CH666904A5

CH666904A5 - Agitationsvorrichtung fuer ein fermentier- und gewebekulturgefaess.

Info

Publication number: CH666904A5
Application number: CH6159/84A
Authority: CH
Inventors: David Freedman; Zheng Zhenbin
Original assignee: New Brunswick Scientific Co
Priority date: 1983-12-29
Filing date: 1984-12-21
Publication date: 1988-08-31
Also published as: DE3445952A1; JPH0640816B2; GB2151937B; FR2557474A1; US4634675A; GB8431882D0; DE3445952C2; GB2151937A; FR2557474B1; JPS60160882A

Description

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Agitationsvorrichtung für ein Fermentier- und Gewebekulturgefäss gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruches 1.

Die Anwendung der Zell-Kulturtechnik ist weitverbreitet bekannt und ist lebensnotwendig um die tierischen Zellstrukturen zu studieren und zur Erzeugung von wichtigem medizinischem Material, wie Hormone, Enzyme, Antikörper, Vakzine, usw. Bei Verwendung der Gewebe- und Mikroträger-zellen-Kulturtechnik sind die Zellen von Natur aus hyperempfindlich und können während des Wachstums leicht beschädigt werden. Die Kultur von verankerungsabhängigen Zellen hat sich als schwierig erwiesen und zu diesem Zweck wurden Mikroträger entwickelt. In solchen Mikroträgerkul-turen wachsen die Zellen als einzelne Lagen auf einer Oberfläche eines Mikroträgers mit einer allgemeinen kugeligen Form, die dann ihrerseits in einem Kulturmedium durch sanfte Agitation suspendiert sind. Eine detaillierte Beschreibung des Mikroträgerzellkulturprinzips und Verfahren sowie bisher bekannte Systeme der Agitation können im Buch «Micro-carriers Cell Culture: Principles and Methods» der Pharmacia Fine Chemicals, Schweden, Dezember 1981 gefunden werden.

Wie in der oben erwähnten Referenz, wird die höchste Ausbeute bei Mikroträgerkulturen erhalten, wenn die Mikroträger gleichmässig im Kulturmedium suspendiert sind und ihnen eine Möglichkeit zum Gasaustausch innerhalb des Kulturmediums verschafft wird. Eine erratische Agitation oder Umrührbewegungen müssen vermieden werden, weil diese zur Ablösung der gerundeten mitotischen Zellen von den Mikroträgern führen. Aus diesem Grunde ist es wichtig zu verhindern, dass das Kulturmedium und die Mikroträger Vibrationen ausgesetzt sind. Anderseits ist eine Agitation oder ein Umrühren wichtig um sicherzustellen, dass die gesamte Oberfläche der Mikroträger für Zellwachstum zur Verfügung steht, um eine homogene Kulturumwelt zu schaffen und um zu verhindern, dass sich Mikroträger zusammenballen und ferner um den Austausch von Gasen zwischen dem oberen Raum und dem Medium zu erleichtern.

Eine Anzahl von Techniken wurden verwendet um die Suspension und Belüftung der Mikroträger und Zellen zu bewirken, bei denen Drehgefässe und mit Umrührstäben versehene Gefässe vorgesehen sind, wie auch Wälzflaschen und schwenken von Flaschen und auch die Verwendung von Druckluftheber- und Fluidheberkulturmediumsystemen. Anstrengungen zur Verbesserung der Agitation führten zur Verwendung von Umrührstäben mit kugeligen Spitzen am einen Ende, die in einem kreisförmigen Weg am anderen Ende um eine Projektion in der Basis des Gefässes bewegt werden und zur Verwendung von schaufei- und kolbenförmigen Impellern.

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Jedoch haben diese Systeme keine zufriedenstellende Lösung bewirkt, insbesondere wenn sie in grossangelegten kommerziellen Fermentation und Gewebekulturanordnungen verwendet wurden und sie sind bezüglich der Geschwindigkeitssteuerung und der Kraft zur Mikroträger-bewegung und Belüftung begrenzt.

Dementsprechend ist es wünschbar, einen Agitator für Fermentier- und Gewebekulturgefässe zu schaffen, bei dem die Mikroträgerzellkulturen suspendiert gehalten werden, um einen Gasaustausch zu ermöglichen, wobei die Ablösung der wachsenden Zellen von den Mikroträgern minimiert werden soll. Es ist demgemäss eine Aufgabe der Erfindung eine solche Lösung anzugeben.

Erfindungsgemäss wird dies durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhan d der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Laboratoriums-Fermentiergeräts mit einem Agitator nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht gemäss der Schnittlinie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittansicht gemäss der Schnittlinie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 ein Grundriss eines Agitators mit einer anderen Antriebsmethode nach der Erfindung, und

Fig. 5 ein Grundriss einer weiteren Ausbildung des Hohlkörpers nach der Erfindung.

