CN101432062A - 对液体，特别是在生物工程中的液体，和尤其是对细胞培养物进行充气和脱气的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种向液体，特别是生物工程中的液体，和尤其是向细胞培养物中无气泡地充气的方法的装置，具有通过一或多个浸没的任何类型的膜区域(管、圆筒等等)进行的气体交换，其中所述膜区域在所述液体中形成任意的旋转和振荡运动，解决了要解决的问题。图1显示了这样一种布置和运动的例子的示意图，其中膜区域由垂直设置在转轴(2)上并垂直于旋转方向(3)的膜管(1)构成。在旋转振荡运动时，所述膜区域首先在一个旋转方向上运动，其中该运动可以是任意方式的。例如膜区域以一特定的角加速度加速到某一特定的角速度，然后膜表面在此角速度下运动某一特定的时间。接着，膜区域被以固定的减速度制动直至静止。接着，适当时在一固定的静止时间之后，膜区域在另一个旋转方向上运动。此运动可以以前述运动的镜像进行，也可以是其它形态的。

Description

对液体，特别是在生物工程中的液体，和尤其是对细胞培养物进行充气和脱气的方法和装置

本发明涉及对液体，特别是在生物工程中的液体，和尤其是对细胞培养物(Zellkulturen)进行无泡充气的方法和装置。

对液体进行充气用于气体的输入和脱附。特别是在培养介质中提供和繁殖细胞培养的情形下充分的氧气供应和二氧化硅的去除是一个问题。

然而，细胞培养在制药工业例如抗体和蛋白质的制造中占据着越来越重要的位置。特别是为制造更复杂的物质必须预先确定细胞培养物，因为它们具有通过平移后的改性制造高度糖基化的蛋白质的能力。

细胞培养物对培养它们的反应器(和容器)有特殊要求。例如，需要避免高剪切力，因为这会破坏无细胞壁的细胞的细胞膜。而例如在搅拌器上或者当气泡在液体表面破裂时会产生剪切力。还要避免形成泡沫，因为细胞易于与泡沫一起漂浮。在泡沫层中不存在充分的培养条件。防沫剂的采用也可能会导致细胞损坏或处理过程中的产量损失，或者导致处理费用升高。

表面充气是能考虑到上述某些要求的一类细胞培养物充气方法。在表面充气过程中，气体的吸附和解附发生在液体表面上，即反应器气体空间与液体之间的界面上。由于根据表面积-体积比，采用表面充气可能通常仅能对很小的液体体积充气，所以往往采用浸没充气。这可以分为有气泡充气和无气泡充气。然而，所有会产生气泡的充气类型都具有上面所述的缺陷，如形成泡沫或气泡在液体表面破裂。此外，还需要例如通过搅拌器分配和/或分散所述气泡。但是，这又会产生剪切力。通常，借助于会产生气泡的充气虽可以达到要求的气体传送速率，但它们会同时导致细胞损坏。

无气泡充气通过气体交换发生在浸没的膜表面上而解决了该问题。在这里，充气是利用封闭或开孔的膜来进行的。它们设置在例如由搅拌器搅动的液体中。与多孔聚合物相比，硅树脂作为管材料已经得到了承认。其原因在于高透气性、高热稳定性和均匀分布在长达50m的管段长度上的管性能，该性能甚至在灭菌之后仍能保持。大的管段长度可用于缩短费时的管固定片的制造。硅树脂管在使用一次之后通常就被丢弃。

上述膜充气情形的缺陷是相对较低的传质系数(H.-J.Henzler，J.Kauling：“Oxygenation of cell cultures”Bioprocess Engineering 9(1993)第61-75页)。为实现高传质速度，必须在生物反应器中设置相应较多的膜表面。然而，这在设计和操作(安装、灭菌、清洁、产生不充分混合区域等等)上非常昂贵。此外，功率输入可能也会升高。由于传质系数是功率输入的函数，这可能会导致提高传质速度。但是，这种可能受到了由于更高的功率输入而产生的细胞剪切应力的限制。

这些限制条件导致了以下要求，即相应的膜充气需要提供高传质系数连同低的功率输入和/或同时的低剪切应力。另一从属条件是要继续充分进行反应器空间的充分混合。这一方面必须防止细胞沉降，另一方面要使得液体能在足够短的混合时间内被混合。

