Die Arbeit befasst sich mit der Flüssigkeits- bzw. Massenverteilung in einem dreidimensionalen Hohlfasermembransystem zur extrakorporalen Leberunterstützung. Das Ziel der Arbeit ist der Vergleich von verschiedenen Laufmodi (Perfusion, Diffusion durch ein oder beide Kapillarbündel und Cross Flow) bei unterschiedlichen Flussraten (50 300 ml/min) zum besseren Verständnis der Durchmischungsvorgänge im Bioreaktor. Die Durchmischungsverhältnisse beeinflussen sowohl die Versorgung der im Bioreaktor kultivierten Zellen, als auch den Stoffaustausch mit dem Patienten. Sie sind somit ein wesentlicher Faktor der Funktion bzw. der Wirksamkeit eines solchen Bioreaktors. Soweit möglich, sollte eine Empfehlung für eine ideale Einstellung des Laufmodus in Kombination mit der Flussrate im Betrieb erarbeitet werden. Zur Untersuchung der Flüssigkeits- und Massenverteilung im Bioreaktor wurden Durchmischungsmessungen mit Phenolrot (PSP) als Marker durchgeführt. Aus den Ergebnissen der Messungen wurden die jeweiligen Mischzeiten bis zum Erreichen einer Homogenität von h ≤ 0,1 errechnet. Die Ergebnisse zeigten kürzere Mischzeiten bei Diffusion durch beide Kapillarbündel und beim Cross Flow, sowie bei höheren Flussraten. Der Cross Flow zeigte dabei ausgeglichenere Kurvenverläufe. Die Perfusion zeigte insgesamt etwas längere Mischzeiten und einen bimodalen Verlauf der Mischzeiten, konnte aber auch noch gute Werte erreichen. Die Diffusion durch ein Kapillarbündel zeigte die längsten Mischzeiten, sowie ebenfalls einen biomodalen Verlauf der Mischzeiten. Relativ starke initiale Peaks lassen die Diffusion durch ein Kapillarbündel zusätzlich als am ungünstigsten erscheinen. Im Vergleich zu anderen beschriebenen extrakorporalen LUS ergab sich für das System eine insgesamt effektive Flüssigkeits- und Massenverteilung im Reaktor. Unter Berücksichtigung der physiologischen Strömungsverhältnisse in der Leber, dem Bedarf an einem möglichst hohen Fluidumsatz, der Forderung nach einer möglichst schnellen Durchmischung ohne ein Ablösen der Zellen von ihrem Untergrund und den durch membrane-fouling ausgelösten Prozessen erscheint der Cross Flow bei etwa 200 ml/min die geeignetste Einstellung für den Laufmodus und die Flussrate. Die Diffusion durch beide Kapillarbündel ist eine ebenfalls zufrieden stellende Alternative.
The objective of this work was to investigate the fluid distribution as well as the mass transfer in a three-dimensional (3D) hollow fiber membrane based bioreactor for extracorporeal liver support. The aim of the study was to compare the different distribution modes (perfusion, diffusion through either one or two capillary bundles, and cross-flow operation of two bundles) and different flow rates (50 300 ml/min), to improve the understanding of the mixing processes inside the system. The mixing ratio affects both the cell support as well as the mass transfer with the patient, and therefore is a significant factor of the function and the effectiveness of the bioreactor. Investigations on the fluid distribution and mass transfer in the bioreactor were performed by measuring the distribution of phenolsulfonphtalein (PSP). The results were used to calculate the mixing times to homogeneity of h ≤ 0.1. The bioreactor exhibited shorter mixing times for the cross-flow - and diffusion mode through both capillary bundles and for higher flow rates. The cross-flow mode operation exhibited the most consistent progression of the concentration graphs. Perfusion showed longer mixing times and bimodal progression. Diffusion through one capillary bundle exhibited the longest mixing times and bimodal progression. Including the strong initial peaks, this mode appears to be least favorable. Compared to other published extracorporeal LSS, our system exhibited effective fluid distribution and mass transfer inside the bioreactor. Considering physiological velocities in the liver, the need for high volume turnover, the demand for potentially rapid distribution without cell detachment, and processes induced by membrane fouling, the cross- flow mode appears to be the most favorable setting at a low flow rate of approximately 200ml/min. Diffusion through both capillary bundles presents a satisfying alternative.
