CH642679A5

CH642679A5 - METHOD FOR CARRYING OUT BIOREACTIONS.

Info

Publication number: CH642679A5
Application number: CH992678A
Authority: CH
Inventors: Hat Auf Nennung Verzichtet Erfinder
Original assignee: Luwa Ag
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1978-09-22
Publication date: 1984-04-30
Also published as: DE2936092A1; GB2032956B; JPS5589750A; GB2032956A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von Bioreaktionen in einem geschlossenen Behältnis gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for carrying out bioreactions in a closed container according to the preamble of claim 1 and a bioreactor for carrying out the method.

Bekannte Bioreaktoren dieser Art, welche in der Erprobung sind, weisen einen stehenden, z.B. zylindrischen Kessel auf, der ein koaxial angeordnetes Leitrohr enthält. Die Reaktionsmasse wird entweder mittels eines Rührers oder mittels einer einen Treibstrahl erzeugenden Flüssigkeitspumpe in Known bioreactors of this type, which are being tested, have a standing one, e.g. cylindrical boiler, which contains a coaxially arranged guide tube. The reaction mass is in either by means of a stirrer or by means of a liquid pump which generates a propellant jet

Umlauf gehalten und durch eine Begasungszone getrieben. Durch das Leitrohr wird eine definierte Umlaufbahn gebildet, welche sich auf eine Einengung des Verweilzeitspektrums und auf die Versorgung der Zellen günstig auswirkt. Dementsprechend lassen sich mit Bioreaktoren dieser Art ansprechende Resultate bezüglich Produktqualität und spezifischer Produktionsleistung erreichen. Held in circulation and driven through a fumigation zone. A defined orbit is formed by the guide tube, which has a favorable effect on narrowing the residence time spectrum and on the supply to the cells. Accordingly, bioreactors of this type can achieve appealing results in terms of product quality and specific production output.

Die bisherige Erprobung hat aber schon gezeigt, dass die Aufrechterhaltung der Umlaufströmung insbesondere aber die Erreichung ausreichend hoher Sauerstoff-Transfer-Koeffizienten eine erhebliche spezifische Antriebsleistung voraussetzen. Daneben ist, wenn nicht mit vielfach unerwünschten Inhibitoren gearbeitet werden soll, auch für die Schaumab-scheidung bzw. Vernichtung ein beträchtlicher Energieaufwand notwendig. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Anteil an im nassen Schaum gefangenen Zellen vergleichsweise gross ist und dass diese Zellen ungenügend versorgt werden, wobei die Gefahr des Verkümmerns derselben besteht. However, previous testing has already shown that maintaining the circulating flow, but in particular achieving sufficiently high oxygen transfer coefficients, requires a considerable specific drive power. In addition, if it is not intended to work with frequently undesirable inhibitors, a considerable amount of energy is also required for foam separation or destruction. It should be borne in mind that the proportion of cells trapped in the wet foam is comparatively large and that these cells are insufficiently supplied, with the risk of shrinking them.

Aufgabe der Erfindung ist nun die Schaffung hydrodynamischer Verhältnisse in einem Bioreaktor, welche hohe Gas-Transferkoeffizienten bei verringerter spezifischer Antriebsleistung erreichen lassen. Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass optimalere Bedingungen für das Zellwachstum durch Vergrösserung der Grenzflächen und Verbesserung bzw. Vergleichmässigung der Strömungsbedingungen im Reaktor bzw. der Umlaufbahn erreichbar sind. The object of the invention is now to create hydrodynamic conditions in a bioreactor, which allow high gas transfer coefficients to be achieved with a reduced specific drive power. In solving this problem, the invention is based on the knowledge that more optimal conditions for cell growth can be achieved by enlarging the interfaces and improving or evening out the flow conditions in the reactor or the orbit.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Suspension in einer Ringströmung mit überwiegend turbulentem Strömungsverhalten geführt wird bzw. dass das Gefäss durch eine geschlossene, im wesentlichen horizontal verlaufende Rohrschleife gebildet ist, wobei das Rohr über seinen Umfang eine mindestens annähernd konstante Querschnittsfläche und -Form aufweist, und wobei die Antriebsmittel ausgebildet sind, um der Reaktionsmasse beim Umlauf durch die Rohrschleife ein überwiegend turbulentes Strömungsverhalten aufzuzwingen. The object is achieved according to the invention in that the suspension is conducted in an annular flow with predominantly turbulent flow behavior or in that the vessel is formed by a closed, essentially horizontal pipe loop, the pipe having an at least approximately constant cross-sectional area over its circumference and Has shape, and wherein the drive means are designed to impose a predominantly turbulent flow behavior on the reaction mass as it circulates through the pipe loop.