为此，例如EP0172478A1中已经记述一种方法和装置，但其迄今为止并未在实践中获得公认。其为卷绕在篮上的膜管，其中所述篮在生物反应器内部执行不带自身旋转(！)的偏心运动。然而，为此必需一个偏心装置。该偏心的机械装置必须提供在反应器内，即无菌区之内。一方面，这会导致该偏心装置的灭菌问题，另一方面这是污染无菌区的持久危险源。此外，在无菌区内安装一个需要维护的机械复杂装置如偏心装置是没有道理的。可以认为对该偏心装置的需要以及与此相关的所述问题妨碍了该专利的应用。

因此本发明的目的在于提供一种有效的、以非破坏和易清洁方式运行的对细胞培养物进行无气泡充气的方法和装置。

现意外发现，该目标能通过一种对液体，特别是在生物工程中使用的液体，和尤其是对细胞培养物进行充气的方法实现，其中包括在一或多个浸没的以任意方式形成的膜表面(管、圆筒、(*尚未公开的)等等)上进行气体交换，所述膜表面在所述液体中执行任意的旋转振荡运动。

图1中以示意图显示了这样一种布置和运动的例子，其中膜表面在这种情形下由以与转动方向(3)横切的方式垂直设置在转轴(2)上的膜管(1)构成。

在旋转振荡运动过程中，膜表面首先在一个转动方向上运动，该运动可以具有任何期望的形态。例如，膜表面以一特定的角加速度加速到某一特定的角速度，然后膜表面在此角速度下运动某一特定的时间。接着，膜表面被以固定的减速度制动至静止。在一固定的静止时间之后，适当时，接着进行在另一个转动方向上的运动。此运动可以以前述运动的镜像进行，也可以是其它形态的。

在这种情况下所述旋转振荡运动能提供以下优点：

·容易通过适当地控制驱动马达来实现。

·从设计和机械角度看，与更复杂的运动例如EP0172478A1中所公开的运动相比没有额外的要求。

·可以通过有目的地改变所述运动而使该运动最佳化，从而使膜表面上的流动最优。由于传质系数是流到膜表面上的流的函数，因此能使膜表面在所有情况下都显示尽可能高的相对于液体的速度的运动是最佳的。然而，液体也会被膜表面加速。如果膜表面仅在一个方向上旋转，则在一定时间后将导致液体的顺转，因此将没有/只还有少量的传质。为在膜表面与液体之间产生相对速度，挡流板将是必需的。相比之下，在所述旋转振荡运动的情形下，能通过膜表面的周期性运动反转阻止液体的永久顺转。合理的运动看上去如下，例如：膜表面以某种方式加速使得相对于液体的速度尽可能高同时功率输入低/剪切应力低。如果膜表面的进一步加速不合理，例如由于这会达到过高的速度或液体将顺转到不可取的程度，则膜表面被减速。此时，要规定该运动使得相对于液体的速度仍尽可能高同时功率输入低/剪切应力低。除了在减速时膜表面具有液体的角速度的一段尽可能短的时间之外，其它情形下总存在高相对速度。在随后运动反转和开始镜像运动时，对应的事态将再次发生。这里，在运动反转时甚至当膜表面处于静止时，仍存在相对速度，因为液体的减速比膜表面慢，仍在“缓缓而行”。图2对这样一种运动过程在呈星型安装的膜管的位置、它们的角速度以及用于产生此运动过程的转矩方面进行了说明。图2中的上图举例显示了上面缠有膜管的转子的位置。标记的时间段(约8-12秒)相应于一个旋转振荡运动过程。这里，转子完成在所述一个旋转方向上的180°运动并返回。相关的角速度显示在图2的下图中。此外，其还显示了在驱动轴上测量的转矩，其中已经减去了空转转矩。空转转矩是指在相同但不含液体的容器中以相同运动过程驱动转子所需的转矩。因此，所绘转矩相当于作用在液体上的转矩。它可能与膜表面周围的流有关系。在此例中，转矩的走向大致呈盒形。因此，在一定时间段内转矩具有近似相等的值，直到其随后在极短的时间内改变符号。这说明，除了转矩符号改变的很短时期之外，膜表面周围的流动是形态均匀和良好的。

