DE102005021305A1

DE102005021305A1 - Reaktoreinheit und Reaktor mit einer derartigen Reaktoreinheit

Info

Publication number: DE102005021305A1
Application number: DE102005021305A
Authority: DE
Inventors: Paul Prof. Dr. Hengster; Franz Dr. Kugelmann; Raimund Prof. Dr. Margreiter; Bernd Nederlof; Michael Paul; Marco Dr. Caronna; Massimo Dr. Fini; Ciro Prof. Dr. Tetta; Thomas Dr. Wild; Micaela Dr. Yakubovich
Original assignee: Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
Current assignee: Fresenius Medical Care Deutschland GmbH
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2005-05-09
Publication date: 2006-11-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Reaktoreinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch den Innenraum eines Gehäuses gebildet wird und wobei die zweite Kammer durch den Innenraum mehrerer in dem Gehäuse angeordneter Hohlfasern gebildet wird. Die Hohlfasern sind in dem Gehäuse derart angeordnet, dass ihre auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte in wenigstens einem Bereich der ersten Kammer 10 Fasern/mm² nicht übersteigt. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Reaktoreinheit zwei Vergussmassen angeordnet sind, in denen ein Abschnitt der Hohlfasern eingebettet ist und zwischen denen sich ein weiterer Abschnitt der Hohlfasern erstreckt, wobei die Länge wenigstens einiger oder aller Hohlfasern mindestens 0,5% über dem Abstand der Vergussmassen liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reaktoreinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch den Innenraum eines Gehäuses gebildet wird und wobei die zweite Kammer durch den Innenraum mehrerer in dem Gehäuse angeordneter Hohlfasern gebildet wird.

Derartige Reaktoreinheiten sind in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt und dienen beispielsweise dazu, humane oder tierische Zellen unterschiedlichen Ursprungs zu züchten oder finden beispielsweise Anwendung in der künstlichen Leber- und Pankreasersatztherapie.

Aus der U.S. 5,437,998 ist ein Reaktor bekannt, der eine rotierbar angeordnete Reaktoreinheit aufweist, in der sich ein Medium mit zu züchtenden Zellen befindet. Die Versorgung des Zellmediums mit Sauerstoff sowie die Abfuhr des gebildeten CO₂ wird mittels einer permeablen Wandung der Reaktoreinheit erreicht.

Aus der WO 03/105663 A2 ist ein Leberunterstützungssystem bekannt, das eine Reaktoreinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer aufweist, wobei die erste Kammer durch den Innenraum eines Gehäuses und die zweite Kammer durch die Innenräume von Hohlfasern eines in dem Gehäuse aufgenommenen Hohlfaserbündels gebildet wird. Die Hepatozyten befinden sich in der ersten Kammer. Das Blutplasma wird in einer Ausführungsform des beschriebenen Reaktors durch die Innenräume der Hohlfasem, d. h. durch die zweite Kammer geführt. Der Stoffaustausch erfolgt über die Hohlfasermembranen. Die Hohlfasern sind gerade ausgeführt und verlaufen in Längsrichtung des Gehäuses. Aus der WO 04/050864 A1 ist ein Bioreaktor bekannt, bei dem eine die zu züchtenden Zellen enthaltende Kammer vorgesehen ist, die mittels einer Membran von einer ein Nährmedium führenden Zufuhr- bzw. Abfuhrleitung getrennt ist.

Wie oben ausgeführt, können Reaktoreinheiten der eingangs genannten Art beispielsweise dazu herangezogen werden, Zellen zu züchten. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Therapie, beispielsweise die Leber- und Pankreasersatztherapie. Vorbekannte Reaktoreinheiten besitzen somit beispielsweise eine erste Kammer zur Kultivierung von Zellen, durch die ein durch die zweite Kammer gebildeter Versorgungskreislauf verläuft, durch den ein Nährmedium bzw. Blut oder Blutkomponenten strömt. Die zweite Kammer wird im Regelfall durch ein Hohlfasermembranbündel gebildet, wobei über die Membranen der Hohlfasern Stoffe mit dem Medium in der ersten Kammer ausgetauscht werden. Dabei ist üblicherweise vorgesehen, dass größere Einheiten, wie z. B. Zellen die Membran der Hohlfasern nicht passieren können. Mittels einer derartigen Reaktoreinheit können die Zellen in der ersten Kammer mit Nährstoff versorgt und Stoffwechselprodukte abgeführt werden. Im Falle der oben genannten Verwendung der Reaktoreinheit als künstliche Leber werden Stoffe aus dem Blut mit der Kammer ausgetauscht, die dann von Leberzellen metabolisiert werden.

Für die oben genannten Vorgänge ist ein guter Stoffaustausch zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer der Reaktoreinheit erforderlich. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Reaktoreinheit der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Reaktoreinheit gegenüber vorbekannten Reaktoreinheiten verbesserte Stoffaustauscheigenschaften aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Reaktoreinheit mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Danach ist vorgesehen, dass die Hohlfasern in dem Gehäuse derart angeordnet sind, dass ihre auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte in wenigstens einem Bereich der ersten Kammer 10 Fasern/mm² nicht übersteigt. Es hat sich gezeigt, dass der Stoffaustausch zwischen der ersten und der zweiten Kammer optimal erfolgen kann, wenn die Hohlfasern eine bestimmte Dichte bezogen auf den Querschnitt der ersten Kammer nicht überschreiten. Dabei wurde festgestellt, dass ein guter Austausch dann erfolgt, wenn die Dichte der Fasern nicht den maximal möglichen Wert aufweist, sondern darunter liegt. Eine wie bei Hämodialysatoren bevorzugte dichteste Packung der Fasern ist hier nicht vorteilhaft. Eine minimale Dichte ergibt sich aus der Gewährleistung der Versorgungskapazität, die auch von der Gesamtaustauschfläche abhängt.

Bei einer Hohlfaser mit einem Außendurchmesser von ca. 250 µm beträgt die maximale Faserdichte 12 Fasern/mm². Es hat sich gezeigt, dass ein besonders günstiger Stoffaustausch dann erzielt wird, wenn die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogenen Dichte der Fasern den Wert von 10 Fasern/mm² nicht übersteigt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die flächenbezogene Dichte der Hohlfasern in wenigstens einem Bereich der ersten Kammer im Bereich von 0,2 bis 10 Fasern/mm², vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 6 Fasern/mm² und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 4 Fasern/mm² liegt. Diese Dichten sind wenigstens in einem Punkt der ersten Kammer zu realisieren.

Die hier und im Folgenden angegebenen Faserdichten beziehen sich auf eine gleichmäßige Faserdichte bezogen auf 1 cm².

