CH684838A5

CH684838A5 - Bausatz zum Aufbau von Bioreaktoren.

Info

Publication number: CH684838A5
Application number: CH131192A
Authority: CH
Inventors: Harald Schnepple; Walter Troesch; Werner Sternad; Eckhard Blaich
Original assignee: Fraunhofer Ges Forschung
Priority date: 1991-06-08
Filing date: 1992-04-21
Publication date: 1995-01-13
Also published as: AT403479B; DE4118882A1; ATA87492A

Description

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CH 684 838 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bausatz zum Aufbau von Bioreaktoren, 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.

Bioreaktoren - früher auch unter dem Begriff Fermenter bekannt - sind kesseiförmige 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 Eintragen eines Flüssigkeits- oder Gasstromes bewegt.

Allen auf dem Markt erhältlichen Reaktoren ist jedoch gemeinsam, dass ihre zentralen Reaktionsbehälter als nicht veränderbare Schweisskonstruktio-nen 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 Reaktionsbehältern 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.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Bausatz für Bioreaktoren anzugeben, das unterschiedliche Arbeitsvolumina mit sinnvollen Grös-senabstufungen 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 steriltechnischen und sicherheitstechnischen Standards gerecht werden.

Eine erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Erflndungsgemäss ist ein Bausatz zum Aufbau von Bioreaktoren, 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, derart ausgebildet, dass für sämtliche Durchmesser ein Bodenteil vorgesehen ist, das den Anschluss sowohl von Rühr-Antrieben als auch von Einrichtungen zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/ oder Flüssigkeit erlaubt, und eine Kontur zur fluid-dichten Verbindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktorbehälterbauteils mit einem der abgestuften Durchmesser aufweist. Zusätzlich sind an den Reaktorbehälterbauteilen auch an ihrem anderen Ende jeweils ein Flansch vorgesehen, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlusselement erlaubt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 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:

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung verschiedener Einzelbauteile des Bausatzes,

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

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 Einzelbaiiteilen lassen sich beispielsweise ohne weiteres Bioreaktoren mit Arbeitsvolumina zwischen 15 i und 140 I zusammenstellen.

Der in Fig. 1 dargestellte Bausatz 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

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schlanken, kolonnenförmigen Reaktoren ist hingegen eine Halterung 5 vorgesehen, die anstelle des Rühr-Antriebs mit dem Reaktorunterbau 1 fest verbunden wird.

Das 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 Dek-kelplatte 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 Fig. 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 Stoff ströme 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.

Fig. 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.

In Fig. 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 100 l 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.

Mit dem vorgenannten Bausatz wird somit die gestellte Aufgabe gelöst, ein modulares System für Bioreaktoren bereitzustellen, das unterschiedliche Arbeitsvolumina mit sinnvollen Grössenabstufun-gen sowohl für gerührte Reaktoren als auch für Reaktoren mit externem Leistungseintrag aufweist.

Claims

Patentansprüche

1. Bausatz zum Aufbau von Bioreaktoren, 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, enthaltend mindestens: - ein Bodenteil (4) für sämtliche Durchmesser das den Anschluss sowohl von Rühr-Antrieben (2) als auch von Einrichtungen zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/oder Flüssigkeit erlaubt, und eine Kontur zur fluiddichten Verbindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktorbehälterbauteils mit einem der abgestuften Durchmesser aufweist, und ein Reaktorrohr, das an jedem Ende einen Flansch aufweist, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlusselement erlaubt.

2. Bausatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zwischen Bodenteil (4) und dem zylindrischen Reaktorrohr (8, 11, 14) entweder als ein rohrförmiges Übergangsteil (7, 10, 13) vorgesehen ist, oder direkt als geeigneter Flansch.

3. Bausatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsteil für die Verbindung zwischen Bodenteil (4) und dem zylindrischen Reaktorrohr (8, 11, 14) mit geeigneten Flanschverbindungen vorgesehen ist.

4. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsteil (7, 10, 13) vorgesehen ist, das mindestens einen seitlichen Stutzen und/oder Flansch für Ventile oder Messwertgeber aufweist.

5. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

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dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenteil (4) mindestens einen Ventiianschluss besitzt, der das Abziehen oder die Zufuhr von Flüssigkeiten und/ oder Gasen erlaubt.

6. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodengruppe (1) vorgesehen ist, mit der sowohl der Bodenteil (4) direkt über einen eventuell vorhandenen Rührwerk-Antrieb als auch Halterungen verbindbar sind, die die Reaktorrohre von Reaktoren mit einem grossen Höhen-/Durchmesser-Verhältnis halten.

7. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschlusselement vorgesehen ist, das ein dem jeweiligen Durchmesser des Reaktors angepasster Deckel (9, 12, 15) ist.

8. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorrohre wenigstens einen seitlichen Stutzen aufweisen, der den Anschluss eines Schauglases oder von Messwertgebern oder die Zu- und/oder Abfuhr eventuell benötigter Stoffströme erlaubt.

9. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zylindrische Verbindungsstücke (19, 20, 21) mit Flanschen an beiden Enden vorgesehen sind, die mit den Flanschen der Reaktorrohre bzw. dem weiteren Flansch eines Übergangsteils verbindbar sind, und dass die Verbindungsstücke Stutzen für Messwertgeber aufweisen.

10. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Abschlusselemente vorgesehen sind, die wenigstens einen Flansch für einen Abgaskühler (6) aufweisen.

11. Bausatz nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass rohrförmige Verbindungsstücke (16, 17, 18) mit Flanschen an beiden Enden vorgesehen sind, die mit den Flanschen der Reaktorrohre bzw. zylindrischen Verbindungsstük-ken (19, 20, 21) verbindbar sind.

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