CH685631A5 - Horizontal-Bioreaktor. - Google Patents

Description

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CH 685 631 A5

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen biotechnologischen Reaktor, insbesondere für das Submers-verfahren.

Bioreaktoren müssen derart ausgelegt sein, dass die jeweils prozessspezifisch optimalsten Bedingungen hinsichtlich Temperatur, pH-Wert und Nährstoffkonzentration hergestellt werden können. Zu den Aufgaben eines Bioreaktors gehören daher der Stofftransport innerhalb der Flüssigphase (durch Mischen), das Dispergieren einer zweiten Phase, meist Luft, um eine grosse Phasengrenzfläche für guten Stoffübergang zu erhalten (zerteilen) und der Wärmetransport, um sowohl die Reaktionswärme als auch die beim Durchmischen mit mechanisch bewegten Einbauten erzeugte Wärme abzuführen.

Die Bauform eines Bioreaktors hängt von seinem Einsatzbereich ab und muss die spezifischen Anforderungen des verwendeten biologischen Systems berücksichtigen. Dies gilt insbesondere bei Zellkulturen. Heute werden die meisten Verfahren submers durchgeführt. Als Submers-Reaktoren werden mechanisch gerührte Reaktoren ihrer Vielseitigkeit wegen am häufigsten eingesetzt. Die Minimalausstattung eines heute gebräuchlichen mechanisch gerührten Reaktors umfasst einen Druckbehälter, ein Rührwerk, eine Gaszuleitung, die die Gaszuführung unten in die Zellsuspension ermöglicht, eine Zuführung für Nährmedium sowie eine Zuführung für Säure resp. Lauge sowie die entsprechenden Ableitungen. Für eine optimale Prozessführung sind zudem Überwachungseinrichtungen notwendig, beispielsweise Sonden für die pH-Bestimmung, die Bestimmung des Redox-Potentials und der Partialdrücke, beispielsweise von Sauerstoff und Kohlendioxid, Fühler für die Temperatur und den Druck etc.

Übliche Bioreaktoren sind vertikal stehende Zylinder mit einer vertikal angeordneten, beweglichen Rührerwelle. Beim Betrieb dieser bekannten Bioreaktoren wird - wie bereits oben erwähnt - submers belüftet und mit hohen Rührergeschwindigkeiten gemischt, um genügend Sauerstoff in die Flüssigkeit zu bringen. Dadurch wird einerseits Schaum produziert und andererseits werden die Zellen starken Scherkräften ausgesetzt. Speziell tierische Zellen und Pilze reagieren sehr empfindlich auf diese Belastung. Die Sauerstoffversorgung, die Schaumbildung und auftretende Scherkräfte sind die Hauptprobleme innerhalb der biotechnologischen Prozessführung.

Es wurde bereits versucht die auf die Zellen einwirkenden Scherkräfte durch Installation eines Zentralzylinders und eines Impellere zu vermindern. Die Schaumbildung und die Scherkräfte konnten damit aber nur ungenügend reduziert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Bioreaktor mit guten Mischeigenschaften bereitzustellen, bei dem insbesonders im Submers-Verfahren die Sauerstoffversorgung bei verminderter Schaumbildung und geringeren Scherkräften gewährleistet ist. Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung sind die Bereitstellung eines Verfahrens zur biotechnologischen Herstellung eines Produkts sowie die Verwendung des speziellen Bioreaktors.

Diese Aufgaben werden gelöst durch das Bereitstellen eines Bioreaktors, der die für Bioreaktoren notwendige Grundausstattung aufweist, in dem aber das mechanische Rührwerk in im wesentlichen horizontaler Lage angeordnet ist, und bei dem das Reaktorgehäuse vorzugsweise ein horizontal angeordneter Zylinder ist.

Die Figur zeigt einen erfindunggemässen Bioreaktor in Form eines liegenden Zylinders mit horizontal angeordneter, antreibbarer Rührerwelle (Horizontal-Bioreaktor).

