AT504648B1 - Bioreaktor mit einem zylinderförmigen mantel - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor mit einem zylinderförmigen Mantel, einem Rührwerk, einem Deckel, einem Boden, und mit in den Boden eingesetzten Ventilen.

Bei Bioreaktoren mit kleinen Querschnitten und zentral angeordnetem Rührwerk bietet der Boden wenig Platz für Rührwerksflansch, Bodenablassventil, Probenahmeventil und Sondenstutzen (z.B. Temperatur). Weiters wird gefordert, dass das minimale Arbeitsvolumen, insbesondere bei teuren Fermentationsmedien, gering ist. Um die Fermentation auch bei minimalen Arbeitsvolumina fahren zu können, ist der Sondenkranz möglichst tief zu legen und die unterste Rührerebene und der Begasungsring müssen unterhalb des minimalen Füllstandes liegen, wobei gleichzeitig das Minimalvolumen über den Doppelmantel temperiert werden soll. Die Notwendigkeit der Unterbringung des Bodenablassventils neben dem zentrisch angeordneten Rührwerk in der Form, dass die Forderung eines restlos entleerbaren Behälterraums erfüllt wird, führte zu zwei im Stand der Technik bekannten Konstruktionsprinzipien.

Bei einem bekannten Bioreaktor für kleine Arbeitsvolumina wird ein Behälterboden in Klöpper-form (DIN 28011) mit Einschweißstutzen kleinen Durchmessers (35 bis 40 mm) oder Ingoldstutzen für die Aufnahme eines Kolbenventils verwendet. Der Einschweißstutzen wird mit Minimalabstand zum Rührwerkflansch positioniert und der Boden für die restlose Entleerbarkeit zum Einschweißstutzen hin ausgedrückt. Vorteilhaft bei dieser Konstruktion ist die Möglichkeit der Verwendung eines Klöpperbodens, welcher wenig Volumen aufnimmt und dadurch sich das Niveau des geforderten Minimal-Arbeitsvolumen hoch genug in den zylindrischen Teil des Behälters befindet, wo am Umfang ausreichend Sondenstutzen (Ingoldstutzen) untergebracht werden können. Weiters bedarf der Klöpperboden keiner weiteren Bearbeitung, ist billig und weist die selbe Blechdicke wie der Zylinder auf und besitzt somit das gleiche Wärmeübergangsverhalten, wie der restliche Behälter des Bioreaktors. Der Nachteil dieser Konstruktion liegt darin, dass die Ventile zumeist Sonderkonstruktionen mit kleinen Nennweiten und schlechten kv-Werten (normierte Durchflusskennzahl) sind. Der für das Sterilisieren notwendige Dampfanschluss kann nur als dünner Rohranschluss am Einschweißstutzen realisiert werden. Weiters ist das Ausdrücken des Einschweißstutzens zur Erreichung der Entleerbarkeit kein unproblematischer Arbeitsschritt, da die Gefahr des Mitdrückens des nahe liegenden Rührwerkflansches besteht, was ein ungewolltes Schrägstellen der Rührwerkswelle zur Folge hat.