Die erfindungsgemäße flächenbezogene Dichte der Hohlfasern der Reaktoreinheit kann einerseits dadurch realisiert werden, dass die Fasern bereits in der entsprechenden Dichte vergossen, d. h. bzw. in ihren Endbereichen in Vergussmassen eingebettet werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, die Fasern in Form ihrer dichtestmöglichen Packung zu vergießen und sodann den Abstand zwischen den beiden Vergussmassen in der Kammer zu verringern, so dass der Abstand der Vergussflächen geringer ist als die Länge des zwischen den Vergussmassen befindlichen Abschnittes der Fasern. In diesem Fall verlaufen die Fasern zwischen den Vergussflächen nicht gerade, sondern gekrümmt, beispielsweise spindelförmig.

Somit ist es denkbar, dass sich die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern in Faserlängsrichtung ändert. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn die Fasern in ihrer dichtesten Packung vergossen werden, jedoch der Abstand zwischen den zueinander gewandten Flächen der Vergussmassen geringer ist als die Länge der zwischen den Vergussmassen befindlichen Faserabschnitte. Alternativ dazu kann auch vorgesehen sein, dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern in Faserlängsrichtung konstant ist. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist dann denkbar, wenn die Fasern in der gewünschten Dichte, die unter der maximal möglichen Dichte liegt, vergossen werden.

Grundsätzlich ist es möglich, dass in der Reaktoreinheit eine oder auch mehr als eine Vergussmasse angeordnet sind, in denen ein Abschnitt, üblicherweise der Endabschnitt, der Hohlfasern eingebettet ist. Eine Vergussmasse kann dann vorgesehen sein, wenn die Fasern beispielsweise einen U-förmigen Verlauf aufweisen.

Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Reaktoreinheit zwei Vergussmassen aufweist, die sich gegenüber liegen, in denen ein Abschnitt, vorzugsweise der Endabschnitt der Hohlfasern eingebettet ist und zwischen denen sich ein weiterer Abschnitt der Hohlfasern erstreckt.

Wie oben ausgeführt, kann dabei vorgesehen sein, dass die Hohlfasern zwischen den Vergussmassen gerade oder auch gekrümmt verlaufen, so dass sich beispielsweise ein bauchiges oder spindelförmiges Hohlfaserbündel ergibt. Dabei füllen die Fasern das Volumen der ersten Kammer weitgehender aus, als bei einem gestreckten, geraden Faserverlauf.

Wie oben ausgeführt, besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, dass die Länge des zwischen den Vergussmassen befindlichen Abschnittes wenigstens einiger oder aller Hohlfasern mindestens 0,5 % über dem Abstand der zueinander gewandten Flächen der Vergussmassen liegt. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Länge der genannten Abschnitte wenigstens einiger oder aller Hohlfasern mindestens 1 % und bevorzugt mindestens 3 % über dem genannten Abstand der Vergussflächen liegt.

Es besteht die Möglichkeit, die Hohlfasern mit geeigneten Mitteln derart einzuschnüren, dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern erhöht ist. Grundsätzlich können die Hohlfasern bzw. die durch diese gebildeten Spindeln beispielsweise durch O-Ringe eingeschnürt werden, so dass die Dichte wieder nach oben reguliert werden kann.

Die Erfindung betrifft ferner eine Reaktoreinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch den Innenraum eines Gehäuses gebildet wird und wobei die zweite Kammer durch den Innenraum mehrerer in dem Gehäuse angeordneter Hohlfasern gebildet wird. Dabei ist vorgesehen, dass in der Reaktoreinheit wenigstens zwei Vergussmassen angeordnet sind, in denen ein Abschnitt, vorzugsweise der Endabschnitt der Hohlfasern eingebettet ist und zwischen denen sich ein weiterer Abschnitt der Hohlfasern erstreckt, wobei die Länge des sich zwischen den Vergussmassen befindlichen Hohlfaserabschnittes wenigstens einiger oder aller Hohlfasern mindestens 0,5 % über dem Abstand der zueinander gewandten Vergussflächen liegt. Auf diese Weise ergibt sich eine geringere flächenbezogene Faserdichte als für den Fall, dass der Abstand der zueinander gewandten Vergussflächen der Länge des Abschnittes der Hohlfasern entspricht, der sich zwischen diesen erstreckt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine derartige Reaktoreinheit gemäß dem kennzeichnenden Teil eines der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt ist.

Der Verlauf der Hohlfasern in dem Gehäuse ist weitgehend beliebig. Denkbar ist es, dass die Hohlfasern derart angeordnet sind, dass das durch diese strömende Medium in eine Richtung oder in wenigstens zwei unterschiedliche Richtungen geführt wird. Im letzten Fall erfährt das durch die Hohlfasern strömende Medium somit wenigstens eine Richtungsänderung. Denkbar ist beispielsweise, dass der Strömungsverlauf des durch die Hohlfasern strömenden Mediums im wesentlichen U-förmig ausgestaltet ist bzw. das U-fönnig ausgeführte Hohlfasem zum Einsatz kommen.

Liegt wenigstens eine Richtungsänderung vor, ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung insbesondere dann, wenn der Stoffaustausch zwischen beiden Kammern zumindest auch durch Konvektion erfolgen soll. Der konvektive Stofftransport ist direkt proportional zur Druckdifferenz über die Hohlfasermembranen. Der Druckabfall in den Hohlfasern ist direkt proportional zur Länge der Faser und umgekehrt proportional zum Durchmesser der Faser in der vierten Potenz. Wenn somit der Strömungsverlauf des durch die Hohlfasern strömenden Mediums mindestens einmal eine Richtungsänderung, beispielsweise eine Richtungsumkehr erfährt, in der er z. B. mindestens einmal hin- und zurückgeführt wird, erhöht sich der Gesamtweg durch das Gehäuse entsprechend. Dies bedingt einen entsprechend höheren Druck in den Hohlfasermembranen und führt zu einer Erhöhung der Druckdifferenz über die Hohlfasermembranen und damit zu einer Erhöhung des konvektiven Austausches.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Zulauf sowie der Ablauf der Hohlfasern an derselben Seite des Gehäuses angeordnet sind. Dabei ist es möglich, dass der Strömungspfad des durch die Hohlfasern geführten Mediums U-förmig ist oder auch mehrere Richtungsänderungen aufweist. Es ist möglich, den Druckunterschied zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer bzw. der in diesen befindlichen Medien derart einzustellen, dass dieser am Umkehrpunkt der Hohlfasern den Wert Null annimmt. Vor diesem Umkehrpunkt findet aufgrund des Druckunterschiedes eine Konvektion aus den Hohlfasern in die erste Kammer und in dem sich an den Umkehrpunkt anschließenden Strömungsweg eine Konvektion aus der ersten in die zweite Kammer statt, d. h. aus dem in dem Gehäuse befindlichen Medium in die Hohlfasern.

