-Flasks), in Rührkesselreaktoren und in Blasensäulenreaktoren.In an advantageous embodiment of the invention, a sensor according to the invention or several sensors according to the invention are moved passively by the movement of the reactor contents or reaction mixture that occurs during the mixing of the reactor and thus enter the detection range of at least one measuring arrangement and also exit the detection range of at least one measuring arrangement. Such methods according to the invention result in particular from the use of sensors according to the invention in shaken reactors (for example shake flasks, bags, culture plates, microtiter plates, T-flasks), in stirred tank reactors and in bubble column reactors.
In einigen Ausführungen der Erfindung enthält mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor mindestens einen Marker, der über mindestens ein Markersignal durch mindestens eine Messanordnung erfassbar ist. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen triggert der Marker durch sein Markersignal den Beginn der Erfassung mindestens eines Signals mindestens einer sensorischen Komponente durch mindestens eine Messanordnung. In vorteilhafter Ausgestaltung von Ausführungen der Erfindung mit mindestens einem Marker werden Sensoren, die zur Überwachung unterschiedlicher Eigenschaften eingesetzt werden auch mit Markern, die unterschiedliche Markersignale aufweisen, ausgestattet, um insbesondere aber nicht ausschließlich verschiedene Erfassungsmethoden der Messanordnung zu triggern oder die verschiedenen Sensoren eindeutig der jeweils durch sie überwachten Eigenschaft des Reaktorinhalts zuordnen zu können. In einigen Ausgestaltungen der Erfindung wird mindestens eine durch geeignete Messanordnungen erfassbare Eigenschaft mindestens einer sensorischen Komponente in einem Sensor als Marker genutzt. So kann beispielsweise die Lumineszenzintensität eines Luminophors, dessen Lumineszenzlebensdauer als Signal erfasst wird, als Markersignal erfasst werden, sodass eine geeignete Messanordnung immer dann die Lumineszenzlebensdauer erfasst, wenn ein Lumineszenz-Markersignal vorhanden ist.In some embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention contains at least one marker that can be detected by at least one measuring arrangement via at least one marker signal. In an advantageous embodiment of such embodiments, the marker triggers the start of the detection of at least one signal of at least one sensory component by at least one measuring arrangement via its marker signal. In an advantageous embodiment of embodiments of the invention with at least one marker, sensors that are used to monitor different properties are also equipped with markers that have different marker signals in order to trigger, in particular but not exclusively, different detection methods of the measuring arrangement or to be able to clearly assign the different sensors to the property of the reactor contents that they are monitoring. In some embodiments of the invention, at least one property of at least one sensory component that can be detected by suitable measuring arrangements is used as a marker in a sensor. For example, the luminescence intensity of a luminophore whose luminescence lifetime is detected as a signal can be detected as a marker signal, so that a suitable measuring arrangement always detects the luminescence lifetime when a luminescence marker signal is present.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann eine Messanordnung verschiedene Signale verschiedener sensorischer Komponenten und/oder verschiedene Markersignale verschiedener Marker erfassen. Dies erfolgt insbesondere durch Kombination verschiedener geeigneter Signaldetektoren und, wo erforderlich, Signalanreger.In an advantageous embodiment of the invention, a measuring arrangement can detect different signals from different sensory components and/or different marker signals from different markers. This is done in particular by combining different suitable signal detectors and, where necessary, signal exciters.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine Messanordnung ortsfest zum Reaktor angebracht, sodass keine Relativbewegung zwischen Reaktor und Messanordnung erfolgt. In anderen Ausführungen der Erfindung findet eine Relativbewegung zwischen Reaktor und mindestens einer Messanordnung statt.In some embodiments of the invention, at least one measuring arrangement is fixed to the reactor so that no relative movement occurs between the reactor and the measuring arrangement. In other embodiments of the invention, a relative movement occurs between the reactor and at least one measuring arrangement.
In einigen Ausführungen der Erfindung wird mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor beim Befüllen des Reaktors in den Reaktor zugegeben. In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Zugabe mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors in den Reaktor vor dem Beginn des im Reaktor durchzuführenden Prozesses, beispielsweise vor dem Beginn der Kultivierung oder Inkubation von Zellen oder vor dem Beginn einer chemischen Reaktion. In anderen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Zugabe mindestens eines erfindungsgemäßen Sensors in den Reaktor bereits vor dem Verpacken oder Sterilisieren des Reaktors oder aber während des bereits im Reaktor laufenden Prozesses. In Ausführungen, die hohe Sterilität oder Reinheit erfordern, erfolgt die Zugabe aus einem sterilen Zugabesystem für erfindungsgemäße Sensoren, welche dann ebenfalls steril sind.In some embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention is added to the reactor when the reactor is filled. In some embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention is added to the reactor before the start of the process to be carried out in the reactor, for example before the start of the cultivation or incubation of cells or before the start of a chemical reaction. In other embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention is added to the reactor before the packaging or sterilization of the reactor or while the process is already running in the reactor. In embodiments that require high sterility or purity, the addition takes place from a sterile addition system for sensors according to the invention, which are then also sterile.