·膜表面的所述旋转振荡运动的另一优点在于以下事实，即消除了在膜表面产生流动所需的单独搅拌器或混合器。膜表面的提供和产生膜表面上的流动的这种统一避免了局部大功率输入和局部高剪切应力的区域。在其它情况下会在例如搅拌器桨叶外端之后产生这些区域。此外，在其它系统中，膜表面上发生的流动在时间和空间上不均匀，因为搅拌机叶片会周期性地在一侧掠过膜表面。相比之下，对于这里所述的本发明来说，功率输入以空间上更均匀的方式发生并直接为膜表面上的流服务。

·所述方法和装置按本发明的构造导致了在膜表面所有点处的有目的的液体运动，并由此导致了由膜表面相对于液体的运动产生的高的确定传质。

·因此，本发明的方法和本发明的装置总的说来导致了比习用方法和装置更好的传质与产生传质所需的机械功率输入之比。

取决于实际需要的对供氧的控制可以通过改变所述旋转振荡运动来实现。所述运动的变化招致了膜表面周围流动的改变，而这又接着招致了传质的变化。

取决于实际需要的对供氧的控制还可以通过改变流入膜表面内部空间的气体或气体混合物或某种气体组分的气体浓度和/或压力来进行控制。对从膜表面内部空间向外的流动的可能控制与此类似。

当施加相应的压力时，膜表面还可被用于在液体中产生微泡或气泡。这对于能承受气泡充气的坚固细胞系来说是有利的。传质系数可由此得以提高。

例如各种直径和壁厚的非多孔性硅树脂管都适合作为膜表面。所述管优选地在外径为～1.4mm时内径为～1mm，到外径为～3mm时内径为～2mm的范围内。应选择管径和总管长这些参数以保证应用时的足够传质。

传质特别是由膜表面对反应器液体体积之比(体积比传质表面(volumenspezifische Stoffaustauschflache))决定的。在这里，对于动物细胞培养物来说，普通值为25m^-1到45m^-1。在本发明中，该体积比传质表面的值达到0.1m^-1-150m^-1，优选地1m^-1-100m^-1，特别优选地5m^-1-75m^-1。

不过，传质还由从管中的气相到管周围的液相的传质系数，以及相应的驱动浓度梯度决定。由此导致的膜内压力的操作参数源自期望的穿过膜的物质流，并有两个上限。一方面，硅树脂管的材料填充量只容许特定的膜内压力，而另一方面在压力较低时气泡既可能已经在膜的外表面上以不期望的程度形成。所述膜内压力由适当设置以下参数产生：穿过膜的体积流量和/或膜管始点的压力和膜管终点的压力。产生的另一操作参数，即液相中的气体浓度，源自操作条件和培养条件。

细胞培养工艺中惯常的借助于缓冲CO₂平衡设置pH值通常可以通过将所需的CO₂量混入进气中来实现。

本发明的方法和本发明的装置还有利地适用于微载体培养物的无气泡充气。

本发明的方法和本发明的装置还有利地适用于透析应用，例如用于发酵的优化工艺控制。发酵期间产生的代谢产物和/或副产物可以通过透析除去。某些代谢产物和/或副产物有时是不想要的，因为它们在特定浓度范围内具有毒性作用，或在特定浓度范围内对发酵具有不利影响。这可以例如通过抑制生长或产物形成来进行。此外，适当时，必须在下游处理中将代谢产物和/或副产物从实际产物中分离，这会造成工作和成本的增多。透析提供了从培养空间中排出代谢产物和/或副产物的可能(R.

，H.

：“Dialysis cultures”Applied Microbiology andBiotechnology 50(1998)第403-414页)。低分子量组分例如代谢物可以通过透析膜扩散，而细胞和产物被保留在培养空间中。渗析液位于透析膜的与培养空间相对的另一侧。低分子量组分被借助于渗析液的(连续)交换而排出。此外，还有可能在渗析液中引入浓度比在培养空间中更高的组分(例如基质)。因此组分能被有针对性地随后计量加入培养空间中。与上述透析应用有关的透析膜可以例如以模块形式安装在转子上。此安装可以例如代替一或多个膜表面，或者附加于它们之上。