Wie oben ausgeführt, können die Hohlfasem in dem Gehäuse derart angeordnet sein, dass ein durch die Hohlfasern strömendes Medium einen im wesentlichen U-förmigen Strömungsverlauf nimmt.

Die Hohlfasern können im wesentlichen U-förmig ausgeführt sein. Denkbar ist ebenfalls, dass die Hohlfasern gerade ausgeführt sind und an ihren beiden Endbereichen in Vergussmassen eingebettet sind, wobei die Strömungsführung derart ausgestaltet ist, dass das Medium zunächst eine oder mehrere Hohlfasern durchströmt, in deren Endbereich eine Richtungsänderung erfährt und sodann durch andere Hohlfasern zurückströmt.

Das Gehäuse kann rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch ausgeführt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hohlfasern ausgehend von dem Zulauf bis zu einem Bereich, in dem sich die Richtung des Verlaufes der Hohlfasern ändert, in eine erste Richtung verlaufen und ab dem Bereich der Richtungsänderung in eine zweite, von der ersten abweichenden Richtung verlaufen, wobei die in der ersten Richtung verlaufenden Hohlfaserabschnitte radial innen und die in der zweiten Richtung verlaufenden Hohlfaserabschnitte relativ dazu radial außen verlaufen. Eine derartige Ausführungsform kommt beispielsweise dann in Betracht, wenn die Hohlfasern bereits mit relativ geringer Dichte in den Vergußmassen eingebettet sind. Denkbar ist beispielsweise, dass der Druckunterschied zwischen der ersten und zweiten Kammer so gewählt wird, dass eine räumliche Trennung von zuführenden und abführenden Hohlfasern vorliegt. Dadurch kann eine gute Durchmischung erreicht werden. Denkbar ist es beispielsweise, die zuführenden Fasern radial innen und die abführenden Fasern parallel dazu radial außen anzuordnen. Grundsätzlich sind auch davon abweichende Ausgestaltungen denkbar, wie beispielsweise die umgekehrte Anordnung mit außen liegenden zuführenden Fasem und innen liegenden abführenden Fasern.

Wie oben ausgeführt, ist der Druckabfall in der Hohlfaser umgekehrt proportional zum Durchmesser der Faser in der vierten Potenz. Angesichts dessen ist es günstig, einen möglichst kleinen Faserdurchmesser zu wählen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Innendurchmesser der Hohlfasern höchstens 300 µm, vorzugsweise höchstens 200 µm und besonders bevorzugt ca. 100 µm beträgt.

Eine hohe Porosität der Hohlfasermembranen ermöglicht ebenfalls einen guten Stoffaustausch. Die hydraulische Permeabilität der Membran sollte zumindest 200 ml/mmHg × h × m², bevorzugt mindestens 500 ml/mmHg × h × m2 betragen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Cutoff der die Hohlfasern bildenden Membran im Bereich zwischen 10⁴ Da und 10⁷ Da, vorzugsweise im Bereich zwischen 10⁵ Da und 10⁶ Da liegt. Ein besonders bevorzugter Cutoff liegt im Bereich von 700.000 bis 900.000 Da. Selbstverständlich sind davon abweichende Porositäten bzw. Cutoffs möglich. In Abhängigkeit vom Einsatzzweck ist auch die Verwendung von Hohlfasermembranen mit geringer Porosität denkbar.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Reaktoreinheit als Disposable ausgeführt ist.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Reaktoreinheit aus Materialien aufgebaut ist, die wasserdampfsterilisierbar sind. Die verwendeten Materialien entsprechen bevorzugt den Materialien, die auch in Dialysefiltern verwendet werden. Denkbar ist es somit, das Gehäuse aus PP und/oder die Vergussmasse aus Polyurethan und/oder die Hohlfasern aus Polyarylethersulfonen, vorzugsweise aus Polysulfonen und besonders bevorzugt aus mit PVP hydrophilisierten Polysulfonen auszuführen. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind alle Materialien bei einer Dampfsterilisation bei 121 °C formbeständig.

Die Erfindung betrifft ferner einen Reaktor mit einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit, wobei die Reaktoreinheit rotierbar angeordnet ist. Ein besonders guter Stoffaustausch zwischen der ersten und zweiten Kammer ergibt sich dann, wenn die Reaktoreinheit nicht ruht, sondern rotiert. Dementsprechend betrifft eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung einen Reaktor mit einer rotierbar angeordneten Reaktoreinheit. Es können entsprechende Antriebsmittel vorgesehen sein, durch die die Reaktoreinheit in eine Rotationsbewegung versetzt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Reaktor gleitringdichtungsfrei ausgeführt ist. Bei einer mindestens einmaligen Umkehr der Strömungsrichtung durch die Hohlfasern kann der Zulauf und der Ablauf der Hohlfasern auf derselben Seite des Gehäuses liegen. Insbesondere in diesem Fall ist es möglich, die Reaktoreinheit ohne Gleitringdichtung auszuführen, wie dies beispielsweise in der EP 1 270 079 A2 und DE 198 03 534 C2 am Beispiel eines Zellseparators beschrieben ist. Auf diese Druckschriften wird insoweit Bezug genommen. Es bieten sich wesentliche Vorteile für die Sterilisierbarkeit sowie auch für die Kontaminationssicherheit wenn auf eine Gleitringdichtung verzichtet wird. Zudem sinken die Produktionskosten für die Reaktoreinheit.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bewirkung eines Stoffaustausches mittels einer oder mehrer Hohlfasern unter Verwendung einer Reaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26 oder eines Reaktors nach Anspruch 27 oder 28, wobei der Druck in der durch die Hohlfaserinnenräume gebildeten zweiten Kammer sowie in der durch das Gehäuse gebildeten ersten Kammer derart eingestellt ist, dass der Stoffaustausch durch die Hohlfasern zumindest teilweise durch Konvektion erfolgt. Diesem konvektiven Stoffaustausch kann ein Stoffaustausch durch Diffusion überlagert sein. Der Stoffaustausch durch Konvektion ist vorzugsweise bidirektional und kommt insbesondere für mittel- und höhermolekulare Syntheseprodukte bzw. Nährstoffe mit geringerer Diffusionsgeschwindigkeit in Betracht.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Druckverhältnisse zwischen der ersten und der zweiten Kammer derart gewählt sind, dass der konvektive Stoff transport in einem Abschnitt der Hohlfasern aus dem in den Hohlfasern befindlichen Medium in das in dem Gehäuse aufgenommene Medium und in einem anderen Abschnitt der Hohlfasern in umgekehrter Richtung erfolgt. Bei einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Unterteilung in zuführende und abführende Hohlfasern bzw. Hohlfaserabschnitte. Beispielsweise ist es bei Anwendung des Verfahrens zur Zellzüchtung denkbar, dass Hohlfasern oder Hohlfaserabschnitte vorgesehen sind, mittels derer Nährstoffe dem in der ersten Kammer befindlichen Medium zugeführt werden. Des Weiteren sind Hohlfasern oder Hohlfaserabschnitte vorgesehen, mittels derer Stoffwechselprodukte aus dem in der ersten Kammer befindlichen Medium in die Hohlfasern übertreten und sodann abgeführt werden.