In einigen Ausführungen werden die erfindungsgemäßen Sensoren vor der Zugabe in den Reaktor in einem Lagermedium aufbewahrt, welches die Haltbarkeit der Sensoren gewährleistet und die Sensoren einsatzbereit hält.In some embodiments, the sensors of the invention are stored in a storage medium prior to addition to the reactor, which ensures the durability of the sensors and keeps the sensors ready for use.
Erfindungsgemäß kann die Form jedes Sensors an die Form und Durchmischungsart eines Reaktors oder seines Reaktorinhalts angepasst sein. So können beispielsweise in Schüttelkolben oder anderen orbitalgeschüttelten Reaktoren Sensoren in Form von Ringsegmente oder davon abgeleiteten Formen passend zu den Radien der eingesetzten Reaktoren oder Orbitalbewegungen eine optimale Bewegung der Sensoren im Reaktor ermöglichen. In turbulent gerührten Rührkesselreaktoren können hingegen sphärische oder ellipsoide Sensoren vorteilhaft eingesetzt werden.According to the invention, the shape of each sensor can be adapted to the shape and type of mixing of a reactor or its reactor contents. For example, in shake flasks or other orbitally shaken reactors, sensors in the form of ring segments or shapes derived therefrom can be used to match the radii of the reactors or orbital movements used. allow optimal movement of the sensors in the reactor. In turbulent stirred tank reactors, however, spherical or ellipsoidal sensors can be used advantageously.
In einigen Ausführungen der Erfindung verfügen die erfindungsgemäßen Sensoren über Formelemente, die eine optimale Ausrichtung oder Bewegung der Sensoren im Reaktorinhalt oder Reaktionsgemisch begünstigen. Solche Formelemente sind insbesondere aber nicht ausschließlich flügel-, finnen- oder flossenartige Strukturen.In some embodiments of the invention, the sensors according to the invention have shaped elements that promote optimal alignment or movement of the sensors in the reactor contents or reaction mixture. Such shaped elements are in particular, but not exclusively, wing-, fin- or flipper-like structures.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens eine Sensormatrix, welche mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente enthält, gegenüber der Außenkontur des Sensors derart zurück- oder nach innen gesetzt, dass im Falle eines Zusammenstoßes oder anderweitigen Kontaktes zwischen dem betreffenden Sensor und dem Reaktor (insbesondere der Reaktorwand oder Reaktoreinbauten) kein direkter Kontakt zwischen Reaktor und der zurück- oder nach innen gesetzten mindestens einen sensorischen Komponente, konvertierenden Komponente oder Sensormatrix erfolgt. Vorteilhaft wird dadurch die mechanische Belastung der zurück- oder nach innen gesetzten mindestens einen sensorischen Komponente, konvertierenden Komponente oder Sensormatrix reduziert.In some embodiments of the invention, at least one sensory component or at least one converting component or at least one sensor matrix containing at least one sensory component or at least one converting component is set back or inward relative to the outer contour of the sensor in such a way that in the event of a collision or other contact between the sensor in question and the reactor (in particular the reactor wall or reactor internals), there is no direct contact between the reactor and the at least one sensory component, converting component or sensor matrix set back or inward. This advantageously reduces the mechanical load on the at least one sensory component, converting component or sensor matrix set back or inward.
In einigen Ausführungen der Erfindung besitzt ein Sensor eine Geometrie, die bestimmte Bewegungsformen im Reaktor gezielt behindert oder unterbindet. In vorteilhafter Ausführung der Erfindung für geschüttelte Reaktoren, insbesondere Schüttelkolben, wird dies durch Ecken oder Kanten in der Geometrie des Sensors erreicht, sodass Rollbewegungen behindert werden und ein entsprechend ausgeführter Sensor sich bei verschiedensten Durchmischungsbedingungen (insbesondere hinsichtlich Schüttelbedingungen, Füllstand des Reaktors und Viskosität des Reaktionsgemisches) bevorzugt mit dem Reaktionsgemisch bewegt, anstatt über den Reaktorboden zu rollen oder zu gleiten. In einigen solcher Ausführungen der Erfindung sind die Ecken und Kanten derart angeordnet und mit geeigneten Übergängen kombiniert, dass sich ein insgesamt vorteilhafter Anströmungszustand ergibt, der ebenfalls unerwünschten Roll- oder Gleitbewegungen vorbeugt, die Lage des Sensors im Reaktionsgemisch stabilisiert und die Bewegung des Sensors mit dem Reaktionsgemisch unterstützt.In some embodiments of the invention, a sensor has a geometry that specifically hinders or prevents certain forms of movement in the reactor. In an advantageous embodiment of the invention for shaken reactors, in particular shake flasks, this is achieved by corners or edges in the geometry of the sensor, so that rolling movements are hindered and a correspondingly designed sensor preferentially moves with the reaction mixture under a wide variety of mixing conditions (in particular with regard to shaking conditions, fill level of the reactor and viscosity of the reaction mixture) instead of rolling or sliding over the reactor floor. In some such embodiments of the invention, the corners and edges are arranged in such a way and combined with suitable transitions that an overall advantageous flow condition is obtained, which also prevents undesirable rolling or sliding movements, stabilizes the position of the sensor in the reaction mixture and supports the movement of the sensor with the reaction mixture.