Dementsprechend definiert die Kammer des erfindungsge-mässen Bioreaktors eine impulserhaltende Umlaufbahn, in welcher Totwasserzonen vermieden sind. Accordingly, the chamber of the bioreactor according to the invention defines an impulse-maintaining orbit in which dead water zones are avoided.

Ein besonders homogenes Strömungsbild lässt sich vorzugsweise dann erreichen, wenn die Rohrschlaufe die Form eines Kreisringes aufweist. In jedem Fall aber ergeben sich infolge des Zwangsumlaufes und der Turbulenz der Strömung nahezu ideale Versorgungs- und Vermischungsverhält-nisse. Dementsprechend sind Gas-Transferkoeffizienten ki.a bis 800 h"1 bei einem spezifischen Energieverbrauch für Antrieb und Gaseintragung von weniger als 4 W 1_1 erreichbar. A particularly homogeneous flow pattern can preferably be achieved if the pipe loop has the shape of a circular ring. In any case, however, due to the forced circulation and the turbulence of the flow, there are almost ideal supply and mixing conditions. Accordingly, gas transfer coefficients ki.a up to 800 h "1 can be achieved with a specific energy consumption for drive and gas input of less than 4 W 1_1.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Reaktor erwiesen, bei welchem der Querschnitt des Rohres kreisförmig ist und Mittel vorgesehen sind, um der in der Kreisringbahn fliessenden Strömung einen schraubenlinienförmigen Verlauf zu geben. A reactor has proven to be particularly advantageous in which the cross section of the tube is circular and means are provided to give the flow flowing in the circular path a helical course.

Im Betrieb eines in der vorerwähnten Art erfindungsgemäss ausgestalteten Bioreaktors hat sich überraschend gezeigt, dass der Anfall an Schaum ausserordentlich gering ist. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass bei den interessierenden Strömungsgeschwindigkeiten von z.B. 0,5 m sek.-1 der Schaumanfall geringer ist, als bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten, die u.U. noch keine ausreichend intensive Umwälzung bzw. Vermischung und Versorgung ergeben. In the operation of a bioreactor designed according to the aforementioned type according to the invention, it has surprisingly been found that the amount of foam produced is extremely low. In particular, it has been shown that the flow velocities of interest, e.g. 0.5 m sec.-1 the foam is less than at lower flow rates, which may not yet result in sufficiently intensive circulation or mixing and supply.

Diese überraschende Erscheinung lässt sich dadurch erklären, dass die Reaktionsmasse, welche mit vergleichsweise hoher Strömungsgeschwindigkeit durch die ringförmige Rohrschleife getrieben wird, auf den Schaum erhebliche Scherkräfte einwirken lässt. Der sich durch Zentrifugalab- This surprising phenomenon can be explained by the fact that the reaction mass, which is driven through the ring-shaped tube loop at a comparatively high flow rate, has considerable shear forces acting on the foam. The centrifugal

