AT403479B - Modulsystem zum aufbau von bioreaktoren - Google Patents

Description

AT 403 479 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren, mit einem Bodenteil, der zur fluiddichten Verbindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktorbehälterbauteiles dient und sowohl den Anschluß von Rühr-Antrieben als auch von Einrichtungen zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/oder Flüssigleit sicherstellt, wobei am anderen Ende der Reaktorbauteile ein weiterer Flansch vorhanden ist, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlußelement vorsieht.

Bioreaktoren - früher auch unter dem Begriff Fermenter bekannt - sind kesselförmige Behältnisse in denen mit einem Maximum an Sicherheit für den Prozeß Bioprodukte hergestellt werden können. Beim Betrieb von Bioreaktoren handelt es sich um Produktionsverfahren mit lebenden Organismen (Bakterien, Pilze, Hefen, Algen) oder mit ganzen Zellkulturen.

Bei allen Überlegungen hinsichtlich der Konstruktion einer Bioreaktoranlage muß der biotechnologische Prozeß im Mittelpunkt stehen. Bei der Planung ist zu entscheiden, ob der Bioreaktor für ein spezielles Verfahren mit einem Organismus optimiert oder für universelle Verfahren mit wechselnden Keimen benötigt wird.

Je nach den Anforderungen gibt es Bioreaktoren, die aus Behältern unterschiedlicher Bauart bestehen und mit peripheren Baugruppen, wie zum Beispiel Rohrleitungen, Ventilen, Filtern etc. ergänzbar sind. Die Apparategrößen im Technikumsmaßstab liegen etwa zwischen etwa 20 I und 1000 I. Produktionsanlagen haben dagegen Volumina von bis zu einigen Kubikmetern.

Bezüglich der Bauart unterscheidet man grundsätzlich zwischen gerührten Reaktoren mit einem Höhen/Durchmesser-Verhältnis von etwa 3 und kleineren sowie schlankeren, sogenannten kolonnenförmigen, Reaktoren mit einen Höhen/Durchmesser-Verhältnis > 5. Bei letzteren wird der Inhalt meist durch das Einträgen eines Flüssigkeits- oder Gasstromes bewegt.

Den meisten auf dem Markt erhältlichen Reaktoren ist jedoch gemeinsam, daß ihre zentralen Reaktionsbehälter als nicht veränderbare Schweißkonstruktionen ausgelegt sind. Lediglich die Kleinteile der Peripherie (Ventile, Rohrverbindungselemente, Pumpen etc.) sind in begrenztem Umfang an den verschiedenartigen Anlagen identisch und damit zwischen den einzelnen Reaktionsbehältnern austauschbar.

Obwohl die Fülle biotechnologischer Anforderungen eigentlich eine große Flexibilität des Reaktors fordern würde, ist die Anwendbarkeit bekannter Reaktoren jeweils nur auf wenige Prozesse spezifisch ausgerichtet.

Dies hat zur Folge, daß für jeden Zweck Geräte unterschiedlicher Größe und Bauart beschaffen werden müssen. Einzelanfertigungen und die damit verbundenen hohen Kosten und.-lange Lieferzeiten sind dadurch nicht zu umgehen.

Aus der DE-40 06 382 A1 ist ein Bioreaktor zu entnehmen, der in modularer Bauweise aus unterschiedlichen Einzelmodulen zusammensetzbar ist. Die Einzelkomponenten sind jedoch ausschließlich nur für den Aufbau eines einzigen Reaktortypes verwendbar. Ein ähnlicher Bioreaktor, der in Art eines Baukastenprinzips zusammensetztbar ist, ist in der DE-39 05 158 A1 beschrieben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein modulares System für Bioreaktoren anzugeben, das unterschiedliche Arbeitsvolumina mit sinnvollen Größenabstufungen sowohl für gerührte Reaktoren, als auch für Reaktoren mit externem Leistungseintrag zuläßt. Dabei ist darauf zu achten, daß die hierfür erforderlichen Klemm- und Schraubverbindungen den steriitechnischen und sicherheitstechnischen Standards gerecht werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren, mit einem Bodenteil, der zur fluiddichten Verbindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktorbehälterbauteiles dient und sowohl den Anschluß von Rühr-Antrieben als auch von Einrichtungen zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/oder Flüssigleit sicherstellt, wobei am anderen Ende der Reaktorbauteile ein weiterer Flansch vorhanden ist, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlußelement vorsieht, derart ausgebildet, daß die Bioreaktormodule zur Gewährleistung unterschiedlicher Arbeitsvolumina innerhalb eines bestimmten Bereiches abgestufte Durchmesser aufweisen, deren Höhen/Durchmesser-Verhältnis für kolonnenförmige Reaktoren zwischen 5 und 7, für gerührte Reaktoren bei ca. 3 liegt, und daß eine Bodengruppe vorgesehen ist, mit der sowohl der Bodenteil direkt über einen eventuellen Rührwerk-Antrieb verbindbar ist, als auch Halterungen verbindbar sind, die die Reaktorrohre von Reaktoren mit einem großen Höhen/Durchmesser-Verhältnis halten.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen: 2

