CH698723B1

CH698723B1 - Vorrichtung zum Begasen, insbesondere für die mikrobiologische Fermentation und Kultivierung von Zellen.

Info

Publication number: CH698723B1
Application number: CH01702/06A
Authority: CH
Inventors: Oscar Czepa; Andreas Kloss
Original assignee: Mut Tschambermisch Und Trenntechnik Gmbh
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2009-10-15
Also published as: CN101573436A; CN101573436B; US20100178685A1; WO2008049617A1; US9399203B2; EP2084260A1

Abstract

Eine Vorrichtung ist zum Begasen, insbesondere für die mikrobiologische Fermentation und Kultivierung von Zellen in einem geschlossenen Raum, vorgesehen. Sie ist mit einem sterilisierbaren Behälter (1), mit einer im Behälter (1) angeordneten, vertikalen Rührerwelle (2), mit einer Anzahl von an der Rührerwelle (2) angebrachten, in mehreren Ebenen übereinander angeordneten Begasungs- und/oder Rührelementen (10) versehen. Für den Vortrieb der an der drehbar gelagerten Rührerwelle (2) angebrachten Begasungs- bzw. Rührelemente (10) sind an Gaszufuhrkanäle (11, 12, 14) angeschlossene Rückstossdüsen (20) vorhanden. Damit ergibt sich eine platzsparende und absolute dichte Anordnung einer solchen Vorrichtung.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Begasen, insbesondere für die mikrobiologische Fermentation und Kultivierung von Zellen in einem geschlossenen Raum, gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der EP-A-0 365 621 bekannt. In einem sterilisierbaren Behälter ist eine vertikale Rührerwelle mit einer Anzahl von in mehreren Ebenen übereinander angeordneten Begasungs- bzw. Rührelementen angeordnet. Die Begasungselemente und vorzugsweise auch die Rührelemente sind hohlförmig ausgebildet, an Gaszufuhrkanäle angeschlossen und mit mindestens einem gasdurchlässigen Teil versehen. Die Rührerwelle ragt mit ihrem einen Ende die Behälterwand hindurch und wird von einem ausserhalb des Behälters angeordneten Elektromotor angetrieben. Da beispielsweise ein Zellzucht-Bioreaktor hermetisch geschlossen sein muss, stellt die Abdichtung der im ortsfesten Behälter rotierenden Rührer- bzw. Antriebswelle ein echtes Problem dar.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art konstruktiv zu vereinfachen und steriltechnisch zu verbessern.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

[0005] Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Vorrichtung bilden den Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0006] Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist einfach und kostengünstig, da sämtliche Dichtungsprobleme bezüglich der drehenden Rührerwelle entfallen und ein hermetisch geschlossener Reaktorraum ohne grossen Aufwand sichergestellt werden kann. Die Vorrichtung kann zudem platzsparend ausgestaltet werden, da kein Aussenantrieb benötigt wird.

[0007] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>schematisch eine erfindungsgemässe Vorrichtung zum Begasen mit in vier Ebenen übereinander angeordneten Begasungs- bzw. Rührelementen;

<tb>Fig. 2<sep>ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Begasungs- bzw. Rührelementes in Seitenansicht; und

<tb>Fig. 3<sep>das Begasungs- bzw. Rührelement nach Fig. 2in Draufsicht.

[0008] Fig. 1 zeigt einen Behälter 1, der einen zur mikrobiologischen Fermentation und Kultivierung von Zellen vorgesehenen Bioreaktor bildet. Innerhalb des Behälters 1 ist eine Rührerwelle 2 drehbar angeordnet, die mit ihrem einen Ende in einer Wellenaufhängung bzw. Lagerung 3 gehalten und mit dem anderen in einem Bodenlager 4 gelagert ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Wellenaufhängung bzw. Lagerung 3 einem Behälterdeckel 1a zugeordnet.

[0009] Auf der als Hohlwelle ausgebildeten Rührerwelle 2 sind mehrere Begasungs- bzw. Rührelemente 10 in mehreren, gemäss Fig. 1 vier Ebenen übereinander angeordnet. Aus Fig. 1ist nur ein in der obersten Ebene angeordnetes Paar von erfindungsgemässen, weiter unten näher beschriebenen Rührelementen 10 ersichtlich, wobei pro Ebene in der Regel vier oder sechs derartige Elemente am Umfang der Rührerwelle 2 verteilt sind. Vorzugsweise befinden sich auch in den übrigen drei Ebenen die gleichen Rührelemente 10, man könnte jedoch diese erfindungsgemässe Rührelemente 10 mit konventionellen, beispielsweise aus der EP-A-0 365 621 bekannten Begasungs- bzw. Rührelementen kombinieren. Dabei könnten in unterschiedlichen Ebenen unterschiedliche Elemente oder sogar pro Ebene unterschiedliche Elemente eingesetzt werden.