2 2nd

5 5

10 10th

IS IS

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

Scheidung an der Innenseite des Ringes sammelnde Schaum unterliegt einer Scherung zwischen der Reaktionsmasse und der Rohrwandung. Dabei hat die Rotationsbewegung der Strömung um die Bahnachse aber zur Folge, dass der Schaum nicht entlang einer Bahn konstanten freien Querschnittes getrieben wird, sondern in einen sich etwa keilförmig verengenden Spalt, der dort endet, wo die Reaktionsmasse die Rohrwandung wieder berührt. In dieser Zone wird auf die Schaumblasen nicht nur scherend eingewirkt sondern es werden auch Druckkräfte ausgeübt. Sowohl durch die Scherung als auch durch den Druck werden die Schaumblasen aufgebrochen bzw. zerstört. Im freien Querschnitt kann sich deshalb über längere Dauer nur relativ trockener Schaum halten, dessen Anteil an Zellen vernachlässigbar ist. Es hat sich gezeigt, dass mindestens in einzelnen Fällen auf einen konventionellen Schaumabscheider verzichtet werden kann bzw. dieser nicht in Betrieb gehalten werden muss. Divorce collecting foam on the inside of the ring is subject to shear between the reaction mass and the tube wall. However, the rotational movement of the flow around the path axis means that the foam is not driven along a path of constant free cross-section, but in an approximately wedge-shaped narrowing gap that ends where the reaction mass touches the pipe wall again. In this zone, the foam bubbles are not only sheared but also pressure forces are exerted. The foam bubbles are broken up or destroyed both by the shear and by the pressure. In the free cross section, therefore, only relatively dry foam can persist over a longer period, the proportion of cells of which is negligible. It has been shown that a conventional foam separator can be dispensed with at least in individual cases or does not have to be kept in operation.

Nachfolgend ist eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Bioreaktors anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: An exemplary embodiment of the bioreactor according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 einen Horizontalschnitt entlang Linie I-I in Fig. 2 und Fig. 1 is a horizontal section along line I-I in Fig. 2 and

Fig. 2 einen Vertikalschnitt entlang Linie II-II in Fig. 1. FIG. 2 shows a vertical section along line II-II in FIG. 1.

Mit 2 ist in der Zeichnung das Gefäss eines Bioreaktors bezeichnet, das eine Reaktionskammer 4 enthält. Dabei wird das Gefäss 2 durch eine horizontal angeordnete geschlossene Rohrschlaufe in Form eines Kreisringes gebildet, wobei das Rohr selbst kreisförmigen Querschnitt aufweist. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, besitzt der Bioreaktor einen Kühl- bzw. Heizmantel 6, welcher das Rohr auf einem Teil seines Umfanges umgibt und sich entlang der ganzen Rohrschlaufe erstreckt. Mit 8 ist eine Rohrleitung und mit 10 ein Ventil des schematisch angedeuteten Zirkulationssystems für das Kühl- bzw. Heizmedium bezeichnet. 2 in the drawing denotes the vessel of a bioreactor, which contains a reaction chamber 4. The vessel 2 is formed by a horizontally arranged closed tube loop in the form of a circular ring, the tube itself having a circular cross section. As can be seen from FIG. 2, the bioreactor has a cooling or heating jacket 6, which surrounds the pipe on part of its circumference and extends along the entire pipe loop. 8 denotes a pipeline and 10 denotes a valve of the schematically indicated circulation system for the cooling or heating medium.

In die Reaktionskammer 4 erstreckt sich tangential zur Rohrachse 11 eine Hohlwelle 12, welche an ihrem freien Ende eine Antriebsschraube 14 trägt. Die Hohlwelle 12, welche die Wandung des Gefässes 2 bei 16 durchsetzt, ist in nicht näher dargestellter Weise in einem Flanschkörper 18 gelagert, der an der Gefässaussenwand befestigt ist. Mit dem Flanschkörper 18 ist ein elektrischer Antriebsmotor 20 z.B. ein Gleichstrommotor über dessen Gehäuse verbunden, währenddem die Motorwelle (nicht dargestellt) mit der Welle 12 gekuppelt ist. An den Flanschkörper 18 ist eine Gasversorgungsleitung 22 angeschlossen, welche in nicht näher dargestellter Weise mit dem Inneren der Welle 12 in Verbindung steht. Die Nabe der Schraube 14 trägt eine Mehrzahl von der Gaseintragung dienenden Stutzen 24, welche mit dem Inneren der Hohlwelle 12 verbunden sind und in die Reaktionskammer 4 münden. A hollow shaft 12 extends tangentially to the tube axis 11 and carries a drive screw 14 at its free end into the reaction chamber 4. The hollow shaft 12, which passes through the wall of the vessel 2 at 16, is mounted in a manner not shown in a flange body 18 which is attached to the outer wall of the vessel. With the flange body 18, an electric drive motor 20 is e.g. a DC motor is connected via its housing while the motor shaft (not shown) is coupled to the shaft 12. A gas supply line 22 is connected to the flange body 18 and is connected to the interior of the shaft 12 in a manner not shown. The hub of the screw 14 carries a plurality of connecting pieces 24, which are used for gas entry, which are connected to the interior of the hollow shaft 12 and open into the reaction chamber 4.