AT 403 479 B

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung verschiedener Einzelbauteile des Modulsystems,

Fig. 2 gerührte Reaktoren mit unterschiedlichen Durchmessern mit einem Höhen-/Durchmessern-Verhältnis von etwa 3 und Arbeitsvolumina von 15, 30 und 50I,

Fig. 3 schlanke, kolonnenförmige Reaktoren mit zwei Durchmessern und einem Höhen-/Durchmes-ser-Verhältnis von 5 bzw. 7 und den Volumina von 70 I und 100 I.

Fig. 1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung Einzelbauteile, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren verwendet werden können, die innerhalb eines bestimmten Bereichs abgestufte Durchmesser aufweisen können, und deren Höhen-/Durchmesser-Verhältnis sowohl Werte von gerührten Reaktoren als auch Werte von kolonnenförmigen Reaktoren haben kann. Aus diesen Einzelbauteilen lassen sich beispielsweise ohne weiteres Bioreaktoren mit Arbeitsvolumina zwischen 15 I und 140 I zusammenstellen.

Das in Fig. 1 dargestellte Modulsystem weist einen Reaktorunterbau 1 mit einer massiven Grundplatte auf, die auf vier Fußelementen gestützt für einen festen Stand der Gesamtanlage sorgt.

Bei gerührten Bioreaktoren wird in der Grundplatte 1 ein Rühr-Antrieb 2 fest verschraubt, mit dessen Oberteil ein Bodenteil 4 für den Aufbau weiterer Reaktorbauteile verbunden ist. Für den Aufbau von schlanken, kolonnenförmigen Reaktoren ist hingegen eine Halterung 5 vorgesehen, die anstelle des Rühr-Antriebs mit dem Reaktorunterbau 1 fest verbunden wird.

Der allen, mit diesem Bausatzprogramm, herstellbaren Bioreaktoren gemeinsame Bauteil 4 wird im Falle von kolonnenförmigen Reaktoren an den an der Halterung 5 angebrachten Dreiecksträgern befestigt.

Desweiteren ist im Bodenteil 4 ein Anschluß vorgesehen, an dem Einrichtungen zum Zerteilen oder Verteilen von Gasen oder Flüssigkeiten angebracht werden können. Zum Eintrag von Gas oder Flüssigkeiten kann beispielsweise ein sogenannter Düsenstock 3 vorgesehen sein.

Auf das Bodenteil 4 werden erfindungsgemäß modulartig verschiedene rohrförmige Bauteile mit unterschiedlichen Durchmessern, die im folgenden noch erläutert werden, aufgesetzt werden, deren oberster Abschluß mit einer abschließenden Deckelplatte 9, 12, 15 vorgenommen wird, in die ein sogenannter Abgaskühler 6 einbringbar ist, der für einen gewünschten Druck im Reaktorinneren sorgt. Aus dem Reaktorinneren können somit über den Abgaskühler 6 die im Prozeßverlauf entstehenden Gase kontrolliert und gegebenenfalls gekühlt ausgeleitet werden.

Zum Aufbau verschiedener Bioreaktorkörper sind eine Mehrzahl von tonnenförmigen Einzelteilen vorgesehen, die erfindungsgemäß jeweils mit Flanschverbindungen ausgestattet sind, so daß sie beliebig miteinander kombiniert werden können. Diese Teile werden im folgenden erläutert:

Unmittelbar mit dem Bodenteil 4 sind Übergangsrohre 7, 10 und 13 verbindbar, die hierzu passend zum Bodenteil 4 einheitliche Flanschverbindungen aufweisen. Die Übergangsrohre haben je nach dem gewünschten Arbeitsvolumen unterschiedlich abgestufte Durchmesser (214, 267, 316 mm) und verfügen darüberhinaus über mindestens einen seitlich angebrachten Stutzen oder Flansch für Ventile oder Meßwertgeber. Je nach Durchmesser des Übergangsrohrs ist an der dem Bodenteil gegenüberliegenden Seite des Bauteils ein weiterer Verbindungsflansch eingearbeitet. Über sogenannte Verschlußringe, die in Figur 1 nur als Querschnittsflächen angedeutet sind, können an den Übergangsrohren 7, 10 und 13 die in Größe und Durchmesser unterschiedlich ausgeführten zylindrischen Reaktorrohre 8, 11, 14 angeflanscht werden.