Der Bioreaktor besteht aus einem zylinderförmigen Druckbehälter 1, einem Rührwerk mit horizontal angeordneter Rührerwelle 2, das über eine Verbindung 3, beispielsweise eine Gleitringdichtung, mit einem Antrieb 4 gekoppelt ist. Ferner enthält der Bioreaktor mindestens eine Gaszuleitung 5, mindestens eine Flüssigkeitszuleitung 6 sowie mindestens eine Messeinrichtung 7. Das in der Figur gezeigte Füllniveau 8 beträgt wenig über 50%, das maximale Füllniveau 9 ist für aerobe Zellen angegeben und wird in der Regel so gewählt, dass ein Teil des Rührwerks bei Betrieb des Reaktors mindestens zeitweise aus der Suspension herausragt. Im Prinzip kann jedes bekannte mechanische Rührwerk, wie z.B. ein Schaufelrührer, verwendet werden. Für eine gute Ausnützung des Reaktorvolumens ist jedoch ein relativ grosser Durchmesser des Rührwerks sehr erwünscht. Um Dichtungsprobleme, die bei beweglicher Rührenwelle auftreten können, zu vermeiden resp. minim zu halten, ist die Verbindung 3 zwischen der Rührerwelle 2 und dem Antrieb 4 eine Magnetkupplung. Das Rührwerk kann entweder kontinuierlich oder schaukelartig betrieben werden.

Dichtungsprobleme können beispielsweise auch dadurch verhindert oder vermindert werden, dass beim Reaktor die Rührerwelle fixiert und das Gehäuse angetrieben wird. Beim Horizontal-Bioreaktor mit fixierter Welle erfolgt die Mischung über die Drehung des ganzen Zylinders. Um die Verdrehung der Sondenkabel zu verhindern, erfolgt diese Drehung schaukelartig, gewöhnlich nur um ca. 180° in der einen und um die gleiche Auslenkung in der Gegenrichtung. Bei einem solchen Bioreaktor mit fixierter Rührerwelle fällt einerseits eine bewegliche Verbindung 3, beispielsweise eine pannenanfällige Gleitringdichtung in einer der Frontplatten resp. eine Magnetkupplung weg, was sicherheitstechnisch wichtig ist, andererseits wird dank des schaukeiartigen Betriebs die Verdrehung der Sondenkabel verhindert, was eine normale Mess- und Regeltechnik erlaubt.

Selbstverständlich kann bei dem erfindungsgemässen Bioreaktor sowohl eine angetriebene resp. antreibbare Rührerwelle als auch ein angetriebenes oder antreibbares Gehäuse vorgesehen werden.

Wie bei bekannten Bioreaktoren kann selbstverständlich auch bei den erfindungsgemässen Bioreak2

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toren die Begasung submers durchgeführt werden. Dies ist jedoch nicht notwendig und es ist stark bevorzugt, dass die Gaszuführung 5 oberhalb der Rührerwelle liegt, insbesonders oberhalb des maximalen Einfüllniveaus 9, wobei das maximale Einfüllniveau 9 für die meisten Anwendungen innerhalb des durch das Rührwerk beschriebenen Durchmessers liegt. Durch die Luftzuführung 5 oberhalb des Einfüllniveaus 8 wird die Schaumbildung stark reduziert.

Bei anaerob wachsenden Zellen kann das Füllniveau selbstverständlich problemlos 100% betragen.

Bei der schaukelartigen oder kontinuierlichen Bewegung der Suspension relativ zum Rührwerk 2 geht mindestens der über dem Einfüllniveau liegende Teil des Rührwerks 2 aus der Gasphase in die Suspension über und aus der Suspension wieder in die Gasphase etc.

Beim Übertritt mindestens eines Rührwerkteils aus der Suspension in die Gasphase bleibt ein Film der Suspension am Rührwerkteil hängen und kommt so in direkten Kontakt mit der Gasphase, wodurch gute Gasaufnahme gewährleistet wird. Dieser Vorgang, d.h. der Phasenwechsel, verbessert das Verhältnis Oberfläche:Volumen beträchtlich. Die Begasung kann nun über die Oberfläche erfolgen, was die Schaumbildung erheblich reduziert. Eine weitere Verbesserung des Verhältnis Oberfläche:Volumen kann durch Verlängerung des insbesonders zylinderförmigen Gehäuses erzielt werden. Bei diesem ist die Länge vorzugsweise grösser als der Durchmesser. Da das mechanische Rührwerk, beispielsweise ein Schaufelrührer, dank der Vergrösserung der Oberfläche nur langsam gedreht werden muss, treten auch nur kleine Scherkräfte auf.

Die Scherkräfte können bei konstanter Rührergeschwindigkeit über die Grösse und Form der Rührerblätter direkt beeinflusst werden. Beispielsweise können dank der geringen Umdrehungszahl - auch Schaufelrührer mit mindestens einem nicht unterteilten Schaufelblatt verwendet werden. Ein solcher Schaufelrührer ist sogar eine vorteilhafte Ausführungsform. Strombrecher, die bei vertikal angeordneten Reaktoren notwendig sind, entfallen, da die Schwerkraft deren Funktion übernimmt.