In Fig. 1 bis 3 ist ein Typ eines Laboratoriums-Fermentier-gerätes 10 dargestellt, bei dem ein Agitator gemäss der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel eingebaut ist. Das Fermentiergerät umfasst einen Steuerkasten 12 der die Geräte enthält, um das Fermentiergerät zu betätigen und kann dazu noch einen Magnetantrieb 28 (Fig. 2) umfassen. Ein Fermentier* und Gewebekulturgefäss 14 ist auf die obere Fläche 13 des Steuergerätekastens 12 gestellt und es sind Verbindungen hergestellt um das Zellwachstum zu überwachen und zu steuern. Das Gefäss 14 ist mittels eines U-förmigen Halters 15a und einem lösbaren Bügel 15b gehalten. Das Fermentier-gefäss 14 ist mittels eines Gefässdeckels 16a, der dichtend am oberen Flansch des Gerätes mittels einer Dichtung 16b dicht verschlossen und der Deckel ist mittels einer Klammer 16c festgehalten. Das Fermentiergefäss 14 ist mit einer Heizung 17a mit einer Heizsteuerleitung 17b versehen, um die Temperatur des Inhalts des Fermentier- und Gewebekulturgefässes 14 anzuheben. Das Fermentiergefäss 14 ist auch mit einem Kühlfinger 22a mit einer Kühlzuleitung 22b versehen, mit dem die Temperatur des Inhalts des Fermentier- und Gewebekulturgefässes 14 abgesenkt werden kann. Ein Thermometer 18a ist in einem zylindrischen Rohr 18b in das Gefäss eingebaut, um die Temperatur des Inhalts des Fermentier-und Gewebekulturgefässes anzuzeigen. Das Fermentier- und Gewebekulturgefäss 14 enthält auch eine Probenentnahmeeinrichtung 20, die verwendet werden kann um eine Portion des Inhalts des Fermentier- und Gewebekulturgefässes zu entnehmen ohne den Vorgang im Fermentiergerät 10 zu stören.

Das Fermentier- und Gewebekulturgefäss 14 ist auch mit einem Messfühler 24a für gelösten Sauerstoff versehen, der ein Ausgangskabel 24b aufweist, um den prozentualen Gehalt von Sauerstoff im Fermentier- und Gewebekulturmedium zu messen.

Die verschiedenen erwähnten Sensoren und Steuervorrichtungen sind Beispiele von vielen Arten von solchen Vorrichtungen, die in ein Fermentier- und Gewebekulturgefäss eingebaut werden können und keinen Teil der Erfindung darstellen. So können auch Mittel zum Entschäumen, zur Zugabe von Medien und anderen Funktionen vorgesehen sein.

Ein Agitator 30 nach der Erfindung, ist am Deckel 16a befestigt. Der Agitator umfasst einen zylindrischen hohlen Körper 31, mit einem ersten offenen Ende 31a und einem zweiten geschlossenen Ende 31b. Der Hohlkörper 31 weist nahe bei seinem zweiten Ende 3 lb Rohrstutzen 33 auf, die seitlich vom Hohlkörper abstehen. Diese Rohrstutzen 33 sind hohl und haben ein erstes Ende, das eine Ausgangsöffnung 33a definiert und ein zweites Ende 33b aufweist. Das genannte zweite Ende 33b jedes Rohres 33, ist mit dem Hohlkörper 31 an einer Öffnung 27 in der zylindrischen Wand des Hohlkörpers verbunden, so dass ein Fluss durch das offene Ende 3 la des Hohlkörpers durch die Öffnung 27 entsteht und durch die Rohrstutzen abfliesst, und an deren Öffnungen 33a austritt. Die Ausgangsöffnung 33a jedes Rohrstutzens 33 ist derart ausgebildet, dass sie in Gegenrichtung zur Drehrichtung des Agitators 30 sich öffnet, wie durch den Pfeil A in Fig. 2 und 3 angezeigt ist. Im Betrieb, wenn der Agitator 30 um seine Längsachse in Richtung des Pfeiles A rotiert wird, so dass die geschlossene Fläche 33c jedes Rohrstutzens 33 bei der Bewegung voll am Rohrstutzen liegt, ergibt sich ein Sog innerhalb des Hohlkörpers 31 und dem Rohrstutzen 33. Dies bewirkt eine Bewegung des Fluids 50 im Fermentier- und Gewebekulturgefäss 14, das sich in die Öffnung 33a in Richtung des Pfeiles B (Fig. 2) und aus der Öffnung 33 a der Rohrstutzen 33 in Richtung der Pfeile C (Fig. 2 und 3) ergibt. Wenn der Pegel des Fluids im Fermentier- und Gewebekulturgefäss über den Rohrstutzen ist, wird eine Zirkulation erzeugt, durch die Material vom Boden des Fermentier- und Gewebekulturgefässes entnommen und in den oberen Bereich des Fermentier- und Gewebekulturgefässes gebracht wird. Dies erlaubt eine Bewegung und Belüftung der Mikro-trägerzellenstrukturen, die in Fluid suspendiert sind, bei gleichzeitiger Minimierung der Ablösung der Zellen von den Mikroträgern.