[0010] Die erfindungsgemässen, von der Rührerwelle 2 radial wegragenden Rührelemente 10 sind hohlförmig ausgebildet und an ihrem Ende mit einem Hohlkörper 10a versehen, der mindestens eine, gegebenenfalls drei Rückstossdüsen 20 aufweist, die im Wesentlichen in Umfangsrichtung des mit der Rührerwelle 2 rotierenden Rührelementes 10 gerichtet sind.

Die mit den Rückstossdüsen 20 versehenen Hohlkörper 10a sind jeweils über einen durch das Rührelement 10 geführte Gaszufuhrkanal 11 an einen gemeinsamen, durch die drehende Rührerwelle 2 geführten vertikalen Gaszufuhrkanal 12 angeschlossen, der seinerseits über eine Umsetzeinheit 13 mit einer in einer Behälterwand 1b ortsfest eingebauten Gaszufuhrleitung 14 in Verbindung steht. Über die Gaszufuhrkanäle 14, 12, 11 kann von einer Druckgasquelle Gas in einer derartigen Menge und unter einem solchen Druck in die Hohlkörper 10a eingeführt werden, dass das aus den Rückstossdüsen 20 austretende Gas einen Vortrieb des ganzen Rührers, d.h. aller mit der Rührerwelle 2 drehfest verbundenen Rühr- und/oder Begasungselemente bewirkt.

Die benötigte Gasmenge und der Gasdruck als Impulsgeber für den Vortrieb werden in der Kombination der ausserhalb stattfindenden Gasmengeregulierung in Abstimmung mit einem entsprechenden Düsenquerschnitt erzielt.

[0011] Somit kann zumindest bei Bioreaktoren, die für Laborzwecke oder für kleinere Produktionseinheiten vorgesehen sind, der Antrieb der mit den Rühr- und/oder Begasungselementen versehenen Rührerwelle 2 allein über die den Vortrieb bewirkenden Rückstossdüsen 20 erfolgen, und die Rührerwelle 2 braucht nicht durch die Behälterwand hindurch zu einem Aussenantrieb geführt werden. Sie befindet sich innerhalb des Behälters 1, in der Wellenaufhängung 3 gehalten und im Bodenlager 4, beispielsweise einem Teflonlager geführt. Der Bioreaktor ist hermetisch geschlossen. Die in den Behälter 1 mündende und in der Behälterwand bzw. im Reaktormantel 1b ortsfest eingebaute, vorzugsweise eingeschweisste Gaszufuhrleitung 14 stellt keine Gefahr einer undichten Stelle dar.

[0012] Für ganz grosse Produktionseinheiten könnte allenfalls ein zusätzlicher durchtrittsfreier Magnetantrieb vorgesehen sein, d.h. die Rührerwelle 2 könnte über eine an sich bekannte Magnetkupplung (anstelle des Bodenlagers 4) zusätzlich von einem ausserhalb des Behälters 1 liegenden Motor angetrieben werden, ohne dabei die Behälterwand hindurchragen zu müssen.

[0013] Die Hohlkörper 10a weisen mit Vorteil eine fluidtechnisch optimierte, aerodynamische Form auf, wie in Fig. 2 und 3angedeutet. Diese begünstigt die Drehbewegung der Rührelemente 10.

[0014] Mit Vorteil kann für den Vortrieb das gleiche Gas eingesetzt werden, das auch zum Begasen der Fermentbrühe vorgesehen ist, z.B. Sterilluft, reiner Sauerstoff oder ein Sauerstoff/Stickstoff-Gemisch, so dass die Rückstossdüsen 20 gleichzeitig auch Begasungsdüsen bilden. Das ganze Rührsystem bildet dann von der Gaszuführung bis zum Austritt aus den Rückstossdüsen 20 eine Druckeinheit. Falls an der Rührerwelle 2 ausser den erfindungsgemässen Rühr- und gleichzeitig auch Begasungselementen 10 noch konventionelle, mit den gasdurchlässigen Teilen wie z.B. Belüftungsdüsen, Membrankerzen etc. vorgesehen sind, so können diese dann auch über den gemeinsamen, durch die Rührerwelle 2 geführten Gaszufuhrkanal 12 mit dem Gas versorgt werden.