In kugelförmigen Kulturen wachsende Pilze (Durchmesser z.B. 0,5 cm) können so - je nach Bedarf -kugelförmig oder auch in zerkleinerter Form kultiviert werden. Dies spielt bei der Produktion von Wirksubstanzen sowohl mit Pilzen als auch mit tierischen Zellkulturen eine entscheidende Rolle.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Bioreaktors ist, dass die Gaszufuhr zu den Zellen auf einfache Art sehr genau dosiert werden kann, ohne dass die Rührergeschwindigkeit und damit die Scherkräfte erhöht werden müssen.

Bei hohem Gasbedarf liegt die Füllhöhe üblicherweise bei ca. 50%, d.h. im Bereich der Rührerwelle oder wenig darüber, und die Rühreroberfläche wird gross gewählt. Bei einem Schaufelrührer kann die Oberfläche beispielsweise durch mehr und/oder grössere und/oder strukturierte Schaufeln vergrössert werden. Bei geringem Gasbedarf kann die Füllhöhe entsprechend erhöht oder erniedrigt, die Rührergeschwindigkeit allenfalls gesenkt und/oder die Oberfläche des Rührwerks vermindert werden.

Bei einer Erhöhung der Füllhöhe wird der verfügbare Gasraum und dadurch die Begasung geringer. Bei einer Erniedrigung der Füllhöhe unter 50% des Füllvolumens «tropft» die Zellsuspension zu rasch von einem üblichen Rührer ab, was die Begasung ebenfalls vermindert.

Das Rührwerk kann einen Durchmesser von bis zu 99% des Reaktor-Innendurchmessers aufweisen, vorzugsweise aber 50 bis 90%.

Selbstverständlich ist ein solcher Reaktor auch als Dünnfilmreaktor geeignet, da die Adhäsionsfläche für die Zellkulturen durch die Auslegung des Rührwerks und/oder Zelladhäsion an den Reaktorwänden beliebig vergrössert oder verkleinert werden kann und durch die Verwendung eines mechanischen Rührwerks zudem optimaler Zugriff auf das Kulturmedium und optimal einstellbare Begasung möglich ist.

Bevorzugte Ausführungsarten sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Vergleich der Rührgeschwindigkeiten bei vertikal und horizontal angeordneten Bioreaktoren im Sub-mers-Verfahren.

Sowohl der vertikal als auch der horizontal angeordnete Bioreaktor weisen die folgenden charakteristischen Grössen auf:

Das stehende (vertikal angeordnete) Gerät wird mit einer Umdrehungszahl von ca. 200 pro Minute betrieben. Dabei werden Zellen an den Schikanen (Strombrechern) zerstört.

Das liegende (horizontal angeordnete) Gerät kann bei gleicher Gaszuführung pro Zeiteinheit und bei einer Füllhöhe von 50 bis 60% mit einer Umdrehungszahl von nur 10 bis 20 pro Minute betrieben werden, wodurch die Scherkräfte stark vermindert werden.

Beispiel:

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Rührerdurchmesser:

Rührerform:

30 cm 20 cm

Mehrere kleine Schaufelblätter

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Claims (10)

Patentansprüche

1. Mechanisch gerührter Bioreaktor, dadurch gekennzeichnet, dass das Rühwerk (2) horizontal angeordnet ist.

2. Bioreaktor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gehäuse (1) in Form eines liegenden Zylinders aufweist, dessen Länge grösser ist als dessen Durchmesser.

3. Bioreaktor gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Gaszuführung (5) aufweist, die über der Oberfläche des Füllguts liegt.

4. Bioreaktor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührerweile mittels einer Magnetkupplung mit dem Antrieb verbunden ist.

5. Bioreaktor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührerwelle fixiert und der Zylinder angetrieben ist.

6. Bioreaktor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rührwerks bis 99% des Durchmessers des Reaktor-Innendurchmessers beträgt, vorzugsweise 50 bis 90%.

7. Verfahren zur biotechnologischen Herstellung eines Produktes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bioreaktor gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6 verwendet wird.

8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zellsuspension verwendet wird, und dass diese in einer solchen Menge eingesetzt wird, dass der Rührer die Oberfläche der Zellsuspension mindestens zeitweise stellenweise überragt.

9. Verfahren gemäss Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllvolumen mindestens 50% des Reaktorvolumens beträgt.

10. Verwendung eines Bioreaktors gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6 für das Submersverfahren.

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