Der Pfeil 26 deutet die von der Schraube 14 erzwungene Umlaufrichtung der Strömung in der mit Reakionsmasse gefüllten Reaktionskammer 4 an. In Strömungsrichtung vor der Schraube 14 ist die Reaktionskammer über einen auf642 679 The arrow 26 indicates the direction of rotation of the flow in the reaction chamber 4 filled with reaction mass, which is forced by the screw 14. In the direction of flow in front of the screw 14, the reaction chamber is via a 646 679

wärts ragenden Stutzen 28 mit einem konventionellen Schaumabscheider 30 verbunden, dessen Motor mit 32 bezeichnet ist. Der Übersichtlichkeit halber sind die Öffnungen bzw. Stutzen des Gefässes, welche der Füllung und Entleerung bzw. Zugabe und Entnahme sowie der Impfung, ebenso wie die Einrichtung, welche der Messung bzw. Überwachung dienen, nicht dargestellt. upwardly projecting nozzle 28 connected to a conventional foam separator 30, the motor is designated 32. For the sake of clarity, the openings or nozzles of the vessel, which are used for filling and emptying or adding and removing as well as inoculation, and the device used for measuring and monitoring are not shown.

Die Schraube 14 und ihr Antrieb sind so ausgelegt, dass in der Bioreaktionsmasse, welche generell in Richtung des Pfeiles 26 umläuft, eine turbulente Strömung erzeugt werden kann. Dabei wird durch die Auslegung und Anordnung des Antriebes, d.h. der Schraube, der Strömung eine Rotationsbewegung um die Bahnachse erteilt, so dass die Strömung sich auf einer schraubenlinienförmigen Bahn bewegt. Bei jedem Durchgang eines Strömungsquerschnittes durch die von der Schraube gebildete Antriebszone erfolgt eine Eintragung von angesaugtem oder unter Überdruck zugeführtem Gas, wobei dessen Dispergierung durch die Rotation der Stutzen und die Turbulenz der Strömung schon beim Verlassen der Antriebszone weit fortgeschritten ist. Währenddem durch die regelmässige geometrische Form des Gefässes erreicht werden kann, dass der Antriebsimpulse erhalten bleibt, unterstützt die horizontale Anordnung des Gefässes die Homogenität der Strömung über die Umlaufbahn. Durch die Rotationsbewegung der Strömung um die Bahnachse wird dem Aufsteigen der Gasblasen aus der flüssigen Phase heraus entgegengewirkt und damit deren Aufenthaltszeit in der flüssigen Phase verlängert, womit das eingetragene Gas seine Versorgungsfunktion in hohem Masse erfüllen kann. The screw 14 and its drive are designed such that a turbulent flow can be generated in the bioreaction mass, which generally rotates in the direction of the arrow 26. The design and arrangement of the drive, i.e. the screw gives the flow a rotational movement about the path axis so that the flow moves on a helical path. Each time a flow cross-section passes through the drive zone formed by the screw, gas which has been sucked in or supplied under excess pressure is introduced, its dispersion by the rotation of the nozzle and the turbulence of the flow having progressed well as soon as it leaves the drive zone. While the regular geometric shape of the vessel ensures that the drive impulses are retained, the horizontal arrangement of the vessel supports the homogeneity of the flow over the orbit. The rotational movement of the flow around the path axis counteracts the rise of the gas bubbles out of the liquid phase and thus extends their time in the liquid phase, so that the gas introduced can fulfill its supply function to a large extent.

In Fig. 2 ist durch die Pfeile 34 die Rotationsbewegung der Strömung um die Bahnachse 26 innerhalb der Reaktionsmasse 36 schematisch angedeutet. Der sich bei 38 oberhalb der Reaktionsmasse sammelnde Schaum wird wie erwähnt durch Scherung und Druck in weitgehendem Masse fortlaufend aufgebrochen. Der Schaumabscheider 30 muss deshalb nur bei stark schäumenden Reaktionsmassen in Betrieb genommen werden. 2 the arrows 34 schematically indicate the rotational movement of the flow about the path axis 26 within the reaction mass 36. As mentioned, the foam collecting at 38 above the reaction mass is continuously broken up to a large extent by shear and pressure. The foam separator 30 therefore only has to be put into operation with strongly foaming reaction masses.