Die Erfindung betrifft ferner ein System mit einer Reaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26 oder einem Reaktor nach einem der Ansprüche 27 bis 28 mit einem Reservoir, das mit der Reaktoreinheit derart in Verbindung steht, dass aus dem Reservoir Medium in die durch die Hohlfasern gebildete zweite Kammer der Reaktoreinheit einführbar bzw. aus dieser abführbar ist, mit einer vorzugsweise als peristaltische Pumpe ausgeführten Förderpumpe zur Förderung des Mediums sowie mit einem Oxygenator, mittels dessen das geförderte Medium mit Sauerstoff anreicherbar ist. Vorzugsweise erfolgt die Oxygenierung extern und ist variabel auf den Sauerstoffverbrauch einstellbar. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt in diesem Fall beispielsweise über das Blutplasma bzw. das zugeführte Nährmedium. Der Oxygenator ist vorzugsweise in Strömungsrichtung des Mediums dem Reaktor vorgeschaltet. Ferner kann eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des geförderten Medium vorgesehen sein.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigen
1: eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit,
2: eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Reaktors mit Gehäuse,
3: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit,
4: eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit in einer anderen Ausführungsform,
5: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Stoffaustausch-Systems mit Reaktor,
6: schematische Darstellungen unterschiedlicher Geometrien einer Reaktoreinheit nach dem Stand der Technik sowie von erfindungsgemäßen Reaktoreinheiten,
7: zeitliche Konzentrationsverläufe für Harnstoff, Protein und verschiedene Ionen bei Einsatz einer erfindungsgemäßen Reaktoreinheit und
8: zeitliche Konzentrationsverläufe für Harnstoff, Protein und verschiedene Ionen bei Einsatz einer Reaktoreinheit nach dem Stand der Technik.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen als Disposable ausgeführten Reaktoreinheit 12. Diese besteht aus einem Gehäuse 20, in dem Hohlfasern in Form eines Hohlfaserbündels angeordnet sind. Ferner sind ein Zulauf 40 und ein Ablauf 50 vorgesehen, über die das die Hohlfasern durchströmende Medium zu- bzw. abgeführt wird.
Aus 2 ersichtlich ist der Reaktor 10 ohne Reaktoreinheit. Erkennbar ist die rotierbare Aufnahme zur Fixierung der Reaktoreinheit gemäß 1, die über einen Elektromotor in Drehbewegungen versetzt wird. Die Aufnahme bzw. der Reaktor mit Reaktoreinheit sind in einem temperierten Gehäuse untergebracht.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer rotierbar angeordneten Reaktoreinheit 12. Denkbare Einsatzgebiete sind:

• Hepatozytenkultur für unterschiedliche Anwendungen
• Künstliche Leber- und Pankreasersatztherapien
• Züchtung von humanen und tierischen Zellen unterschiedlichen Ursprungs
• Produktion von Antikörpern
• Gewinnung von Substanzen aus transfizierte Hefen und Bakterien.