Ein weiterer bekannter Bioreaktor der genannten Art weist einen Flachboden mit Einschweißstutzen für die Aufnahme eines Kolbenventils auf. Der Flachboden erfordert das Einarbeiten von Drainagen zum Ventil hin, um dieses an den Rand des Bodens setzen zu können (d.h. weg vom zentralen Rührwerk). Vorteilhaft bei dieser Konstruktion ist die Möglichkeit, eine größere Ventilbauart einzusetzen. Der schlechte kv-Wert von Kolbenventilen bleibt jedoch erhalten. Weiters kann das für die Sterilisation benötigte Dampfventil mit einem minimalen Abstand zu dem Bodenablassventil eingesetzt werden. Der Nachtteil dieser Konstruktion liegt darin, dass der Flachboden mehr Volumen aufnimmt als der Klöpperboden und somit der Flüssigkeitsspiegel bei eingefülltem Minimalvolumen weiter nach unten sinkt. Damit aber die unterste Rührerebene und der Begasungsring darin noch arbeiten, sind Sonderkonstruktionen notwendig. Dadurch sitzen die in der Seitenwandung eingesetzten Sonden in der Nähe des Flachbodens, wodurch eine Kollisionsgefahr mit dem Rührwerksantrieb besteht. Weiters wird die Bearbeitung des Flachbodens (z.B. Einarbeiten der Drainagen) aufwendig und teuer. Aufgrund der fehlenden Bombierung des Bodens besitzt der Flachboden gegenüber einem gewölbten Boden, z.B. Klöpperboden, eine geringere Festigkeit. Um dem im Reaktorinnerraum auftretenden Druck Stand halten zu können, muss der Flachboden im Vergleich zu der Seitenwandung (Mantel) eine größere Wandstärke aufweisen, wodurch der Boden einen schlechteren Wärmeübergang aufweist, was zu längeren Aufheiz- bzw. Abkühlzeiten führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bioreaktor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem, unter weitgehender Beibehaltung einer Volumen sparenden Bodenform, der tiefste Punkt des Behälters vom Zentrum (Sitz des Rührwerks) in einen Bereich verlegt wird, wo ein handelsübliches Membran-Bodenauslassventil eingebaut werden kann. 3 AT 504 648 B1

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Boden ein Klöpperboden ist, in dem ein zentraler in den Reaktorinnenraum ragender, das Rührwerk tragender Einsatzteil unter Bildung einer umlaufenden Rinne eingesetzt ist, wobei die Verbindung zwischen Mantelfläche des Einsatzteils und Kalotte des Klöpperbodens in der Nähe der Einlaufmuschel des Auslassventils angeordnet ist, das Auslassventil bis in die Krempe ragend eingesetzt ist und die tiefst-liegende Kante der Ventileinlassöffnung des Auslassventils an dem tiefstliegenden Punkt der Rinne angeordnet ist. Damit wird ein möglichst geringes, vom Rührer noch erfassbares Volumen erzielt und weiters wird der Einbau handelsüblicher Membran-Bodenablassventile mit Dampfventilen, die mit einem minimalen Abstand zu den Membranventilen angeordnet sind, und ein zwangloser Zugang zu den Antrieben ermöglicht. Damit wird weiters bei Bioreaktoren mit kleinen Arbeitsvolumina (< 50 L) mit kleinen Durchmessern (< 300 mm) auch der Einsatz von Membranventilen, die in Pharmaanlagen Stand der Technik sind, ermöglicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann der in den Reaktorinnenraum ragende, das Rührwerk tragende Einsatzteil die Form einer Halbkugel, eines Prismas, eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes aufweisen, vorzugsweise eines flachen Kegelstumpfes mit einem Winkel zwischen Basis und Erzeugenden von 5° bis 15°. Durch diese Anordnung des in den Innenraum des Reaktors ragenden Einsatzteils wird einerseits der Flüssigkeitsspiegel bei eingebrachtem Minimalvolumen nach oben gedrückt und andererseits genügend Platz geschaffen, der den Einbau eines Membranventils im Behälterboden neben dem Rührwerk ermöglicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Ebene der Sohle der Rinne zum Ablassventil hin abfallend geneigt sein. Dadurch wird ein restloses Entleeren des Bioreaktors sichergestellt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Einlaufmuschel des bis in die Krempe ragend eingesetzten Ablassventils in den tiefsten Punkt der Kalotte des verbleibenden Klöpperbodens reichen, wodurch die Einlaufmuschel möglichst weit aus der starken Krümmung des Klöpperbodens herausgehalten ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann sich die Neigung des in den Reaktorinnenraum ragenden Kegelstumpfes in die Einlaufmuschel des Ventils fortsetzen, wodurch der Auslauf von der tiefsten Zone des Behälterbodens ausgeht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das bis in die Krempe des Klöpperbodens ragend eingesetzte Ventil ein Membranventil sein. Damit wird die Forderung nach einheitlichen Ventilbauarten in der Pharmaanlage, d.h. nicht nur in den Rohrleitungen sondern auch im Behälter selbst, erfüllt. Membranventile sind in Pharmaanlagen vorgesehen, weil sie eine einfache Konstruktion und einen geringen Wartungsaufwand haben, und bestmöglich zu reinigen und zu sterilisieren sind.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Es zeigt,

Figur 1 schematisch einen Vertikalschnitt der Gesamtanlage nach Linie l-l der Figur 3, wobei die Membranventile der Übersichtlichkeit wegen weggelassen wurden.