Aber auch die erfindungsgemässen Rühr- und Begasungselemente 10 können noch mit zusätzlichen gasdurchlässigen Teilen wie vorstehend erwähnt versehen sein. So können beispielsweise im zwischen der Rührerwelle 2 und den Hohlkörpern 10a liegenden Bereich dieser Elemente zusätzliche Begasungsdüsen angeordnet sein.

[0015] Andererseits wäre es auch möglich, für den Vortrieb eine andere Gasquelle einzusetzen als für die Fermentation und Kultivierung von Zellen, und den Rückstossdüsen 20 könnte das Gas über gesonderte, durch die Rührerwelle 2 führende Gaszufuhrkanäle z.B. mit einem höheren Druck zugeführt werden als den herkömmlichen Belüftungselementen, z.B. Belüftungsdüsen.

[0016] Schliesslich wäre es auch möglich, über die Gaszufuhrkanäle 14, 12, 11 bzw. über die hohle Rührerwelle 2 nur das Gas für den Vortrieb zu den Rückstossdüsen 20 zuzuführen, und die Begasung des Reaktorraumes von aussen, ähnlich wie es in der EP-A-0 356 621 offenbart ist, allenfalls mit einem unterschiedlichen Gas und/oder Gasdruck zu bewerkstelligen.

[0017] Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Begasen, insbesondere für die mikrobiologische Fermentation und Kultivierung von Zellen in einem geschlossenen Raum, ist einfach und kostengünstig, da sämtliche Dichtungsprobleme bezüglich der drehenden Rührerwelle entfallen und ein hermetisch geschlossener Reaktorraum ohne grossen Aufwand sichergestellt werden kann. Die Vorrichtung kann platzsparend ausgestaltet werden, da kein Aussenantrieb benötigt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Begasen, insbesondere für die mikrobiologische Fermentation und Kultivierung von Zellen in einem geschlossenen Raum, mit einem sterilisierbaren Behälter (1), mit einer im Behälter (1) angeordneten, vertikalen Rührerwelle (2), mit einer Anzahl von an der Rührerwelle (2) angebrachten, in mehreren Ebenen übereinander angeordneten Begasungs- und/oder Rührelementen (10), dadurch gekennzeichnet, dass für den Vortrieb der an der drehbar gelagerten Rührerwelle (2) angebrachten Begasungs- bzw. Rührelemente (10) an Gaszufuhrkanäle (11, 12, 14) angeschlossene Rückstossdüsen (20) vorhanden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Rührelemente (10) mit den Rückstossdüsen (20) versehen sind, wobei die Rückstossdüsen (20) jeweils einem am Ende des von der Rührerwelle (2) radial wegragenden Rührelementes (10) angeordneten Hohlkörper (10a) zugeordnet sind, der an die Gaszufuhrkanäle (11, 12, 14) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Vortrieb vorgesehene Gas in benötigter Menge und unter einem vorgegebenen Druck von einer Druckgasquelle über eine in einer Behälterwand (1b) ortsfest eingebaute Gaszufuhrleitung (14) und eine Umsetzeinheit (13) in einen durch die drehbare Rührerwelle (2) geführten Gaszufuhrkanal (12) einführbar ist, wobei dieser vertikale Gaszufuhrkanal (12) jeweils über einen durch das jeweilige Rührelement (10) geführten und zur Rührerwelle (2) radial gerichteten Gaszufuhrkanal (11) mit dem die Rückstossdüsen (20) aufweisenden Hohlkörper (10a) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das für den Vortrieb vorgesehene Gas gleichzeitig das Gas zum Begasen ist und die Rückstossdüsen (20) gleichzeitig Begasungsdüsen bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Rühr- und Begasungselemente (10) mit zusätzlichen gasdurchlässigen Teilen zum Begasen des geschlossenen Raumes versehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (10a) eine die Drehbewegung des Rührelemente (10) begünstigende aerodynamische Aussenform aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen gasdurchlässigen Teile als Begasungsdüsen ausgebildet sind, die im zwischen der Rührerwelle (2) und dem Hohlkörper (10a) liegenden Bereich des Rühr- und Begasungselementes (10) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührerwelle (2) im Innern des Behälters (1) untergebracht und dabei zum einen in einer Wellenaufhängung bzw. Lagerung (3) gehalten und zum andern in einem Bodenlager (4) gelagert ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührerwelle (2) im Innern des Behälters (1) untergebracht und dabei mit einem Ende in einer Wellenaufhängung bzw. Lagerung (3) gehalten und am anderen Ende über eine magnetische Kupplung mit einem externen Hilfsantrieb wirkverbunden ist.