Die Reaktorrohre 8, 11, 14 weisen jeweils mindestens einen seitlichen Stutzen auf, der den Anschluß eines Schauglases oder eines geeigneten Meßwertgebers erlaubt. Darüberhinaus können Anschlüsse für die Zu- und Abfuhr eventuell benötigter Stoffströme vorgesehen sein.

Weitere Verbindungsrohre 19, 20, 21 sind ebenfalls über beidseitig angebrachte Flanschverbindungen in das Bioreaktorsystem zu integrieren. Auch sie weisen mindestens einen Anschlußstutzen für diverse Meßwertgeber bzw. für die Zu- und Abfuhr eventuell benötigter Stoffströme auf. Bei diesen Verbindungsrohren handelt es sich jedoch um bloße Zwischenelemente, die den Reaktordurchmesser nicht verändern.

Im Gegensatz dazu, verjüngen oder erweitern Zwischenelemente 16, 17 und 18 den Durchmesser des Reaktors.

Figur 2 zeigt drei in der Größe unterschiedlich ausgeführte gerührte Bioreaktoren. Durch die Wahl unterschiedlich großer Rohrelemente ist es möglich, gerührte Reaktoren mit Arbeitsvolumina von 15, 30 und 50 I herzustellen. Das allen drei Reaktoren gemeinsame Höhen/Durchmesser-Verhältnis beträgt hierbei 3. ln Figur 3 sind zwei kolonnenförmige Bioreaktoren dargestellt, die bei den gezeigten Beispielen Arbeitsvolumina von 70 I und 100 I aufweisen. Die dabei erreichten Höhen-/Durchmesser-Verhältnisse sind für den Fall der 70 I Anordnung gleich 7 und im Falle der 1001-Anordnung gleich 5. Prinzipiell sind mit derartigen kolonnenförmigen Bioreaktoren Arbeitsvolumina zwischen ca. 50 I und ca. 150 I möglich. Die äußerst variable Abfolge der in Fig. 1 dargestellten Einzelkomponenten bei den in Fig. 3 dargestellten Bioreaktoren ist der Zeichnung entnehmbar. 3

Claims (3)

1. AT 403 479 B Mit dem vorgenannten Modulsystem wird somit die gestellte Aufgabe gelöst, ein modulares System für Bioreaktoren bereitzustellen, das unterschiedliche Arbeitsvolumina mit sinnvollen Größenabstufungen sowohl für gerührte Reaktoren als auch für Reaktoren mit externem Leistungseintrag aufweist. 5 Patentansprüche 1. Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren, mit einem Bodenteil (4), der zur fluiddichten Verbindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktorbehälterbauteiles dient und sowohl den Anschluß von Rühr-Antrieben (2) als auch von Einrichtungen (3) zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/oder το Flüssigleit sicherstellt, wobei am anderen Ende der Reaktorbauteile ein weiterer Flansch vorhanden ist, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlußelement vorsieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Bioreaktormodule (8,11,14) zur Gewährleistung unterschiedlicher Arbeitsvolumina innerhalb 75 eines bestimmten Bereiches abgestufte Durchmesser aufweisen, deren Höhen/Durchmesser-Verhältnis für kolonnenförmige Reaktoren zwischen 5 und 7, für gerührte Reaktoren bei ca. 3 liegt, und daß eine Bodengruppe (1) vorgesehen ist, mit der sowohl der Bodenteil (4) direkt über einen eventuellen Rührwerk-Antrieb verbindbar ist, als auch Halterungen (5) verbindbar sind, die die Reaktorrohre von Reaktoren mit einem großen Höhen/Durchmesser-Verhältnis halten. 20
2. 2. Modulsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlußelement zum Bodenteil (4) Übergangsrohre (7,10,13) eingesetzt sind, die angepaßt zum Bodenteil einheitliche Flanschverbidnungen aufweisen, und daß auf der dem Bodenteii (4) gegenüberliegenden Seite die in Größe und Durchmesser unterschiedlich 25 ausgeführten Reaktorrohre (8,11,14) über Verbindungselemente angeflanscht sind.
3. 3. Modulsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Reaktormodulen (8,11,14) weitere Verbidnungsrohre (19,20,21) als Zwischenelemente über Flanschverbidnungen in das Bioreaktorsystem integriert sind, die so mindestens einen Anschlußstutzen für diverse Meßwertgeber bzw. für die Zu- und Abfuhr benötigter Stoffströme aufweisen. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 35 40 45 50 4 55