Erfindungsgemäß kann die Dichte erfindungsgemäßer Sensoren entsprechend der Überwachungszielsetzung an die Dichte des Reaktorinhalts oder des Reaktionsgemisches angepasst sein, um Eigenschaften des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches in bestimmten Regionen, beispielsweise am Boden oder an der Oberfläche des Reaktionsgemisches, zu überwachen.According to the invention, the density of sensors according to the invention can be adapted to the density of the reactor contents or the reaction mixture according to the monitoring objective in order to monitor properties of the reactor contents or reaction mixture in certain regions, for example at the bottom or at the surface of the reaction mixture.
Erfindungsgemäß können mehrere Sensoren gleicher Art und Beschaffenheit in einem Reaktor eingesetzt werden. Dies kann insbesondere aber nicht ausschließlich in großen Reaktoren erfolgen, um die Zeit zwischen den Erfassungen mindestens eines Signals einer oder mehrerer bestimmter sensorischer Komponenten durch häufigeres Eintreten entsprechender Sensoren mit ebendiesen sensorischen Komponenten in den Erfassungsbereich geeigneter Messanordnungen zu verkürzen und somit eine engmaschigere Überwachung mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts zu ermöglichen.According to the invention, several sensors of the same type and nature can be used in a reactor. This can be done in particular, but not exclusively, in large reactors in order to shorten the time between the detection of at least one signal from one or more specific sensory components by more frequent entry of corresponding sensors with these same sensory components into the detection range of suitable measuring arrangements and thus enable closer monitoring of at least one property of the reactor contents.
Erfindungsgemäße Sensoren können eine oder mehrere konvertierende Komponenten umfassen, die kein durch Messanordnungen erfassbares Signal abgeben, aber die mit mindestens einer sensorischen Komponente interagieren und so mindestens eine durch eine Messanordnung erfassbare Eigenschaft und somit mindestens ein Signal der sensorischen Komponente beeinflussen.Sensors according to the invention can comprise one or more converting components which do not emit a signal detectable by measuring arrangements, but which interact with at least one sensory component and thus influence at least one property detectable by a measuring arrangement and thus at least one signal of the sensory component.
In einigen Ausführungen der Erfindung enthalten unterschiedliche erfindungsgemäße Sensoren mit jeweils unterschiedlichen konvertierenden Komponenten die gleiche sensorische Komponente sowie unterschiedliche Marker, um die Anzahl oder Komplexität der erforderlichen Messanordnungen zu reduzieren.In some embodiments of the invention, different sensors according to the invention, each with different converting components, contain the same sensory component and different markers in order to reduce the number or complexity of the required measuring arrangements.
In einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere verschiedene Signale einer oder mehrerer sensorischer Komponenten oder einer oder mehrerer Kombinationen aus mindestens einer sensorischen Komponente und mindestens einer konvertierenden Komponente genutzt, um eine Eigenschaft des Reaktorinhalts zu überwachen oder zu bestimmen.In some embodiments of the invention, a plurality of different signals from one or more sensory components or one or more combinations of at least one sensory component and at least one converting component are used to monitor or determine a property of the reactor contents.
In einigen Ausführungen der Erfindung kommen erfindungsgemäße Sensoren zum Einsatz, die in Segmente unterteilt sind, wobei verschiedene Segmente jeweils verschiedene Kombinationen aus mindestens einem Marker oder mindestens einer sensorischen Komponente und keiner, einer, oder mehreren konvertierenden Komponenten enthalten. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen befinden sich die Segmente in einer definierten Ordnung und einem definierten Abstand, sodass nur ein Marker erforderlich ist, um die sequenzielle Erfassung der Signale der sensorischen Komponenten aus den jeweiligen Segmenten des Sensors zu triggern. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen ist jedes Segment größer als der Erfassungsbereich des Sensors. In vorteilhafter Ausgestaltung solcher Ausführungen befindet sich zwischen angrenzenden Segmenten ein Bereich ohne sensorische Komponente. In einigen Ausführungen der Erfindung befindet sich zwischen angrenzenden Segmenten oder an mindestens einer Außenseite eines erfindungsgemäßen Sensors mindestens ein Marker.In some embodiments of the invention, sensors according to the invention are used which are divided into segments, with different segments each containing different combinations of at least one marker or at least one sensory component and none, one or more converting components. In an advantageous embodiment of such embodiments, the segments are in a defined order and at a defined distance, so that only one marker is required to trigger the sequential detection of the signals of the sensory components from the respective segments of the sensor. In an advantageous embodiment of such embodiments, each segment is larger than the detection area of the sensor. In an advantageous embodiment of such embodiments, there is an area without a sensory component between adjacent segments. In some embodiments of the invention, at least one marker is located between adjacent segments or on at least one outer side of a sensor according to the invention.