本发明的装置特征在于以下特征：

此装置由可在容器如生物反应器内运动的以可旋转方式安装的转子构成。转子的构造满足其可以在所述生物反应器内部携带膜表面例如管、圆筒、模块等等。

所述以可旋转方式安装的转子可从生物反应器之外通过驱动而设置为以旋转振荡的方式运动。所需驱动转矩从驱动向反应器内部所述转子上的传递可以借助于磁耦合进行，或者转子轴借助于旋转式密封装置而被引导穿过生物反应器外壳并被直接偶联到驱动上。从无菌的角度考虑，磁耦合的使用是特别有利的，因为它将无菌和非无菌空间彼此清楚地分离开且不需要旋转式密封装置。

作为用于产生旋转振荡运动的驱动，马达提供的功率必须足以利用转子尽管在转子和液体的质量惯性矩影响下也以规定的运动过程进行振荡运动。因此转子的质量惯性矩和液体对转子的力作用两者对于驱动的设计都是决定性的。在足够的马达转速下，传动机构能够提供所需转矩。例如，可以考虑偏心驱动作为驱动构造。偏心驱动将传统驱动马达的均匀转动转化成驱动轴上的旋转振荡运动。此外，作为本发明的装置的驱动构造还可以考虑能自由编程的定位驱动，例如步进马达。这种可自由编程的驱动系统的优点在于膜的旋转振荡运动可以在很宽范围内适配于工艺要求，而偏心驱动的通常只具有有限可能性。

驱动的参数如转速、转矩和传动比(Getriebeuntersetzungen)可以针对相应的应用自由选择并取决于规模。对于生物技术领域的应用，通常选择所述参数以产生0.01W/m³到4000W/m³液体体积的体积比功率输入，优选地约1000W/m³。

细胞培养物的体积比功率输入通常为0.01-100W/m³。

此外，还应选择所述参数以使对于细胞培养应用而言转子与液体之间的最大相对速度为1ms^-1，更好为0.15ms^-1。

为了吸收源自传动机构与转子之间的连接的应力，传动机构通常借助于能吸收轻微的轴偏移或轻微的轴失准的任意抗扭耦合如波纹管耦合而与转子连接。

用于装配膜表面的装置在其设计上可以有利的方式易于适配于细胞培养物中的特定条件例如细胞聚结。这可以例如借助于膜表面的类型和布置来进行。

转子具有具体应用所需数量的转子臂，根据应用其可以为1-64个，优选地2-32个，特别做地4-16个转子臂。选择转子臂数量的问题将在后面详细说明。转子臂可以是直线状的(例如图1、8、9、10)或枝状的，在这里优选直线状或Y形的(例如图11)，且优选地呈星形排列在支座上。除星形之外也可想到任何其它可取的排列。星形排列或枝状星形排列或弯曲星形排列(例如图7)的优点在于膜表面在液体体积内相当均匀的分布、膜表面上的良好流动和良好的充分混合。转子臂被对称或不对称地安装在转子轴上并被设置在反应器空间之内。膜表面，优选地膜管，被例如通过卷绕、悬挂、卡锁或在文献中已知的其它方法，以规则或不规则的间距固定在每个转子臂上。

在该装置的一种特殊设计中，两个缠绕臂构成一个转子臂。膜表面，优选地膜管，以规则(参见图13)或不规则间距(对应于图13，不过并非转子臂的每个凹陷都覆有膜管)水平或垂直(对于垂直缠绕，例如图12中9、10上的缠绕臂)缠绕到这些缠绕臂上。

如果转子现在旋转，则膜管被反应器中的液体推动，并由此切向流动。对于膜管上的流动而言，应注意在相同的角速度下的流动通常会根据膜管的位置随着离转子轴的径向距离的增大而改善。其原因在于同样增大的圆周速度。在良好入流时优选地以尽可能向外的方式设置尽可能多的膜管。一种符合此要求的可能方法在于增大轴周围的转子臂的数目。但是，增大转子臂数目对充分混合和膜上的流动都有负面作用(在转子臂间产生的混合间隔变少)。此外，增大的转子臂数目还使得在绕上和绕下所述管以及安装和卸下时难以处理所述转子。而且，在转子臂数目较大时，由于空间原因，转子臂在轴上的固定越来越成问题。