Die in 3 dargestellten Punkte geben die Zellen wieder, die sich in der ersten durch das Gehäuse 20 begrenzten Kammer der Reaktoreinheit 12 befinden. In der ersten Kammer sind Hohlfasern 30 angeordnet, die über einen Zulauf 40 und einen Ablauf 50 verfügen. Handelt es sich um eine Zellkultur, wird über den Zulauf 40 ein Nährmedium zugeführt. Für den Fall einer Leber- bzw. Pankreasersatztherapie wird über den Zulauf 40 Blutplasma zugeführt. Das verbrauchte Nährmedium bzw. das behandelte Blutplasma wird über den Ablauf 50 abgezogen.
Wie aus 3 weiter ersichtlich, weist das Gehäuse 20 zwei Anschlüsse 22 auf, die zur Befüllung, Entleerung oder Probenahme aus der ersten Kammer dienen. Denkbar ist es, die Anschlüsse 22 nach der Befüllung bzw. Probennahme zu verschließen. Grundsätzlich ist es ebenso denkbar, einen kontinuierlichen Betrieb dahingehend zu gestatten, dass kontinuierlich Medium über die Anschlüsse 22 in die erste Kammer eingeführt bzw. aus dieser abgeführt wird. Wie aus 3 weiter hervorgeht, sind zentral im Bereich der Drehachse der Reaktoreinheit 12 Hohlfasern 30 vorgesehen, die einen Hohlfaserabschnitt 32c bilden, in dem ein vergleichsweise hoher Druck vorliegt, so dass wie durch Pfeile angedeutet ein konvektiver Stofftransport aus dem Abschnitt 32c der Hohlfasern 30 in die durch das Gehäuse 20 begrenzte erste Kammer der Reaktoreinheit 12 erfolgt. Im Endbereich des Abschnittes 32c erfolgt eine Richtungsänderung zunächst in Richtung parallel zur Stirnseite des Gehäuses 20 und anschließend entgegen der Strömungsrichtung in dem Abschnitt 32c. In den Hohlfaserabschnitten 32d erfolgt aufgrund des durch den Druckverlust bedingten geringeren Druckes in den Hohlfasern 30 nunmehr ein konvektiver Stofftransport aus der die Zellen enthaltenen ersten Kammer in die Hohlfasern 30, wie dies im Bereich der Hohlfaserabschnitte 32d durch Pfeile angedeutet ist. Somit findet eine Unterteilung in zuführende Hohlfasern bzw. Hohlfaserabschnitte 32c und abführende Hohlfasern bzw. Hohlfaserabschnitte 32d statt.
Wie aus 3 schließlich weiter ersichtlich, befindet sich der Zulauf 40 sowie der Ablauf der Hohlfasern an derselben Seite des Gehäuses 20, im Ausführungsbereich wie gemäß 3 an der rechten Stirnseite des zylindrisch ausgeführten Gehäuses 20. Eine derartige Ausführung ermöglicht es, einen gleitringdichtungsfreien Reaktor zur Verfügung zu stellen. Die Relativbewegung zwischen stehenden und bewegten Teilen kann durch das aus der EP 1 270 079 A2 und DE 198 03 534 C2 bekannte System erreicht werden.
Die Reaktoreinheit 12 ist vorzugsweise als Disposable ausgeführt. Es kann als Spritzgußkonstruktion ausgeführt werden, die die grundlegenden Verfahrensschritte analog der Fertigung eines konventionell gefertigten Hemodialysators aufweist, wie Verguß mit PUR, Schneiden und Sterilisation. Die Reaktoreinheit läßt sich auf diese Weise rationell herstellen.
4 zeigt die Reaktoreinheit 12 in einer weiteren Ausgestaltung. In der durch das zylindrische rotationssymmetrische Gehäuse 20 begrenzten ersten Kammer befinden sich in einem geeigneten Medium menschliche Hepatozyten. In einem radial zentralen Abschnitt befindet sich das aus einzelnen Hohlfasern bestehende Hohlfaserbündel. Das Hohlfaserbündel weist eine Vielzahl von im Bereich der Drehachse angeordneten Hohlfasern 30a auf, von denen exemplarisch nur einige dargestellt sind. Ferner sind dazu radial nach außen versetzt eine Vielzahl von Hohlfasern 30b vorgesehen, die im äußeren Umfangsbereich des Hohlfaserbündels angeordnet sind und von denen ebenfalls nur eine dargestellt ist. Eine derartige Ausführungsform kommt beispielsweise dann in Betracht, wenn die Hohlfasern bereits mit relativ geringer Dichte in den Vergußmassen eingebettet sind. Die Hohlfasern 30a, 30b sind parallel angeordnet und in ihren beiden Endbereichen in Vergussmassen 32 fixiert, die in geeigneter Weise in dem Gehäuse 20 befestigt sind. Über den Zulauf 40 strömt Medium in die Hohlfasern 30a, durchströmt diese und tritt an dem links dargestellten Endbereich der Hohlfasern 30a aus diesen aus. Das Medium gelangt hier in einen Strömungsraum, der die Endbereiche der Hohlfasern 30a mit den Anfangsbereichen der Hohlfasern 30b verbindet. Wie durch den Pfeil im Endbereich der Hohlfasern 30a angedeutet, wird die Strömungsrichtung des Mediums im Endbereich der Fasern 30a geändert. Es strömt nach Durchlaufen des Strömungsraumes in die Hohlfasern 30b und durch diese in entgegengesetzter Richtung als durch die Hohlfasern 30a. Die Hohlfasern 30b stehen in ihrem rechts dargestellten Endbereich mit dem Ablauf 50 in Verbindung, mittels dessen das entsprechend behandelte Medium aus der Reaktoreinheit 12 abgeführt wird. Bei dem Medium kann es sich beispielsweise um ein Nährmedium oder um Körperflüssigkeiten, wie Blut oder besonders bevorzugt Blutplasma handeln.
Die in 4 dargestellte Reaktoreinheit kann selbstverständlich auch für andere Zwecke, wie beispielsweise für Zellkulturen eingesetzt werden.
Die durch das Gehäuse 20 begrenzte erste Kammer weist zwei Anschlüsse 22 auf, die zur Zufuhr bzw. Abfuhr von Medium aus der ersten Kammer oder zur Probennahme dienen können.
Wie aus 4 weiter ersichtlich und durch den Pfeil angedeutet, wird die Reaktoreinheit 12 im Betrieb in Rotation versetzt, wobei die Drehachse parallel zu den Hohlfasern verläuft. Vorzugsweise sind die Hohlfasern 30a derart angeordnet, dass sie im Bereich der Drehachse liegen und die Hohlfasern 30b sind dazu radial nach außen versetzt. Die Druckverhältnisse können derart gewählt sein, dass der Druck in den Hohlfasern 30a über dem Druck der durch das Gehäuse 20 begrenzten ersten Kammer und in den Hohlfasern 30b unter dem in der ersten Kammer herrschenden Druck liegt. An dem durch einen gekrümmten Pfeil gekennzeichneten Umkehrpunkt kann vorgesehen sein, dass zwischen erster und zweiter Kammer keine Druckdifferenz vorliegt. Auch davon abweichende Gestaltungen der Druckverhältnisse sind selbstverständlich denkbar.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik dadurch, dass die Reaktoreinheit derart ausgeführt ist, dass die in dieser angeordneten Hohlfasern des Hohlfaserbündels nicht in einer maximal möglichen Dichte angeordnet sind, sondern dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern in wenigstens einem Bereich der ersten Kammer 10 Fasern/mm² nicht übersteigt bzw. dass die Länge der zwischen zwei Vergussmassen aufgenommenen Hohlfaserabschnitte den Abstand der zueinander gewandten Flächen der Vergussmassen um mindestens 0,5 % übersteigt.
6a zeigt eine gemäß dem Stand der Technik ausgeführte Reaktoreinheit 12 in einer schematischen Ansicht. Die Hohlfasermembranen sind in ein Kunststoffnetz eingefaßt und bilden eine starre, zylinderförmige Struktur. Der Durchmesser des Hohlfaserbündels beträgt D=34 mm. Die Länge zwischen den beiden Schnittflächen der Vergussmassen 32 beträgt bei der Reaktoreinheit gemäß 6a L=257 mm. Bei einer Anzahl von 11.000 Hohlfasern beträgt die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Faserdichte somit ca. 12 Fasern/mm2.
6b zeigt eine Ausgestaltung der schematisch dargestellten Reaktoreinheit 12 gemäß der Erfindung. Wie dies in 6b schematisch angedeutet ist, ist gegenüber der Ausführung gemäß dem Stand der Technik nach 6a der Abstand L der Schnittflächen der Vergussmassen 32 um 10 mm verkürzt. In diesem Fall sind die Hohlfasern zwischen den Vergussmassen 32 gestaucht und bilden eine Spindel. Abhängig vom Abstand der Vergussflächen, d. h. der einander zugewandten Flächen der Vergussmassen, werden geringere Faserdichten erhalten, als bei der Ausführung gemäß 6a. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6b beträgt der größte Durchmesser des Faserbündels 95 mm. Unmittelbar an den Vergussmassen 32 entspricht die Faserdichte der zu 6a erläuterten. Aufgrund dieser Dimensionierungen liegt die Faserdichte bei der erfindungsgemäßen Reaktoreinheit 12 gemäß 6b im Bereich zwischen 1,5 Fasern/mm² und 12 Fasern/mm².
6c zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand L der Schnittflächen der Vergussmassen 32 dem zur 6a entspricht. Das Faserbündel ist jedoch durch einen O-Ring eingeschnürt, so dass die Faserdichte gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 6b wieder nach oben reguliert ist. Im Bereich der Einschnürung beträgt der Durchmesser des Faserbündels 34 mm. Der maximale Durchmesser des Faserbündels beträgt 60 mm, so dass sich insgesamt eine flächenbezogene Dichte der Fasern im Bereich zwischen 3,9 Fasern/mm² und 12 Fasern/mm² ergibt.
Aus einem Vergleich der 7 und 8 wird deutlich, welchen Vorteil hinsichtlich des Stoffaustausches die erfindungsgemäße Reaktoreinheit gegenüber einer Reaktoreinheit gemäß dem Stand der Technik mit sich bringt.