In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Bewegung erfindungsgemäßer Sensoren im Reaktorinhalt oder Reaktionsgemisch periodisch oder annähernd periodisch, sodass in regelmäßigen Abständen Signale der jeweiligen sensorischen Komponenten durch geeignete Messanordnungen erfasst werden können. In solchen Ausführungen kann vorteilhaft die Erfassung von Signalen und Markersignalen mit der Bewegungsperiodizität synchronisiert werden, insbesondere aber nicht ausschließlich auf Basis von zuvor erfassten Signalen und daraus berechneten Perioden oder auf der Basis der Erfassung periodischer Bewegungssignale, beispielsweise Beschleunigungen, Drehraten oder Positionen oder Verteilungen oder Bewegungsverhalten des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches.In some embodiments of the invention, the movement of sensors according to the invention in the reactor contents or reaction mixture occurs periodically or approximately periodically, so that signals from the respective sensory components can be recorded at regular intervals by suitable measuring arrangements. In such embodiments, the recording of signals and marker signals can advantageously be synchronized with the movement periodicity, in particular but not exclusively on the basis of previously recorded signals and periods calculated therefrom or on the basis of the recording of periodic movement signals, for example accelerations, rotation rates or positions or distributions or movement behavior of the reactor contents or reaction mixture.
In einigen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Erfassung mindestens eines Signals mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens eines Markersignals periodisch. Dabei kann in einigen Ausführungen der Erfindung, insbesondere aber nicht ausschließlich im Falle periodischer Durchmischungsbewegungen, die Erfassung vorteilhaft mit einer Frequenz erfolgen, die höher ist als die Durchmischungsfrequenz. Beispiele für Durchmischungsfrequenzen sind Rührerdrehzahlen, Schüttel- oder Wippfrequenzen und Volumenströme.In some embodiments of the invention, the detection of at least one signal of at least one sensory component or at least one marker signal is carried out periodically. In some embodiments of the invention, in particular but not exclusively in the case of periodic mixing movements, the detection can advantageously be carried out at a frequency that is higher than the mixing frequency. Examples of mixing frequencies are stirrer speeds, shaking or rocking frequencies and volume flows.
In einigen anderen Ausführungen der Erfindung erfolgt die Erfassung mindestens eines Signals mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens eines Markersignals nicht-periodisch, insbesondere teilweise oder vollständig randomisiert, um Schwebungen, Oszillationen, Aliasing und andere erfassungszeitabhängige Phänomene mindestens eines erfassten Signals mindestens einer sensorischen Komponente oder mindestens eines Markersignals zu minimieren oder zu eliminieren.In some other embodiments of the invention, the detection of at least one signal of at least one sensory component or at least one marker signal is non-periodic, in particular partially or completely randomized, in order to minimize or eliminate beats, oscillations, aliasing and other detection time-dependent phenomena of at least one detected signal of at least one sensory component or at least one marker signal.
In einigen Ausführungen der Erfindung verfügt der Reaktor über Vorrichtungen, die die Bewegung erfindungsgemäßer Sensoren beeinflussen, insbesondere, um die Aufenthaltswahrscheinlichkeit erfindungsgemäßer Sensoren in bestimmten Bereichen des Reaktors beziehungsweise Reaktorinhalts zu beeinflussen, zu erhöhen oder zu verringern. In solchen Ausführungen werden insbesondere aber nicht ausschließlich Strömungselemente, Stromstörer, Klappen, Finnen, Rillen, Rinnen, Netze, oder gezielte Fluidströmungen eingesetzt, um die Bewegung erfindungsgemäßer Sensoren zu beeinflussen.In some embodiments of the invention, the reactor has devices that influence the movement of sensors according to the invention, in particular in order to influence, increase or reduce the probability of sensors according to the invention being located in certain areas of the reactor or reactor contents. In such embodiments, in particular but not exclusively, flow elements, baffles, flaps, fins, grooves, channels, nets or targeted fluid flows are used to influence the movement of sensors according to the invention.
In einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere Signale sensorischer Komponenten und/oder Markersignale eines oder mehrerer Sensoren gleichzeitig oder zeitlich überlappend durch mehrere verschiedene Messanordnungen oder aber durch mehrere verschiedene Signaldetektoren oder Signalanreger-Signaldetektor-Paare auf der gleichen Messanordnung erfasst.In some embodiments of the invention, several signals of sensory components and/or marker signals of one or more sensors are detected simultaneously or in a temporally overlapping manner by several different measuring arrangements or by several different signal detectors or signal exciter-signal detector pairs on the same measuring arrangement.