用于供应和除去气体的所述旋转振荡的膜表面优选地从不动的环境，例如反应器盖，通过转动密封或柔性管提供。在细胞培养工艺中转动密封通常是不可取的，因为它们可能会导致清洁和灭菌时的困难。这是本发明的装置与其中膜表面以纯转动方式运动，即没有运动方向的反转，的装置相比的一个优点。没有运动方向的反转，随着不断旋转所述管将变得更加扭曲并最终脱落。由于所述往复运动，就旋转振荡膜表面来说不发生柔性管的净扭转。当然，先决条件是所述往复运动以能使膜表面在一段时间的运动之后位于运动起点的方式进行。

具有缠绕膜管的装置的另一优点在于，膜表面，例如膜管，的张力δ可以变化(图3)。通过流入膜表面内部空间的气体或气体混合物的压力、流出膜表面内部空间的气体或气体混合物的压力、膜表面内部空间的几何形状、流动阻力和形变等参数可以获得最佳张力(对膜管的情形，这些参数例如为膜管的入口压力、出口压力、内径、数量和弯曲的几何形状，以及弯曲的形变)(H.N.Qi，C.T.Goudar，J.D.Michaels，H.-J.Henzler，G.N.Jovanovic，K.B.Konstantinov：“Experimental andTheoretical Analysis of Tubular Membrane Aeration for Mammalian CellBioreactors”Biotechnology Progress 19(2003)第1183-1189页)。对于膜管的情形，管张力的降低会导致管在运动过程中的偏转扩大。更大的管偏转会增大环流，并由此增大传质系数。根据应用的类型，选择所述张力以使膜管一方面被长期稳定地固定，但另一方面优选地能够在所述流中移动和能够被偏转几毫米。对于由负载膜表面的定子和保证液体运动的转子构成的传统的膜充气系统来说，不能或者仅能勉强利用此优点，因为当膜管的张力过低时，存在它们接触到转子和被破坏的危险。这种破坏在本发明的装置中不会发生，因为在反应器中只有单个运动部件，其同时自己负载着膜表面。

在所述装置的具体实施方案中，管张力可以由于用于装纳缠绕臂的装置之间的垂直距离被扩大而发生改变(对比图12)。对膜管张力的精密调整可以例如借助于张力调整装置(8)中的螺杆的旋转来实现。

管张力的降低导致了在缠绕臂上固定膜管的问题。如果管张力较低，作用在膜管上的大的力作用可能会导致膜管从缠绕臂上滑落。为对付此问题，例如可以在缠绕臂的表面提供外螺纹。或者，例如可以在缠绕臂上外侧提供网(Steg)，以防止管从臂外滑落。在这里要确保所述缠绕的膜管不被螺纹上任何可能存在的毛口破坏。此外，星形支座的缠绕臂上的外螺纹也为改变管的缠绕提供了可能。例如，在缠绕管时将可以只使用每隔一个或每隔两个的螺纹凹坑。由此将可以在各个膜管之间设定规定的间距。

从上述专利EP0172478A1已可明显看出在所述系统的情形下充分混合不可能没有问题。对于充分混合，由于所述振荡转子运动，本发明中的运动引导更加有利。促进轴向充分混合的一种可能是调整膜表面(图4)。

由此，特别是可以改进与运动膜的旋转轴平行方向上的液体交换。例如，膜管的定位角可借助于装置的任何期望的径向旋转来改变(例如图12中的9或10)。在设计方面，装置(9、10)应优选地能够彼此独立地和相对于彼此可变地旋转。

在所述装置的另一种构造中，在转子轴上安装了矫直元件(对照图5、6以及12中的(4))。这些矫直元件构造为缠绕臂，或者由两个棒构成。它们被设置在反应器空间之间从而相应地在一侧支撑所述管，或给管造型(ausformen)。

另一种改进充分混合的可能是由矫直元件提供的，因为由流动阻力引起的膜表面的偏转在一个转动方向上被限制(例如借助于图5中的矫直元件(4))。因此，膜表面在一个转动方向上的偏转比在相反方向上强，这将导致在此方向上较弱的液体输送。液体在旋转振荡的转子的两个运动方向上的不等输送导致了在一个方向上的净输送并由此导致了液体的更好充分混合。

膜表面的偏转因其而在一个转动方向上被限制的所述矫直元件可以均匀或非均匀地分配在膜管长度上。这些元件被设置在反应器中以实现预期的效果(参见“实施例”部分描述的实验设备，和给出的测量结果)。当这些装置例如仅位于反应器下部三分之一时，则不同水平高度下的流动阻力不同。对于本发明的装置的振荡旋转运动，这导致了在平行于旋转轴方向上的额外的液体充分混合。