Figur 2 einen Schnitt nach Linie ll-ll der Figur 3, wobei nur der untere Teil des Reaktorbodens ohne Rührwerk wiedergegeben ist.

Figur 3 einen Schnitt nach Linie lll-lll der Figur 1, wobei das Rührwerk nicht dargestellt ist, jedoch zusätzlich die Anordnung der Membranventile angedeutet ist.

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Bioreaktor besteht aus einem Mantel, einem Deckel 2 und einem Reaktorboden 13, 14, wobei der Bioreaktor aus jedem geeigneten Material, wie 4 AT 504 648 B1

Glas, Edelstahl, etc. hergestellt sein kann. Die unterschiedlichen Teile des Bioreaktors müssen dabei nicht aus dem gleichen Material gefertigt sein, so kann zum Beispiel der Mantel aus Glas bestehen, während der Deckel 2 und der Reaktorboden 13, 14 aus Metall gefertigt sein können. Weiters ist der gezeigte Bioreaktor mit einem Kühlmantel 4 sowie Anschlüssen für einen Kühlkreislauf versehen (Kühlmitteleinlassstutzen 5 und Kühlmittelauslassstutzen 6). Der Kühlmittelkreislauf kann unter bestimmten Umständen auch als Heizkreislauf benutzt werden, wie zum Beispiel bei der Sterilisation des Bioreaktors. Ferner befinden sich im Reaktorinnenraum 1 ein zentrales Rührwerk 3, das durch den Rührwerksantrieb 12 angetrieben wird, sowie Strömungsstörbleche 9, die ein Umlaufen der Fermentationsbrühe mit dem Rührwerk 3 verhindern. Um die Mikroorganismen (Bakterien, Hefe, oder andere eukaryotische Organismen) im Reaktionsgefäß mit Sauerstoff zu versorgen, ist ein Gasanschluss 7 in dem Mantel des Reaktionsgefäßes vorgesehen. Der Gasanschluss 7 ist über eine Leitung mit einem Begasungsring 8 verbunden, durch welchen Gas, wie zum Beispiel Luft oder reiner Sauerstoff, in die Fermentationsbrühe eingeblasen wird. In weiterer Folge werden die in das Fermentationsmedium abgegebenen Gasblasen durch das Rührwerk 3 zerkleinert und in der Fermentationsbrühe verteilt. Das Rührwerk 3 ist in der gezeigten Ausführungsform mit einem magnetgekuppelten Antrieb 12 ausgebildet. Dabei liegt der Antrieb 12 in Form eines Winkelgetriebemotors unterhalb des Bioreaktors und treibt einen rotierenden Magneten 23 an. Der Rotor innerhalb des Bioreaktors läuft auf einer Keramiklagerbuchse und ist ebenfalls mit einem Magneten ausgestattet, durch den die Bewegung des Antriebsmagneten 23 auf die Rührwelle 25 übertragen wird. Der den Lagerzapfen tragende Spalttopf 24, in dem der Antriebsmagnet 23 läuft, ist in der vorliegenden Ausführungsform in einem Sitz 22 eingesteckt, welcher im Zentrum des Reaktorbodens 13, 14 sitzt und mit dem Einsatzteil 13 einen Bauteil bildet. Ist das Entnehmen des Spalttopfes 24 nicht erwünscht (für leichten Tausch des Keramikzapfens) kann dieser mit dem Einsatzteil 13 ebenfalls als ein Bauteil ausgeführt werden. Alternativ zum magnetgekuppelten Rührwerk 3 kann auch eine Bauform mit durchgehender Welle und Gleitringdichtung in den Bioreaktorboden verbaut werden. Dabei würde die Gleitringdichtung im entsprechend auszuführenden Sitz 22 eingebaut werden. Jeder biologische Prozess hat unter bestimmten Bedingungen Verfahrens-optima, d. h. für einen optimalen Prozessablauf müssen bestimmte Parameter, wie pH-Wert, Temperatur, etc. steuerbar sein. Dafür sind im Reaktionsgefäß Stutzen vorgesehen, in die die für die Messung erforderlichen Sonden eingeführt werden können. Die genannten Stutzen können wie im der vorliegenden Ausführungsform als Ingoldstutzen 10, 11 ausgebildet sein. Der erfindungsgemäße Reaktorboden 13, 14 besteht aus einem herkömmlichen Klöpperboden 14, in den ein in den Reaktorinnenraum 1 ragendener Einsatzteil 13 eingesetzt ist. Die genaue Anordnung des hineinragenden Einsatzteils ist später in Bezug auf Fig. 2 beschrieben. In den erfindungsgemäßen Reaktorboden sind zusätzliche Stutzen, wie Ingoldstuten 11, und Ventile eingebaut.