In einigen Ausführungen der Erfindung werden mehrere erfasste Signale durch geeignete Algorithmen und Software auf Rechnern miteinander zu neuen Signalen oder Korrelaten verrechnet, welche dann zur Überwachung mindestens einer Eigenschaft des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches herangezogen werden.In some embodiments of the invention, several detected signals are combined with one another by suitable algorithms and software on computers to produce new signals or correlates, which are then used to monitor at least one property of the reactor contents or reaction mixture.
In einigen Ausführungen der Erfindung werden verschiedene konvertierende Komponenten oder sensorische Komponenten oder Kombinationen aus beiden miteinander vermischt oder anderweitig in räumlicher Nähe zueinander in einem gemeinsamen Segment eines Sensors eingebettet. In einigen Ausführungen der Erfindung werden solche Gemische aus verschiedenen konvertierenden Komponenten oder sensorischen Komponenten oder Kombinationen aus beiden gemeinsam durch eine geeignete Messanordnung erfasst, beispielsweise im Falle selbstreferenzierter Sensoren im Rahmen eines Dual-Lifetime-Referencings oder zur Kompensation von Umgebungstemperatur oder anderen Umgebungseigenschaften und -parametern.In some embodiments of the invention, different converting components or sensory components or combinations of both are mixed with each other or otherwise embedded in spatial proximity to each other in a common segment of a sensor. In some embodiments of the invention, such mixtures of different converting components or sensory components or combinations of both are detected together by a suitable measuring arrangement, for example in the case of self-referenced sensors as part of dual-lifetime referencing or to compensate for ambient temperature or other ambient properties and parameters.
In vorteilhafter Ausführung der Erfindung ist die Messanordnung außerhalb des Reaktors lokalisiert und durchdringt mit ihrem Erfassungsbereich die Reaktorwand sowie einen Teil des Reaktorinhalts. In einigen anderen Ausführungen der Erfindung ist die Messanordnung als Immersionssonde ausgeführt und liegt somit im Reaktorinneren. In weiteren Ausführungen der Erfindung befindet sich die Messanordnung vollständig innerhalb des Reaktors und bewegt sich mit dem oder gegen den Reaktorinhalt.In an advantageous embodiment of the invention, the measuring arrangement is located outside the reactor and its detection area penetrates the reactor wall and part of the reactor contents. In some other embodiments of the invention, the measuring arrangement is designed as an immersion probe and is therefore located inside the reactor. In further embodiments of the invention, the measuring arrangement is located completely inside the reactor and moves with or against the reactor contents.
Erfindungsgemäß kann die Beeinflussung der mindestens einen sensorischen Komponente und ihres durch mindestens eine Messanordnung erfassbaren Signals durch die mindestens eine zu überwachende Eigenschaft direkt oder indirekt erfolgen, insbesondere auch durch Interaktionsketten mit konvertierenden Komponenten oder mit anderen Eigenschaften oder Bestandteilen des Reaktorinhalts.According to the invention, the at least one sensory component and its signal detectable by at least one measuring arrangement can be influenced directly or indirectly by the at least one property to be monitored, in particular also by interaction chains with converting components or with other properties or components of the reactor contents.