Den Konzentrationsverläufen gemäß der 7 und 8 liegt folgender Versuchsauffbau bzw. folgende Versuchsdurchführung zugrunde:
Nach dem Zusammenbau der Kammern wurden diese durch Anlegen von Druck (Druckluft) auf Dichtheit und „Bubblepoints" überprüft.
Für die Versuche wurden 400 ml Austauschmedium bereitet:
1 Plasmabeutel + 0,5 ml EDTA 100 mM (nicht bei den Versuchen gemäß 7) + 50 ml Puffer B ad 400 ml mit A.d. Puffer B: Harnstoff 7,5 mg/ml, NaCl 22,5 mg/ml (385 mmol), KCl 1,25 mm/ml (16,7 mmol).
Bei allen Versuchen wurden die Hohlfasern mit Austauschmedium gefüllt und nach Abnahme von Zeitpunkt „0" an die Reaktoreinheit bzw. deren erste Kammer angeschlossen.
Die Reaktoreinheit wurde während der Austauschversuche bei 25 °C mit einer Flussrate von 200 ml/min versorgt und mit 15 U/min rotiert, um den Probenaustausch durch Konvektion und Diffusion zu untersuchen.
Die Probennahme erfolgte wie folgt:
Es wurden pro Bestimmung 2 ml Probe mittels Monovette (Sarstedt 2 ml LH; CE 0197) an einem Punkt vor Eintritt in die Kammer und am Probenport 1 in der Kam mer entnommen. Dabei wurde vor jeder Probenentnahme ca. 2 bis 3 ml Flüssigkeit aus den Entnahmeports gespült und erst anschließend die Messprobe gezogen. An der Kammer wurde mittels Probenport 2 die entnommene Probe durch Wasser ersetzt. In dem durch die Hohlfasern gebildeten Versorgungskreislauf wurde die entnommene Probe durch das Pufferreservoir ersetzt.
Bei der Versuchsanordnung gemäß der Versuche zu 7 betrug das Volumen der Kammern etwa 1,7 l. Die Hohlfasermembranen sind durch 2 Kunststofffasern stabilisiert. Die Kammern sind aufgrund des verringerten Abstandes der Vergussmassen ca. 1 cm kürzer als in der Versuchsanordnung, mit der die Versuchsergebnisse gemäß 8 erhalten wurden. Dadurch werden die Membranen gestaucht und bilden eine spindelförmige, das Kammervolumen ausfüllende Struktur.
Bei der zu den Versuchsergebnissen gemäß 8 führenden Versuchsanordnung betrug das Kammervolumen ca. 1,8 l. Die Membranen sind in ein Kunststoffnetz eingefaßt und bilden eine starre, zylinderförmige Struktur.
Wie aus einem Vergleich der 7 und 8 ersichtlich, besteht ein deutlicher Unterschied in der Geschwindigkeit der Verteilung von Ionen und organischen Molekülen durch die Membranen mit 60 kd Porenweite in Abhängigkeit von der Bündelung der Membran bzw. des Hohlfaserbündels.
Die gestauchte offene Membran (Spindelform) (Faserdichte: 1,5 Fasern/mm²) füllt das Lumen der ersten Kammer zum großen Teil aus und bewirkt dadurch einen sehr guten Stoffaustausch. Wie aus den Abbildungen gemäß 7a, 7b ersichtlich wird, erfolgt der Materialaustausch zwischen den Hohlfasern und der ersten Kammer innerhalb der ersten Minuten nach Starten des Kreislaufes. Der vollständige Konzentrationsaustausch bei Ionen sowie bei Harnstoff kann nach ca. 30 bis 60 min. festgestellt werden. Das Protein tauscht aufgrund seines hohen Molekulargewichtes langsamer und unvollständig aus. In 7 und 8 bedeuten die Abkürzungen „VKL" und „Kammer" die Konzentrationen im Versorgungskreislauf (VKL), d. h. in dem die Hohlfaser durchströmenden Medium, bzw. die Konzentrationen in der ersten Kammer der Reaktoreinheit.
Die normale, gebündelte Membran (Zylinderform) (maximale Faserdichte), mit der die Versuchsergebnisse gemäß 8 erhalten wurden, bildet einen kompakten zylindrischen Leitungsstrang mit relativ kleiner Austauscheffizienz. Wie aus den Abbildungen gemäß 8a, 8b ersichtlich wird, erfolgt der Materialaustausch zwischen den Hohlfasern und der ersten Kammer deutlich langsamer als gemäß 7. Der vollständige Konzentrationsausgleich bei Ionen und Harnstoff kann nach 120 bis 180 min. gemessen werden und somit 3–4mal langsamer als bei den spindelförmigen Membranen gemäß der Erfindung. Das Protein wird ebenfalls langsam und unvollständig ausgetauscht.
Wie eingangs ausgeführt, kann die erfindungsgemäße Reaktoreinheit zur Therapie, beispielsweise zur Leberersatz- oder Leberunterstützungstherapie eingesetzt werden.
5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Gesamtsystem zur Leberunterstützungstherapie. Dieses besteht aus einem Plasmareservoir 60, das von dem zu behandelnden Patienten entnommenes Blutplasma enthält. Über die peristaltische Pumpe 70 wird dem Plasmareservoir 60 Plasma entzogen und dem Gasaustauscher 80 zugeführt. In dem Gasaustauscher 80 erfolgt über eine Sauerstoffquelle und einen Sterilfilter die Zufuhr von Sauerstoff, wodurch das Blutplasma entsprechend mit Sauerstoff angereichert wird. Der Gasaustauscher besteht ebenfalls aus zwei Kammern, wobei in einer Kammer der Sauerstoff und in der anderen Kammer das Blutplasma strömt. Die Kammern sind durch permeable Membranen voneinander getrennt, die den Übertritt von Gasen, wie z. B. Sauerstoff in das Blutplasma zulassen. Mittels des Gasaustauschers kann nicht nur Sauerstoff zugeführt werden, sondern auch andere Gase, wie beispielsweise CO₂, N₂ können zugeführt bzw. ausgetauscht werden. In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der Gasaustauscher als Oxygenerator zum Austausch von Sauerstoff ausgeführt.
Nach der Anreicherung des Blutplasmas mit Sauerstoff im Oxygenerator 80 durchläuft dieses eine Heizvorrichtung 90 und gelangt sodann in den Reaktor 10. Dieser weist die rotierbar angeordnete erfindungsgemäße Reaktoreinheit 12 auf, die als Disposable ausgeführt ist. Die Reaktoreinheit 12 ist in einer drehbaren Aufnahme des Reaktors 10 angeordnet und wird während des Betriebes des Systems in eine Drehbewegung versetzt. Die Drehachse fällt mit der Längsachse der Reaktoreinheit 12 zusammen. Der Reaktor ist in einem temperierten Gehäuse aufgenommen, wie dies aus 2 und 5 ersichtlich ist. Das System ist gleitringdichtungsfrei ausgeführt.
Die peristaltische Pumpe 70 kann abweichend von der Ausführung gemäß 5 auch an anderer Stelle im Kreislauf angeordnet sein. Denkbar ist z.B. auch eine Anordnung hinter, d.h. stromabwärts des Reaktors 10.
Als weiteren Bestandteil kann die Anordnung gemäß 5 vorzugsweise in Strömungsrichtung vor dem Reaktor 10 optional eine Heizvorrichtung aufweisen, mittels derer das dem Reaktor 10 zugeführte Medium erwärmt wird.
Nachstehend werden einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt:
Als Hohlfasern sind vorzugsweise Polysulfonplasmafasern mit großer verfügbarer Austauschoberfläche vorzugsweise im Bereich von 0–2 m² mit vorzugsweise variabel einstellbarer Porosität bis zu 900.000 MG verwendbar. Wie oben ausgeführt, erfolgt zur Erhöhung des bidirektionalen Austausches über die Hohlfasermembranen der Stofftransport vorzugsweise vor allem mittels Konvektion.
In Abhängigkeit von den Eigenschaften der Zellen bzw. der auszutauschenden Stoffe können hydrophile und/oder hydrophobe Membranen für die Hohlfasern verwendet werden.
Wie oben ausgeführt, kann eine Trennung der zuführenden Fasern von den abführenden Fasem erfolgen. Hierdurch können Faserbündel innerhalb des Reaktors variabel zugeordnet werden. Als Beispiel können zuführende und abführende Fasern zentral angeordnet sein. Denkbar ist auch, dass zuführende Fasern zentral und abführende Fasem peripher angeordnet sind. Somit läßt sich eine Durchströmung der Zellkultur im Gegenstrom erreichen.
Vorzugsweise werden Gleitringdichtungen durch Verwendung des oben genannten „Schlaucheinspeiseprinzips" von einem stehenden in ein drehendes Teil vermieden.
Bei der Reaktoreinheit kann es sich um einen sterilen Einmalartikel handeln, der von einer unsterilen Dreheinheit getrennt ist. Der sterile Einmalartikel ist vorzugsweise wasserdampfsterilisierbar.
Die Oxygenierung erfolgt vorzugsweise extern, sie ist variabel auf den Sauerstoffverbrauch einstellbar. Die Sauerstoffzufuhr erfolgt somit vorzugsweise über das Blutplasma bzw. über ein Nährmedium.
Die Ernährung von Zellen erfolgt vorzugsweise über das Blutplasma bzw. Nährmedium.
Es besteht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine einfache Möglichkeit der Befüllung, Zugabe und Probenahme. Hierdurch läßt sich eine permanente Kontrolle der Funktionalität erreichen. Zudem besteht die Möglichkeit der Korrektur bzw. der Einstellung.
Durch das in 2 wiedergegebene System kann eine integrierte Thermostatisierung der Reaktoreinheit erfolgen.
Im Rahmen einer Therapie bzw. Kultur können beispielsweise Zellen folgenden Ursprungs eingesetzt werden:
Primäre Zellen, aus Stammzellen differenzierte Zellen, immortalisierte Zellen – jeweils frisch isoliert/kultiviert bzw. kryokonserviert.
Es sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung Zellmengen von Kleinstmengen bis über 1 kg kultivierbar.
Die Erfindung bietet bei entsprechender Ausgestaltung folgende Vorteile:

• Verwendung von Polysulfonhohlfasern mit großer Austauschoberfläche und variabel einstellbarer Porosität – besserer Stoffaustausch bei Einsatz von inerten Materialien
• deutlich effizienterer bidirektionaler Stoffaustausch durch Konvektion, insbesondere für mittel- und höhenmolekulare Syntheseprodukte mit geringer Diffusionsgeschwindigkeit
• durch Einsatz hydrophiler und/oder hydrophober Membranen Stoffaustausch besser steuerbar/einstellbar
• durch Trennung der Zuführfasern von den ableitenden Fasern und frei variierbare Anordnung der Fasern verbesserte Zellversorgung und damit Zellleistung
• durch Gegenstrom und Rotation zusätzlich verbesserte Durchmischung und Stofftransport
• Vermeidung von Gleitringdichtungen durch Verwendung des „Schlaucheinspeiseprinzipes" von einem stehenden in ein drehendes Teil- keine Schlauchverdrillung (störungsfreier Betrieb im klinischen Einsatz) und kein Abrieb in der Reaktoreinheit
• durch die Möglichkeit des Einsatzes von humanen Körperflüssigkeiten Vermeidung des Einsatzes kommerzieller Ernährungslösungen (beispielsweise RPMI) und damit dem Kontakt unphysiologischer Substanzen beim Einsatz
• Trennung von sterilem Einmalartikel und unsteriler Dreheinheit – einfaches Handling mit hoher Anwendersicherheit
• Einmalartikel wasserdampfsterilisierbar – keine toxischen Abbauprodukte (ETO) und im Bezug auf mikrobiologische Kontamination höchstmögliche Anwendersicherheit
• Oxygenierung und Ernährung der Leberzellen/Pankreaszellen außerhalb der rotierenden Einheit über das Blutplasma/Kulturmedium (nur ein Kreislauf im rotierenden Teil) und somit keine zusätzliche Membran im Zellmodul – damit höhere Anwendersicherheit
• einfache Möglichkeit der Befüllung, Zugabe und Probennahme; durch Verfahren der Befüllung Kontamination minimiert und damit Anwendersicherheit erhöht
• durch Probeentnahmemöglichkeit permanente Überwachung der Zellen möglich – höhere Sicherheit im Bezug auf Funktionalität und Unbedenklichkeit (Sterilität, PH, Bildung von toxischen Stoffwechselprodukten etc.)
• durch Einsatz von kryokonservierten Zellen humanen Ursprungs unabhängig von Verfügbarkeit von Transplantaten
• System schnell (Montage, Verfügbarkeit, Zellmaterial) und sicher funktionsbereit (Sterilität, Anwenderfreundlichkeit).