Figur 2 zeigt die detaillierte Anordnung des in den Reaktorinnenraum 1 ragenden Einsatzteils 13 des Reaktorbodens, sowie die Anordnung von Membranventilen 17, 18 für die Entleerung des Bioreaktors bzw. Probenahme während der Fermentation. Der hineinragende Einsatzteil 13 ist so in den Klöpperboden 14 eingesetzt, dass sich zwischen dem Mantel des Einsatzteils 13 und der Innenwandung des Klöpperbodens 14 eine umlaufende Rinne 15 ausbildet. In der gezeigten Ausführungsform ist der in den Reaktorinnenraum 1 ragende Einsatzteil 13 als Kegelstumpf ausgebildet, wobei der Winkel zwischen der Erzeugenden und der Basis etwa 15° beträgt. Ferner setzt sich die Neigung des Kegelstumpfes in die Einlaufmuschel 16 des Ablassventils 17 fort (Fig. 2). Das Ablassventil 17 und das Probenahmeventil 18 sind zwischen den in den Reaktorinnenraum 1 ragenden Einsatzteil 13 und der Krempe des Klöpperbodens 14 eingesetzt, und zwar derart, dass die Einlaufmuschel 16 des Ablassventils 17 in den tiefsten Punkt des verbleibenden Klöpperbodens 14 reicht. Der in den Reaktorinnenraum 1 ragende Einsatzteil 13 kann in nicht dargestellter Weise in jeder beliebigen anderen Form ausgebildet sein, wie zum Beispiel als Halbkugel, Zylinder, etc., solange die Verbindungsstelle des Mantels des Einsatzteils 13 mit der Kalotte des Klöpperbodens 14 in der Nähe der Einlaufmuschel 16 des Ablassventils 17 liegt und der Mantel des Einsatzteils 13 mit dem Klöpperboden 14 einen stumpfen Winkel einschließt. Damit wird sichergestellt, dass die genannte umlaufende Rinne 15 5 AT 504 648 B1 am tiefstliegenden Punkt des Reaktorbodens 13, 14 ausgebildet ist. Um eine tatsächlich restlose Entleerung des Bioreaktors zu ermöglichen, ist in der vorliegenden Ausführungsform die Sohle der Rinne 15 zum Ablassventil 17 hin geneigt, so dass sich die Einlaufmuschel 16 des Ablassventils 17 am tiefstliegenden Punkt des Reaktorbodens befindet. Dies kann zum Beispiel durch Tieferschleifen der Sohle der Rinne 15 erreicht werden. Weiters wird durch diese Anordnung von Einsatzteil 13 und Klöpperboden 14 die Möglichkeit geschaffen, dass auch bei Bioreaktoren mit kleinen Arbeitsvolumina handelsübliche Membranventile eingesetzt werden können. In der beschriebenen Ausführungsform sind zwei typengleiche Membranventile 17, 18 (Figuren 2 und 3) in den erfindungsgemäßen Reaktorboden 13, 14 eingebaut, die von der Firma Gemü (Ingelfingen-Criesbach, Deutschland) kommerziell erhältlich sind, wobei ein Membranventil als Bodenablassventil 17 und das andere als Probenahmeventil 18 dient. Der Einsatz von Membranventilen ist insbesondere bei pharmazeutischen Anlagen, die einer strikteren Regulierung bezüglich Sterilität und Reinheit unterworfen sind, Stand der Technik. Um der Forderung nach Sterilität bzw. Reinheit in der pharmazeutischen Anlage gerecht zu werden, sind in einem minimalen Abstand zu den Membranventilen Dampfventile 19 angeordnet (siehe Figur 3). Wie weiters aus Figur 3 ersichtlich ist, weisen bei der bevorzugten Ausführungsform die Auslaufstutzen 20 der Membranventile 17, 18 in die gleiche Richtung, während die Dampfzufuhr 21 für die Dampfventile 19 von der entgegengesetzten Richtung erfolgt. Das Dampfventil 19 (Fig. 2 und 3) bietet die Möglichkeit sowohl das Auslassventil 17 als auch das Probenahmeventil 18 nach Bedarf zu sterilisieren, wie zum Beispiel nach jeder, während einer Fermentation, genommenen Probe. Weiters zeigt Figur 3, dass der erfindungsgemäße Reaktorboden 13, 14 genügend Platz bietet, um außer den Membranventilen zusätzliche Stutzen aufzunehmen. In der gezeigten Ausführungsform ist der genannte zusätzliche Stutzen ein Ingoldstutzen 11 der zum Beispiel zur Aufnahme einer Temperatursonde vorgesehen ist.