In einigen Ausführungen der Erfindung wird die gleiche zu überwachende Eigenschaft des Reaktorinhalts oder Reaktionsgemisches durch mehrere verschiedene Kombinationen aus sensorischen Komponenten und, soweit erforderlich konvertierenden Komponenten sowie gegebenenfalls unterschiedlichen Messanordnungen redundant erfasst. Vorteilhaft erhöht diese Redundanz die Robustheit und Qualität der Überwachung der zu überwachenden Eigenschaft.In some embodiments of the invention, the same property of the reaction to be monitored is The contents of the reactor or reaction mixture are recorded redundantly by several different combinations of sensory components and, where necessary, converting components and, if necessary, different measuring arrangements. This redundancy advantageously increases the robustness and quality of the monitoring of the property to be monitored.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor schichtweise aufgebaut. In einigen Ausführungen der Erfindung weist mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor eine Kern-Schale-Struktur auf, wobei ein aus mindestens einer Sensormatrix bestehender Kern als Träger mindestens einer aktiven Schale fungiert, wobei die aktive Schale mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens einen Marker oder Kombinationen der vorgenannten umfasst. In einigen Ausführungen der Erfindung kann auch ein solcher Kern mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens einen Marker oder Kombinationen der vorgenannten umfassen oder selbst schichtweise aufgebaut sein.In some embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention is constructed in layers. In some embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention has a core-shell structure, wherein a core consisting of at least one sensor matrix acts as a carrier of at least one active shell, wherein the active shell comprises at least one sensory component or at least one converting component or at least one marker or combinations of the aforementioned. In some embodiments of the invention, such a core can also comprise at least one sensory component or at least one converting component or at least one marker or combinations of the aforementioned or can itself be constructed in layers.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens ein erfindungsgemäßer Sensor derart aufgebaut, dass während der Verweilzeit des Sensors im Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung weitestgehend oder vollständig unabhängig von seiner Orientierung mindestens eine sensorische Komponente oder mindestens eine konvertierende Komponente oder mindestens ein Marker oder eine Kombination der vorgenannten durch die Messanordnung erfasst oder angeregt oder angeregt und erfasst werden kann. In einigen Ausführungen der Erfindung ist der Sensor daher rotationssymmetrisch aufgebaut.In some embodiments of the invention, at least one sensor according to the invention is constructed in such a way that during the dwell time of the sensor in the detection range of at least one measuring arrangement, at least one sensory component or at least one converting component or at least one marker or a combination of the aforementioned can be detected or excited or excited and detected by the measuring arrangement largely or completely independently of its orientation. In some embodiments of the invention, the sensor is therefore constructed rotationally symmetrically.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine Sensormatrix oder mindestens einer ihrer Bestandteile oder mindestens eine durch sie eingebetteten Komponenten derart vorgerichtet, dass Hintergrundsignale aus der Umgebung, insbesondere aber nicht ausschließlich Umgebungslicht, elektromagnetische Felder oder andere Strahlung abgeschirmt werden. Dadurch wird die Wechselwirkung solcher Hintergrundsignale mit sensorischen oder konvertierenden Komponenten oder Markern oder mit der Erfassung von Signalen sensorischer Komponenten oder von Markersignalen im Erfassungsbereich mindestens einer Messanordnung während der Verweilzeit des betreffenden Sensors im Erfassungsbereich der mindestens einen Messanordnung reduziert. Beispiele für solche Ausführungen können insbesondere aber nicht ausschließlich optisch undurchlässige oder selektiv durchlässige Schichten oder Farbstoffe, Streu- oder Absorptionskomponenten sowie Materialien mit geeigneter Permeabilität oder Permittivität umfassen.In some embodiments of the invention, at least one sensor matrix or at least one of its constituent parts or at least one component embedded by it is designed in such a way that background signals from the environment, in particular but not exclusively ambient light, electromagnetic fields or other radiation, are shielded. This reduces the interaction of such background signals with sensory or converting components or markers or with the detection of signals from sensory components or marker signals in the detection range of at least one measuring arrangement during the dwell time of the relevant sensor in the detection range of the at least one measuring arrangement. Examples of such embodiments can include in particular but not exclusively optically opaque or selectively permeable layers or dyes, scattering or absorption components and materials with suitable permeability or permittivity.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist mindestens eine Sensormatrix derart vorgerichtet, dass sie mindestens ein Signal mindestens einer sensorischen Komponenten oder mindestens ein Markersignal oder mindestens eine Signalanregung verstärkt, insbesondere aber nicht ausschließlich mittels Streu- oder Reflexionsschichten oder in mindestens einer Sensormatrix eingebrachter Streu- oder Reflexionspartikel.In some embodiments of the invention, at least one sensor matrix is designed such that it amplifies at least one signal of at least one sensory component or at least one marker signal or at least one signal excitation, in particular but not exclusively by means of scattering or reflection layers or scattering or reflection particles introduced into at least one sensor matrix.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail with reference to the figures and embodiments.
Ausführungsbeispiele und Figurenembodiments and figures
-
1 , eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung zweier Sensoren 5 mit unterschiedlichen sensorischen Komponenten 7.1 , a schematic representation of the method according to the invention using two sensors 5 with different sensory components 7. -
2 , eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel einer T-Flask als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen.2 , a schematic representation of a sensor 5 according to the invention and of a device according to the invention for carrying out the method according to the invention using the example of a T-flask as a reactor 1 for cultivating cells. -
3 , eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel eines Schüttelkolbens als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen mit Zugabesystem 18 für Sensoren 5.3 , a schematic representation of a sensor 5 according to the invention for carrying out the method according to the invention using the example of a shake flask as reactor 1 for cultivating cells with addition system 18 for sensors 5. -
4 , eine schematische Darstellung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Schüttelkolben als Reaktor 1 zur Kultivierung von Zellen unter Einsatz des in3 dargestellten erfindungsgemäßen Sensors 5.4 , a schematic representation for carrying out the method according to the invention on a shake flask as reactor 1 for culturing cells using the in3 illustrated sensor 5 according to the invention. -
5 , eine schematische Darstellung zweier erfindungsgemäßer Sensoren 5 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Rührkesselreaktor als Reaktor 1.5 , a schematic representation of two sensors 5 according to the invention and a device according to the invention for carrying out the method according to the invention in a stirred tank reactor as reactor 1. -
6 , eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensors 5 in Kern-Schale-Ausführung mit angepasster Geometrie für die Anwendung in orbitalgeschüttelten Systemen.6 , a schematic representation of a sensor 5 according to the invention in core-shell design with adapted geometry for use in orbitally shaken systems.