Claims

Reaktoreinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch den Innenraum eines Gehäuses gebildet wird und wobei die zweite Kammer durch den Innenraum mehrerer in dem Gehäuse angeordneter Hohlfasern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern in dem Gehäuse derart angeordnet sind, dass ihre auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte in wenigstens einem Bereich der ersten Kammer 10 Fasern/mm² nicht übersteigt.
Reaktoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Hohlfasern in wenigstens einem Bereich der erstem Kammer im Bereich von 0,2 bis 10 Fa sern/mm², vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 6 Fasern/mm² und besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 4 Fasern/mm² liegt.
Reaktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern in Faserlängsrichtung variiert.
Reaktoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern in Faserlängsrichtung konstant ist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktoreinheit eine oder mehr als eine Vergussmasse angeordnet ist, in der ein Abschnitt, vorzugsweise der Endbereich der Hohlfasern eingebettet ist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktoreinheit zwei Vergussmassen angeordnet sind, in denen ein Abschnitt, vorzugsweise der Endbereich der Hohlfasern eingebettet ist und zwischen denen sich ein weiterer Abschnitt der Hohlfasern erstreckt.
Reaktoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern zwischen den Vergussmassen gerade oder gekrümmt verlaufen, so dass sich insbesondere ein bauchiges oder spindelförmiges Hohlfaserbündel ergibt.
Reaktoreinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des zwischen der Vergussmassen befindlichen Abschnittes mehrerer oder aller Hohlfasern mindestens 0,5 % über dem Abstand der zueinander weisenden Flächen der Vergussmassen liegt.
Reaktoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des zwischen den Vergussmassen befindlichen Abschnittes der Hohlfasern minde stens 1 % und bevorzugt mindestens 3 % über dem Abstand der zueinander weisenden Flächen der Vergussmassen liegt.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die die Hohlfasern derart umgeben, dass die auf die Querschnittsfläche der ersten Kammer bezogene Dichte der Fasern gegenüber der Dichte ohne Einsatz der Mittel erhöht ist.
Reaktoreinheit mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer, wobei die erste Kammer durch den Innenraum eines Gehäuses gebildet wird und wobei die zweite Kammer durch den Innenraum mehrerer in dem Gehäuse angeordneter Hohlfasern gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reaktoreinheit wenigstens zwei Vergussmassen angeordnet sind, in denen ein Abschnitt, vorzugsweise der Endbereich der Hohlfasern eingebettet ist und zwischen denen sich ein weiterer Abschnitt der Hohlfasern erstreckt, wobei die Länge des zwischen den Vergussmassen befindlichen Abschnittes wenigstens einiger oder aller Hohlfasern mindestens 0,5 % über dem Abstand der zueinander weisenden Flächen der Vergussmassen liegt.
Reaktoreinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoreinheit gemäß dem kennzeichnenden Teil eines der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt ist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern in dem Gehäuse derart angeordnet sind, dass ein durch die Hohlfasern strömendes Medium in einer Richtung oder in wenigstens zwei unterschiedlichen Richtungen geführt wird.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern über einen Zulauf und einen Ablauf vertilgen.
Reaktoreinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf und der Ablauf der Hohlfasern auf derselben Seite des Gehäuses angeordnet sind.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern in dem Gehäuse derart angeordnet sind, dass ein durch die Hohlfasern strömendes Medium einen im wesentlichen U-förmigen Strömungsverlauf aufweist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern U-förmig ausgeführt sind.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse rotationssymmetrisch, vorzugsweise zylindrisch ausgeführt ist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern einen Zulauf aufweisen und ausgehend von dem Zulauf bis zu einem Bereich, in der sich die Richtung des Verlaufes der Hohlfasern ändert, in einer ersten Richtung verlaufen und ab dem Bereich der Richtungsänderung in eine zweite, von der ersten Richtung abweichende Richtung verlaufen, wobei die in der ersten Richtung verlaufenden Hohlfasern radial innen und die in der zweiten Richtung verlaufenden Hohlfasern relativ dazu radial außen verlaufen.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse über wenigstens einen Anschluß zur Befüllung, Entleerung oder Probenahme aus der ersten Kammer aufweist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Hohlfasern höchstens 300 µm, vorzugsweise höchstens 200 µm und besonders bevorzugt etwa 100 µm beträgt.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Permeabilität der Membran der Hohlfasern mindestens 200 ml/mm Hg × h × m², vorzugsweise mindestens 500 ml/mm Hg × h × m² beträgt.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Cutoff der die Hohlfasern bildenden Membran im Bereich zwischen 10⁴ und 10⁷ Da, vorzugsweise im Bereich zwischen 10⁵ und 10⁶ Da und besonders bevorzugt zwischen 700.000 und 900.000 Da liegt.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoreinheit aus Materialien aufgebaut ist, die wasserdampfsterilisierbar sind.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoreinheit als Disposable ausgeführt ist.
Reaktoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Enden der Hohlfasern aufnehmende Vergussmasse vorgesehen ist und dass das Gehäuse aus PP und/oder die Vergussmasse aus Polyurethan und/oder die Hohlfasern aus Polysulfonen, vorzugsweise aus Polyarylethersulfonen und besonders bevorzugt aus mit PVP hydrophilisierten Polysulfonen bestehen.
Reaktor mit einer Reaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoreinheit rotierbar angeordnet ist.
Reaktor nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor gleitringdichtungsfrei ausgeführt ist.
Verfahren zur Bewirkung eines Stoffaustausches mittels einer oder mehrerer Hohlfasern unter Verwendung einer Reaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26 oder eines Reaktors nach Anspruch 27 oder 28, wobei der Druck in der durch die Hohlfaserinnenräume gebildeten zweiten Kammer sowie in der durch das Gehäuse gebildeten ersten Kammer derart eingestellt ist, dass der Stoffaustausch durch die Hohlfasern zumindest teilweise durch Konvektion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckverhältnisse zwischen der ersten und der zweiten Kammer derart gewählt sind, dass der konvektive Stofftransport in einem Abschnitt der Hohlfasem aus dem in den Hohlfasern befindlichen Medium in das in dem Gehäuse befindlichen Medium erfolgt und in einem anderen Abschnitt der Hohlfasern aus dem in dem Gehäuse aufgenommenen Medium in das in den Hohlfasern befindliche Medium erfolgt.
System mit einer Reaktoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 26 oder einem Reaktor nach einem der Ansprüche 27 bis 28, mit einem Reservoir, das mit der Reaktoreinheit derart in Verbindung steht, dass aus dem Reservoir Medium in die durch die Hohlfasern gebildete zweite Kammer der Reaktoreinheit einführbar oder aus dieser abführbar ist, mit einer Förderpumpe zur Förderung des Mediums sowie mit einem Oxygenator, mittels dessen das geförderte Medium mit Sauerstoff anreicherbar ist.
System nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Oxygenator in Strömungsrichtung des Mediums dem Reaktor bzw. der Reaktoreinheit vorgeschaltet ist.
System nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor dem Reaktor eine Heizeinrichtung zur Erwärmung des Mediums vorgesehen ist.
System nach einem der Ansprüche 31 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe eine peristaltische Pumpe ist.