Im Weiteren wird der Bioreaktor im Zusammenhang mit einer Fermentation beschrieben, um die Funktionen einzelner Komponenten näher zu erläutern. Das Reaktorgefäß des gezeigten Bioreaktors wird bei abgenommenen Deckel 2 mit einem vorgemischten Fermentationsmedium befüllt. Im Anschluss daran wird der Deckel 2 am Reaktorgefäß befestigt und der Kühlmantel 4 über den Einlaufstutzen 5 mit Kühlmittel gefüllt. Das Kühlmittel kann jedes geeignete im Stand der Technik bekannte Kühlmittel sein, ist jedoch vorzugsweise temperiertes Wasser. Nach entsprechender Sterilisation, Abkühlung und Inokulation wird der Bioreaktor in Betrieb genommen, indem das Kühlmittel im Kühlkreislauf in Zirkulation versetzt wird und das über ein Antrieb 12 betätigte Rührwerk 3 in Rotation versetzt wird, wobei die im Reaktorinnenraum 1 befindlichen Strömungsstörbleche 9 ein Mitrotieren der Fermentationsbrühe mit dem Rührwerk 3 verhindern. Wie oben bereits erwähnt ist, sind für die Steuerung der Fermentation Sonden notwendig, die die entsprechenden Parameter im Reaktorinnenraum 1 messen. Es können beispielsweise eine Temperatursonde, eine pH-Elektrode, oder dergleichen in die genannten Ingoldstutzen 10, 11 eingesetzt sein. Über den Kühlkreislauf 4, 5, 6 wird die Fermentationstemperatur auf der gewünschten Temperatur gehalten, z.B. 37 °C. Dazu dient der Kühlkreislauf einerseits als Kreislauf, indem Kühlmittel durch den Kühlkreislauf gepumpt wird, und andererseits als Heizkreislauf, indem das selbe Medium durch eine Heizeinrichtung (Thermostatisierung - nicht gezeigt) auf die entsprechende Temperatur erwärmt wird, und anschließend dem Kühlkreislauf zugeführt wird. Während der Fermentation können über das Probenahmeventil 18 Proben genommen werden, die anschließend mittels herkömmlicher analytischer Verfahren untersucht werden können. Das Probenahmeventil 18 kann mittels des in unmittelbarer Nähe angebrachten Dampfventils 19 vor und nach jeder Probenahme sterilisiert werden, um die Fermentation nicht durch eine über das Probenahmeventil in den Reaktorinnenraum 1 gelangende Kontamination zu beinträchtigen. Das gewünschte Fermentationsprodukt wird bei einer kontinuierlichen Fermentation fortlaufend am oberen Ende des Fermenters abgezogen (nicht gezeigt). Im Gegensatz dazu, wird bei einer Batch-Fermentation das gewünschte Produkt am Ende der Fermentation über das Bodenablassventil 17 entnommen. Es ist im Stand der Technik bekannt, dass das gewünschte Produkt entweder in der Fermentationsbrühe (z.B. sezernierte Proteine) oder in der Zelle (z.B. als Einschlusskörper) vorliegen kann. Da, wie oben erwähnt ist, die Einlaufmuschel 16 des Ablassventils 17 am tiefstliegenden Punkt in der umlaufenden Rinne