Gleiche oder gleich wirkende Elemente werden in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei jeweils nur die Bezugszeichen verwendet werden, die zum Verständnis der Figur, auch im Kontext mit den anderen Figuren, notwendig sind. Auf Doppelbezeichnungen in gleichen oder ähnlichen Bestandteilen einer Figur wird daher weitestgehend verzichtet.Identical or similarly functioning elements are given identical reference symbols in the figures, whereby only those reference symbols are used that are necessary for understanding the figure, including in the context of the other figures. Double designations in identical or similar components of a figure are therefore largely avoided.
Bei der in
Das erfindungsgemäße Verfahren wird aus
Durch die in
Die in
Die in
Der untere Abschnitt von
Der in
Der in
In
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
Zur jeweiligen Interpretation der Bezugszeichen sind Beschreibung und Ansprüche zu beachten. Bezugszeichen, die mit Buchstaben ergänzt werden, bezeichnen separate oder unterschiedliche Elemente des gleichen Typs.
- 1
- Reaktor
- 2
- Reaktorinhalt
- 3
- Reaktionsgemisch
- 4
- Kopfraum
- 5
- Sensor
- 6
- Messanordnung
- 7
- Sensorische Komponente mit mindestens einer durch die Messanordnung 6 erfassbaren Eigenschaft
- 8
- Signal einer durch eine Messanordnung 6 erfassbaren sensorischen Komponente 7
- 9
- Erfassungsbereich einer Messanordnung 6
- 10
- Bewegung eines Sensors 5
- 11
- Konvertierende Komponente, die mit mindestens einer sensorischen Komponente 7 oder mindestens einer konvertierenden Komponente interagiert
- 12
- Sensormatrix
- 13
- Marker
- 14
- Markersignal
- 15
- Signaldetektor
- 16
- Signalanreger
- 17
- Signalanregung
- 18
- Zugabesystem
- 19
- Lagermedium
- 20
- Zugabe mindestens eines Sensors 5 in einen Reaktor 1
- 21
- Zeit
- 22
- Intensität von Signalen 8 beziehungsweise Markersignalen 14
- 23
- Erfassungszeit
- 24
- Verweilzeit
- 25
- Mischbewegung
- 26
- Flosse mit im Vergleich zum Reaktorinhalts 2 oder Reaktionsgemisch 3 höherer Dichte
- 27
- Flosse mit im Vergleich zum Reaktorinhalts 2 oder Reaktionsgemisch 3 niedrigerer Dichte
- 28
- Rührwerk
- 1
- reactor
- 2
- reactor contents
- 3
- reaction mixture
- 4
- headspace
- 5
- sensor
- 6
- measuring arrangement
- 7
- Sensory component with at least one property that can be detected by the measuring arrangement 6
- 8
- Signal of a sensory component 7 detectable by a measuring arrangement 6
- 9
- detection range of a measuring arrangement 6
- 10
- movement of a sensor 5
- 11
- Converting component that interacts with at least one sensory component 7 or at least one converting component
- 12
- sensor matrix
- 13
- marker
- 14
- marker signal
- 15
- signal detector
- 16
- signal stimulator
- 17
- signal excitation
- 18
- addition system
- 19
- storage medium
- 20
- Addition of at least one sensor 5 into a reactor 1
- 21
- Time
- 22
- Intensity of signals 8 or marker signals 14
- 23
- recording time
- 24
- dwell time
- 25
- mixing movement
- 26
- Fin with higher density compared to reactor contents 2 or reaction mixture 3
- 27
- Fin with lower density compared to reactor contents 2 or reaction mixture 3
- 28
- agitator
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 10101576 A1 [0012]DE 10101576 A1 [0012]
- EP 1397672 A1 [0013]EP 1397672 A1 [0013]
- EP 3821230 A1 [0014]EP 3821230 A1 [0014]
- DE 102018105174 A1 [0014]DE 102018105174 A1 [0014]
- EP 2321052 A1 [0014]EP 2321052 A1 [0014]
- US 2008171383 A1 [0014]US 2008171383 A1 [0014]
- DE 102004017039 A1 [0020]DE 102004017039 A1 [0020]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- Wang Xu-dong und Otto S. Wolfbeis („Optical Methods for Sensing and Imaging Oxygen: Materials, Spectroscopies and Applications“. Chem. Soc. Rev. 43, Nr. 10 (2014): 3666-3761. https://doi.org/10.1039/C4CS00039K [0006]Wang Xu-dong and Otto S. Wolfbeis (“Optical Methods for Sensing and Imaging Oxygen: Materials, Spectroscopies and Applications”. Chem. Soc. Rev. 43, No. 10 (2014): 3666-3761. https://doi .org/10.1039/C4CS00039K [0006]
- von Andreas Steinegger, Otto S. Wolfbeis, und Sergey M. Borisov („Optical Sensing and Imaging of PH Values: Spectroscopies, Materials, and Applications“. Chemical Reviews 120, Nr. 22 (25. November 2020): 12357-489. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00451 [0007]by Andreas Steinegger, Otto S. Wolfbeis, and Sergey M. Borisov (“Optical Sensing and Imaging of PH Values: Spectroscopies, Materials, and Applications.” Chemical Reviews 120, No. 22 (November 25, 2020): 12357-489. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00451 [0007]
- von David Flitsch, Tobias Ladner, Mihaly Lukacs, und Jochen Büchs („Easy to Use and Reliable Technique for Online Dissolved Oxygen Tension Measurement in Shake Flasks Using Infrared Fluorescent Oxygen-Sensitive Nanoparticles“. Microbial Cell Factories 15, Nr. 1 (Dezember 2016): 45. https://doi.org/10.1186/s12934-016-0444-4 [0010]by David Flitsch, Tobias Ladner, Mihaly Lukacs, and Jochen Büchs (“Easy to Use and Reliable Technique for Online Dissolved Oxygen Tension Measurement in Shake Flasks Using Infrared Fluorescent Oxygen-Sensitive Nanoparticles.” Microbial Cell Factories 15, No. 1 (December 2016 ): 45. https://doi.org/10.1186/s12934-016-0444-4 [0010]
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10101576A1 (en) | 2001-01-15 | 2002-09-12 | Presens Prec Sensing Gmbh | Optical sensor and sensor field |
EP1397672A1 (en) | 2001-06-18 | 2004-03-17 | Presens Precision Sensing GmbH | Oxygen sensors disposed on a microtiter plate |
DE102004017039A1 (en) | 2004-04-02 | 2005-11-03 | Rwth Aachen | Method and device for detecting process parameters of reaction liquids in a plurality of shaken microreactors |
US20080171383A1 (en) | 2006-11-03 | 2008-07-17 | Finesse Solutions, Llc. | Optical interface for disposable bioreactors |
EP2321052A1 (en) | 2008-08-08 | 2011-05-18 | Broadley-James Corporation | Device for exposing a sensor to a cell culture population in a bioreactor vessel |
DE102018105174A1 (en) | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Presens Precision Sensing Gmbh | ANALYSIS UNIT |
EP3821230A1 (en) | 2018-07-09 | 2021-05-19 | PreSens Precision Sensing GmbH | System for analysis of a fluid sample |
-
2023
- 2023-04-28 DE DE102023111143.4A patent/DE102023111143A1/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10101576A1 (en) | 2001-01-15 | 2002-09-12 | Presens Prec Sensing Gmbh | Optical sensor and sensor field |
EP1397672A1 (en) | 2001-06-18 | 2004-03-17 | Presens Precision Sensing GmbH | Oxygen sensors disposed on a microtiter plate |
DE102004017039A1 (en) | 2004-04-02 | 2005-11-03 | Rwth Aachen | Method and device for detecting process parameters of reaction liquids in a plurality of shaken microreactors |
US20080171383A1 (en) | 2006-11-03 | 2008-07-17 | Finesse Solutions, Llc. | Optical interface for disposable bioreactors |
EP2321052A1 (en) | 2008-08-08 | 2011-05-18 | Broadley-James Corporation | Device for exposing a sensor to a cell culture population in a bioreactor vessel |
DE102018105174A1 (en) | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Presens Precision Sensing Gmbh | ANALYSIS UNIT |
EP3821230A1 (en) | 2018-07-09 | 2021-05-19 | PreSens Precision Sensing GmbH | System for analysis of a fluid sample |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
von Andreas Steinegger, Otto S. Wolfbeis, und Sergey M. Borisov („Optical Sensing and Imaging of PH Values: Spectroscopies, Materials, and Applications". Chemical Reviews 120, Nr. 22 (25. November 2020): 12357-489. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00451 |
von David Flitsch, Tobias Ladner, Mihaly Lukacs, und Jochen Büchs („Easy to Use and Reliable Technique for Online Dissolved Oxygen Tension Measurement in Shake Flasks Using Infrared Fluorescent Oxygen-Sensitive Nanoparticles". Microbial Cell Factories 15, Nr. 1 (Dezember 2016): 45. https://doi.org/10.1186/s12934-016-0444-4 |
Wang Xu-dong und Otto S. Wolfbeis („Optical Methods for Sensing and Imaging Oxygen: Materials, Spectroscopies and Applications". Chem. Soc. Rev. 43, Nr. 10 (2014): 3666-3761. https://doi.org/10.1039/C4CS00039K |
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