Es sei erwähnt, dass der beschriebene Bioreaktor sich infolge seiner regelmässigen geometrischen Form besonders leicht sterilisieren lässt. Insbesondere wenn der Antrieb nicht durch eine Schraube erfolgt, können in einem oder in mehreren voneinander distanzierten Querschnitten der Rohrschleife schraubenförmige Leitorgane vorgesehen sein, It should be mentioned that the bioreactor described is particularly easy to sterilize due to its regular geometric shape. In particular, if the drive is not carried out by a screw, helical guide elements can be provided in one or more cross sections of the pipe loop that are spaced apart from one another,

welche der Strömung die schraubenlinienförmige Bahn aufzwingen. Insbesondere dort, wo die Rohrschlaufe eine vergleichsweise lange Umlaufbahn bildet, kann die Verwendung mehrerer solcher Organe beispielsweise zusätzlich zu einer Antriebsschraube vorteilhaft sein. which force the helical path on the flow. In particular, where the pipe loop forms a comparatively long orbit, the use of several such organs, for example in addition to a drive screw, can be advantageous.

Infolge seiner vergleichsweise grossen Gefässwandfläche eignet sich der beschriebene Reaktor insbesondere auch für die Durchführung von Fotosyntheseverfahren, wobei es möglich ist, über den ganzen Umfang verteilte Lichtquellen vorzusehen. In einfacher Weise können solche Lichtquellen beispielsweise lichtdurchlässige Wandteile des Gefässes umfassen. As a result of its comparatively large vessel wall area, the described reactor is also particularly suitable for carrying out photosynthesis processes, it being possible to provide light sources distributed over the entire circumference. Such light sources can include, for example, translucent wall parts of the vessel in a simple manner.

3 3rd

s s

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

B B

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

642 679

PATENT CLAIMS

1. A method for carrying out bioreactions in a closed container in which cells are kept suspended in a nutrient substrate solution, the suspension being subjected to a circulating flow with the supply of an oxygen-containing gas, characterized in that the suspension is conducted in a ring flow with predominantly turbulent flow behavior .

2. The method according to claim 1, characterized in that a helical movement is generated in the annular flow.

3. The method according to claim 1, characterized in that the flow guided on an annular path is superimposed on a rotational movement about the axis of the path and the resulting shear rate is brought to bear on the separated foam.

4. Bioreactor for performing the method according to claim 1 with a limited by a vessel, a recirculation path defining reaction chamber and drive means to keep the reaction mass contained therein in circulation, characterized in that the vessel is formed by a closed, essentially horizontal pipe loop , wherein the tube has an at least approximately constant cross-sectional area and shape over its circumference and wherein the drive means are designed to impose a predominantly turbulent flow behavior on the reaction mass as it circulates through the tube loop.

5. Bioreactor according to claim 4, characterized in that the tube has a circular cross section.

6. Bioreactor according to claim 4 or 5, characterized in that the tube forms a circular ring.

7. Bioreactor according to one of claims 4, 5 or 6, characterized in that the tube contains means for imparting a helical path to the flow.

8. Bioreactor according to claim 7, characterized in that the means for generating the helical flow path comprise a driven screw forming the drive means, which is arranged on a shaft extending approximately tangentially to the tube axis.

9. Bioreactor according to claim 7, characterized in that the means for generating the helical flow path comprise at least one stationary helical guide body.

10. Bioreactor according to one of claims 4 to 6, characterized in that the tube circumference is at least partially surrounded by a cooling or heating jacket.

11. Bioreactor according to claim 8, characterized in that the shaft of the drive screw is designed as a hollow shaft and has outlet ports arranged in the area of the screw, the drive-side shaft end being connectable to a gas source outside the reactor.

12. Bioreactor according to one of claims 4 to 11,

characterized in that light sources are assigned to the reactor chamber.