Claims (6)

1. 6 AT 504 648 B1 15 angeordnet ist, kann die Fermentationsbrühe restlos entnommen werden und somit kann das Fermentationsprodukt ohne große Verluste einer weiteren Behandlung zugeführt werden. Das gewünschte Produkt kann aus dem Kulturüberstand mittels im Stand der Technik bekannter Verfahren gewonnen werden. Als Einschlusskörper vorliegende Produkte werden nach erfolgtem Zellaufschluss unter Verwendung geeigneter, im Stand der Technik, bekannter Verfahren von den Zelltrümmern getrennt und anschließend entsprechend gereinigt. In diesem Zusammenhang kann noch auf einen weiteren Vorteil dieser vorliegenden Erfindung hingewiesen werden. Bei der chemischen Sterilisation unter Verwendung von flüssigen Sterilisationsmitteln kann das Sterilisationsmittel vor der Befüllung des Reaktorgefäßes mit Fermentationsmedium restlos entfernt werden, um die Fermentation nicht durch Abtöten des Inokulums durch restliches Desinfektionsmittel zu beeinträchtigen. Patentansprüche: 1. Bioreaktor mit einem zylinderförmigen Mantel, einem Rührwerk (3), einem Deckel (2), einem Boden, und mit in den Boden eingesetzten Ventilen, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden ein Klöpperboden (14) ist, in dem ein zentraler in den Reaktorinnenraum (1) ragender, das Rührwerk (3) tragender Einsatzteil (13) unter Bildung einer umlaufenden Rinne (15) eingesetzt ist, wobei die Verbindung zwischen Mantelfläche des Einsatzteils (13) und Kalotte des Klöpperbodens (14) in der Nähe der Einlaufmuschel (16) des Auslassventils (17) angeordnet ist, das Auslassventil (17) bis in die Krempe ragend eingesetzt ist und die festliegende Kante der Ventileinlassöffnung des Auslassventils (17) an dem tiefstliegenden Punkt der Rinne (15) angeordnet ist.
2. 2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Reaktorinnenraum (1) ragende, das Rührwerk (3) tragende Einsatzteil (13) die Form einer Halbkugel, eines Prismas, eines Zylinders oder eines Kegelstumpfes aufweist, vorzugsweise eines flachen Kegelstumpfes mit einem Winkel zwischen Basis und Erzeugenden von 5° bis 15° ist.
3. 3. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebene der Sohle der Rinne (15) zum Auslassventil (17) hin abfallend geneigt ist.
4. 4. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlaufmuschel (16) des bis in die Krempe ragend eingesetzten Auslassventils (17) in den tiefsten Punkt der Kalotte des verbleibenden Klöpperbodens (14) reicht.
5. 5. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Neigung des in den Reaktorinnenraum (1) ragenden Kegelstumpfes (13) in die Einlaufmuschel (16) des Ventils (17) fortsetzt.
6. 6. Bioreaktor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das bis in die Krempe des Klöpperbodens (14) ragend eingesetzte Ventil (17) ein Membranventil ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen