CH684838A5

CH684838A5 - Kit for the construction of bioreactors.

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: DE4118882A1; ATA87492A; AT403479B

Description

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Beschreibung description

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. The invention relates to a kit for building bioreactors which can have graduated diameters within a certain range and whose height / diameter ratio can have values of stirred reactors as well as values of columnar reactors.

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. Bioreactors - formerly also known as fermenters - are kessiform containers in which organic products can be produced with maximum safety for the process. The operation of bioreactors involves production processes with living organisms (bacteria, fungi, yeast, algae) or with whole cell cultures.

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. The biotechnological process must be at the center of all considerations regarding the design of a bioreactor system. When planning, it must be decided whether the bioreactor is optimized for a special procedure with one organism or is required for universal procedures with changing germs.

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. Depending on the requirements, there are bioreactors that consist of containers of different types and can be supplemented with peripheral assemblies, such as pipes, valves, filters, etc. The apparatus sizes on a pilot plant scale are between about 20 l and 1000 l. Production plants, on the other hand, have volumes of up to a few cubic meters.

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. With regard to the design, a basic distinction is made between stirred reactors with a height / diameter ratio of about 3 and smaller ones, as well as slimmer, so-called column-shaped reactors with a height / diameter ratio> 5. In the latter, the content is usually determined by or gas flow moves.

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. All reactors available on the market, however, have in common that their central reaction vessels are designed as non-changeable welding constructions. Only the small parts of the periphery (valves, pipe connection elements, pumps, etc.) are identical to a limited extent on the different types of systems and are therefore interchangeable between the individual reaction vessels.

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. Although the abundance of biotechnological requirements would actually require great flexibility of the reactor, the applicability of known reactors is only specifically oriented towards a few processes.

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. As a result, devices of different sizes and designs have to be procured for each purpose. One-offs and the associated high costs and long delivery times cannot be avoided.

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. The invention is therefore based on the object of specifying a kit for bioreactors which permits different working volumes with meaningful size gradations both for stirred reactors and for reactors with external power input. It is important to ensure that the clamp and screw connections required for this meet sterile and safety standards.

Eine erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. An inventive solution to this problem is specified in claim 1.

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. According to the invention, a kit for building bioreactors, which can have graduated diameters within a certain range, and whose height / diameter ratio can have values of stirred reactors as well as values of columnar reactors, is designed in such a way that a bottom part for all diameters is provided, which allows the connection of both stirring drives and devices for dividing and / or distributing gas and / or liquid, and has a contour for fluid-tight connection with a corresponding flange of a reactor vessel component with one of the stepped diameter. In addition, a flange is also provided on the other end of the reactor vessel components, which allows the connection both with a further reactor vessel component and with an end element.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further developments of the invention are specified in the dependent claims.

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: The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawing, to which reference is expressly made with regard to the disclosure of all details according to the invention not explained in more detail in the text. Show it:

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung verschiedener Einzelbauteile des Bausatzes, 1 is an overview of various individual components of the kit,

Fig. 2 gerührte Reaktoren mit unterschiedlichen Durchmessern mit einem Höhen-/Durchmessern-Verhältnis von etwa 3 und Arbeitsvolumina von 15, 30 und 50 I, 2 stirred reactors with different diameters with a height / diameter ratio of about 3 and working volumes of 15, 30 and 50 l,

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. 3 slim, column-shaped reactors with two diameters and a height / diameter ratio of 5 or 7 and the volumes of 70 I and 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. 1 shows an overview of individual components as they can be used in the modular system according to the invention for the construction of bioreactors, which can have graduated diameters within a certain range, and their height / diameter ratio, both values of stirred reactors and values of can have columnar reactors. For example, bioreactors with working volumes between 15 i and 140 l can be easily assembled from these individual parts.

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. The kit shown in FIG. 1 has a reactor substructure 1 with a solid base plate, which, supported on four foot elements, ensures that the entire system is stable.

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 In the case of agitated bioreactors, an agitator drive 2 is firmly screwed into the base plate 1, with the upper part of which is connected to a base part 4 for the construction of further reactor components. For building up

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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. slim, column-shaped reactors, on the other hand, a holder 5 is provided which is fixedly connected to the reactor substructure 1 instead of the stirrer drive.

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. The component 4 common to all bioreactors that can be produced with this kit program is attached to the triangular supports attached to the holder 5 in the case of column-shaped reactors.

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. Furthermore, a connection is provided in the bottom part 4, on which devices for dividing or distributing gases or liquids can be attached. For example, a so-called nozzle assembly 3 can be provided for the introduction of gas or liquids.

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. According to the invention, various tubular components with different diameters, which will be explained in the following, are placed on the base part 4 in a modular manner, the uppermost conclusion of which is made with a final cover plate 9, 12, 15, into which a so-called exhaust gas cooler 6 can be inserted, which ensures a desired pressure inside the reactor. The gases generated in the course of the process can thus be checked and, if necessary, discharged cooled from the inside of the reactor via the exhaust gas cooler 6.

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: For the construction of various bioreactor bodies, a plurality of barrel-shaped individual parts are provided, which according to the invention are each equipped with flange connections, so that they can be combined with one another as desired. These parts are explained below:

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. Transition pipes 7, 10 and 13 can be connected directly to the bottom part 4, which have matching flange connections to match the bottom part 4. Depending on the desired working volume, the transition pipes have different diameters (214, 267, 316 mm) and also have at least one side connection or flange for valves or sensors. Depending on the diameter of the transition pipe, a further connecting flange is incorporated on the side of the component opposite the base part. The cylindrical reactor tubes 8, 11, 14, which are of different sizes and diameters, can be flanged to the transition tubes 7, 10 and 13 by means of so-called locking rings, which are only indicated as cross-sectional areas in FIG. 1.

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. The reactor tubes 8, 11, 14 each have at least one lateral connection piece, which allows the connection of a sight glass or a suitable sensor. In addition, connections for the supply and discharge of any required material flows can be provided.

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. Additional connecting pipes 19, 20, 21 are also to be integrated into the bioreactor system via flange connections attached on both sides. They also have at least one connecting piece for various sensors or for the supply and discharge of any material flows that may be required. However, these connecting pipes are mere intermediate elements that do not change the reactor diameter.

Im Gegensatz dazu, verjüngen oder erweitern Zwischenelemente 16,17 und 18 den Durchmesser des Reaktors. In contrast, intermediate elements 16, 17 and 18 taper or expand the diameter of the reactor.

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. FIG. 2 shows three agitated bioreactors with different sizes. By choosing different sized pipe elements, it is possible to produce stirred reactors with working volumes of 15, 30 and 50 l. The height / diameter ratio common to all three reactors is 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. 3 shows two column-shaped bioreactors which, in the examples shown, have working volumes of 70 l and 100 l. The height / diameter ratios achieved in this case are 7 for the 70 I arrangement and 5 for the 100 I arrangement. In principle, working volumes of between 50 I and 150 I are possible with such column-shaped bioreactors. The extremely variable sequence of the individual components shown in FIG. 1 in the bioreactors shown in FIG. 3 can be seen in the drawing.

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. The above-mentioned kit thus solves the task of providing a modular system for bioreactors that has different working volumes with sensible size gradations both for stirred reactors and for reactors with external power input.

Claims

1. Kit for the construction of bioreactors, which can have graduated diameters within a certain range and whose height / diameter ratio can have values of stirred reactors as well as values of columnar reactors, containing at least: - a bottom part (4) for all diameters which allow the connection of both agitator drives (2) and devices for dividing and / or distributing gas and / or liquid, and have a contour for fluid-tight connection to a corresponding flange of a reactor vessel component with one of the stepped diameters, and a reactor tube having a flange at each end that allows connection to both another reactor vessel component and a termination member.

2. Kit according to claim 1, characterized in that a connection between the bottom part (4) and the cylindrical reactor tube (8, 11, 14) is provided either as a tubular transition part (7, 10, 13), or directly as a suitable flange.

3. Kit according to claim 1 or 2, characterized in that a transition part for the connection between the base part (4) and the cylindrical reactor tube (8, 11, 14) is provided with suitable flange connections.

4. Kit according to one of claims 1 to 3, characterized in that a transition part (7, 10, 13) is provided which has at least one side connector and / or flange for valves or sensors.

5. Kit according to one of claims 1 to 4,

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characterized in that the base part (4) has at least one vent connection which allows the removal or supply of liquids and / or gases.

6. Kit according to one of claims 1 to 5, characterized in that a bottom group (1) is provided with which both the bottom part (4) can be connected directly via a possibly existing agitator drive as well as holders which hold the reactor tubes of reactors hold with a large height / diameter ratio.

7. Kit according to one of claims 1 to 6, characterized in that a closure element is provided which is a lid (9, 12, 15) adapted to the respective diameter of the reactor.

8. Kit according to one of claims 1 to 7, characterized in that the reactor tubes have at least one lateral connection piece, which allows the connection of a sight glass or of sensors or the supply and / or discharge of any required material flows.

9. Kit according to one of claims 1 to 8, characterized in that cylindrical connecting pieces (19, 20, 21) are provided with flanges at both ends, which can be connected to the flanges of the reactor tubes or the further flange of a transition part, and that the connectors have sockets for sensors.

10. Kit according to one of claims 1 to 9, characterized in that end elements are provided which have at least one flange for an exhaust gas cooler (6).

11. Kit according to one of claims 1 to 10, characterized in that tubular connecting pieces (16, 17, 18) are provided with flanges at both ends, which with the flanges of the reactor tubes or cylindrical connecting pieces (19, 20, 21 ) are connectable.

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