Der Agitator 30 ist an einer Welle 35 mit Halteschrauben 36 befestigt und die Welle 35 ihrerseits ist mittels einer Lageranordnung 34 mit einem Drehlager 37 (Fig. 2) drehbar gehaltert. Ein ringförmiger Antriebsmagnet 32 ist nahe beim ersten Ende 3 la des Hohlkörpers 31 mittels Stäben 38 befestigt. Der Antriebsmagnet 32 umfasst einen ringförmigen Permanentmagneten 32a, der von einem Schutzgehäuse 32b umfasst und gleichzeitig gehaltert ist, an dem auch die Stäbe 38 befestigt sind. Wenn der Magnet 28a des Magnetantriebs 28 rotiert, bewirkt dies auch eine Rotation des Magnetantriebes 32, wodurch der Agitator 30 und die Welle 35 rotiert werden. Ein herkömmlicher magnetischer Antrieb, mit einem Antriebsmagnet 28a, befindet sich unter der Oberfläche 13 des Steuerkastens 12 unterhalb des Gefässes 14. Wenn diese Methode verwendet wird, besteht keine direkte physische Verbindung zwischen dem Antrieb und dem Agitator. Überdies hilft der Antriebsmagnet zur Ausbreitung des Flusses am Boden des Gefässes 14 zur Verhinderung einer Ansammlung von Mikroträgern an der Peripherie des Bodens.

In Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der das Agitatorlager durch einen direkten motorischen Antrieb 39 ersetzt ist, so dass der Agitator 30 ohne Magnete direkt angetrieben wird. Eine sich radial erstreckende Platte 40 ist nahe beim ersten offenen Ende des Hohlkörpers 31 angeordnet, um den Fluss, der durch den Agitator 30 in der Bodenregion des Gefässes 14, erzeugt wird, auszubreiten, wie durch die Zeile D dargestellt ist. Im Betrieb des Fermentiergerätes als Mikroträgerkulturgefässes ist die Form des Gefässes üblicherweise ausgewählt, um Sedimentation der Mikroträger in einem Teil des Kulturgefässes zu verhindern,

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nämlich mit leichtgerundeter Basis. Die Ausführungsform in Fig. 4 erlaubt dagegen die Verwendung eines Gefässes, mit im wesentlichen flachem Boden.

Wie in den Zeichnungen dargestellt, sind beim Agitator mehrere Rohrstutzen vorgesehen. Demgemäss sind drei Rohrstutzen am Hohlkörper befestigt. Selbstverständlich kann die Anzahl dieser Rohrstutzen grösser oder kleiner sein, aber es muss immer wenigstens ein Rohrstutzen vorhanden sein. Die Anzahl der Rohrstutzen und die allgemeine Form steuert die Geschwindigkeit und die Kraft des Soges oder des Zuges. Diese werden aber auch durch die Geschwindigkeit beeinflusst, mit der der Agitator rotiert wird.

Während der Agitator nach der Erfindung für den Betrieb in einem Tischlaboratoriumsfermentiergerät dargestellt ist, kann die Abmessung so gewählt werden, dass er in kommerziellen Fermentier- und Gewebekulturanwendungen ebenso gut funktioniert. Ein Vorteil des Agitators nach der Erfindung, ist die Möglichkeit ihn für grössere Gefässe zu vergrös-sern. Während ein solcher Agitator insbesondere für Mikro-trägerzellwachstumanwendungen vorteilhaft ist, kann dieser auch als Agitator für Fermentier- und Gewebekulturanwen-5 düngen verwendet werden. Während der Agitator 30 in einer Kopfanordnung dargestellt ist, kann es auch ebensogut eine Halterung und Steuerung vom Boden aus gewählt werden.

Während eine besondere Form der Rohrstutzen dargestellt ist, könnten auch andere Formen verwendet werden, so lange io die Ausgangsöffnung in Gegenrichtung zur Drehrichtung des Agitators angeordnet sind. Sogar ein schaufeiförmiger Rohrstutzen, mit praktisch keiner Wand auf der Hinterseite, in Bezug auf die Rotation des Agitators, kann in gewissen Ausführungsformen wirksam sein. Der Hohlkörper 31 kann ls kegelförmig mit erweitertem ersten offenen Ende 41 ausgebildet sein, wie beispielsweise beim Hohlkörper 42 gemäss Fig. 5 dargestellt ist.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Agitationsvorrichtung für ein Fermentier- und Gewe-bekultur-Gefäss, gekennzeichnet durch einen an ein Gefäss (14) bewegl ich montierbaren Hohlkörper (30,42) mit einem gegenüber einer Bodenfläche des Gefässes (14) plazierbaren offenen Endteil (31a) und einem geschlossenen Endteil (31b) und mit wenigstens einer vom offenen Endteil (31a) distanzierten Öffnung (27) in der Wand, und durch wenigstens einen am Hohlkörper (30,42) an der genannten Öffnung (27) befestigten Rohrstutzen (33) mit wenigstens einer Eintrittsöffnung (33b) und einer Austrittsöffnung (33a), die derart auf die Öffnung (27) im Hohlkörper ausgerichtet ist, dass bei einer Bewegung des Hohlkörpers (30,42) bei der Austrittsöffnung des Rohrstutzens (33) eine Saugkraft erzeugt wird, um Fluid am offenen Endteil (31a) in den Hohlkörper (30,42) zu saugen und durch den Rohrstutzen (33) der Austrittsöffnung (33a) zuzuführen.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der beweglich montierbare Hohlkörper (30) für eine Drehbewegung ausgebildet und mit einer Seitenwand (31) und einer Endwand (31b) versehen ist, wobei die genannte Öffnung (27) sich in der Seitenwand (31) befindet, dass die Drehachse für den Hohlkörper (30,42) die Achse der Seitenwand ist, die das offene Endteil (31a) durchdringt, dass ferner wenigstens ein Rohrstutzen (33) radial aus der Seitenwand heraus vorsteht, und dass die Austrittsöffnung (33a) in Gegenrichtung zur Drehrichtung angeordnet ist.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet. dass die Seitenwand (31) des Hohlkörpers (30) als Zylinderwand geformt ist, und dass der Rohrstutzen (33) und die zugehörige Öffnung (27) im Hohlkörper (30) im Bereich bei der Endwand (31b) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand des Hohlkörpers (42) wenigstens zum Teil kegelstumpfförmig ausgebildet ist, und dass das untere offene Ende einen grösseren Durchmesser aufweist als das obere geschlossene Ende.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Rohrstutzen (33) vorhanden sind, von denen jeder von einer Öffnung (27) im Hohlkörper (30) ausgehend angeordnet ist.

6. Fermentier- und Gewebekulturgefäss mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (30) mit seinem unteren offenen Endteil (31a) gegenüber dem Boden des Gefässes (14) und im Abstand davon angeordnet ist.

7. Fermentier- und Gewebekulturgefäss mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb für die Drehbewegung des Hohlkörpers (30) ein Magnetantrieb (32) ist, der nahe beim unteren offenen Endteil des Hohlkörpers (30) an diesem befestigt ist, dass Mittel (34. 37) vorhanden sind, um den Hohlkörper (30) freitragend rotierbar zu haltern, derart, dass sich das untere offene Endteil (31a) im Abstand vom Boden des Gefässes

( 14) befindet, und dass der Magnetantrieb (32) einen Permanentmagnet (32a) aufweist, der die Seitenwand (31) des Hohlkörpers (30) umfasst und im Abstand von dieser im Gebiet des unteren offenen Endteils (31a) angeordnet ist, derart, dass der Magnetantrieb (32) von ausserhalb des Gefässes ( 14) ohne direkten körperlichen Kontakt zwischen diesen Magnetantrieb und dem Gefäss antreibbar ist.

8. Fermentier- und Gewebekulturgefäss mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch Mittel (35, 39) für den rotierbaren Antrieb des Hohlkörpers (30), bestehend aus einem nahe beim oberen geschlossenen Ende des Hohlkörpers (30) befestigten Motor (39) mit einer direkten Verbindung (35) zwischen dem Motor (39) und dem Hohlkörper (30).

9. Fermentier- und Gewebekulturgefäss mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 2, gekennzeichnet durch einen plattenförmigen Flansch (40) der radial nahe beim unteren offenen Ende des Hohlkörpers (30) nach aussen absteht, einerseits einen Abstand zum Boden des Gefässes (14) und anderseits an der Peripherie auch einen Abstand zur Seitenwand des Gefässes aufweist, derart, dass durch die Saugkraft ein Fluss des Fluids entlang der Wand über den Flansch und entlang dem Boden des Gefässes erzeugt wird.

10. Verwendung der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 • für ein Mikroträger-Kulturfluid.