除了在一侧支撑膜管以防偏转(同样对照图5)的可能性之外，还有另一种促进充分混合的可能性在于对膜管造型(例如在一侧具有凸出，还对照图6)。所述造型产生了所述两个运动方向的流型的不对称。例如，在设计方面，通过使用图12中的矫直元件(4)实现了所述支撑或造型。膜表面的偏转因其而在一个转动方向上被限制的所述矫直元件(4)可以均匀或非均匀地分配在膜管长度上。此装置优选地采取能使所述矫直元件既在水平上又在对准上可变地安装的形式。例如，它们可以通过松开或拴紧两个平头螺丝而被任意放置和固定在轴上。

在本发明的进一步改进中，传质和充分混合可通过在反应器内部装配固定挡流板来进一步提高。这些挡流板能扰乱由于膜表面的旋转振荡运动所形成的流动。

在所述装置的一种具体构造中，充分混合是通过振荡旋转的膜装置不具有旋转对称性而改善的。因此，例如，对于图1中其上缠有膜表面的转子臂呈星形排列的情形，可以省去一个或多个所述臂，从而产生缺口。反应器中液体的充分混合自然会被此旋转对称性的破坏改善。这种不对称排列的另一优点是可能在产生的缺口中容纳传感器、浸管等而不会因此妨碍充气装置的运动。当然，这只在膜的振动幅度足够小以致在所述浸没的装置(传感器、浸管等)与所述膜之间未出现接触时才适用。

为了进一步改善充分混合，特别是保证颗粒(微载体、细胞或细胞团)被可靠地悬浮，除了膜表面之外还可以在所述振荡转动设备的膜表面上提供导流元件和充分混合元件，例如搅拌机叶片、桨叶或其它元件，特别是在反应器底部附近，以防这些颗粒沉降(参见图6中的搅拌器(5))。

改善充分混合的另一种可能在于以在一个转动方向上绕转子轴弯曲的形式设计转子臂(图7)。由此在两个旋转方向上的旋转过程中都能促进径向充分混合。

还可以通过将转子臂在一个旋转方向上绕转子轴切向安装在一个装置上来进一步改善充分混合(参见图8中的(6))。在这里，同样，在两个旋转方向上的旋转过程中都能促进径向充分混合。此外，由于转子臂的所述切向布置在此自动产生了一个没有膜表面的圆柱状区域，从而改善了旋转轴区域中的充分混合。

另一种改善充分混合的可能在于将转子轴偏心地装配在容器中(图9)。原因在于流动不对称性与无膜表面的区域的结合。

与其独立地，可以通过将所述具有两个旋转方向的转子轴虽然装配在容器中心，但随后通过使转子轴具有偏心装置来改善充分混合(对照图10中的(7))。其原因在于流动不对称性与在转子运动过程中不断改变的无膜表面的可变区域的结合。

与用于对液体进行膜充气的传统装置不同，使用本发明的装置，可以将每体积的膜表面尽可能均匀地分配在反应器中(图11)。这将产生气体在空间上的均匀吸附和解附，这正是细胞培养工艺中特别期望的。

优选地是所述设计能实现单独零件的可变和简易装配。由此，优选地可以单独地除去转子臂。这使得可能在安装于转子上之前将膜管缠绕到转子臂对上去。所述转子臂对由此也可以单独从转子上卸下来。为实现在独立的臂对上分别缠绕膜管，可以建立缠绕辅助措施。

装配在反应器中的浸管(例如用于提供介质或碱/酸，或用于收获或用于采样)缩小了可用于转子的反应器体积。这可能伴随着，例如，反应器内容纳的膜表面的减少。抵消此缺陷的一种可能是将浸管、探头或其它反应器内部零件整合在转子中。由此这些零件会一起运动，而这通常是不利的。相反，由此可以获得输入物质的更好分配或较为代表性的液体提取，例如收获，或较为代表性的测量。

转子的重量优选地较低，从而使转子的惯性动量保持尽可能小。所提供的驱动功率可通过低惯性动量减少。从而，本发明的装置由此优选地尽可能轻并同时有足够的稳定性。

所述用于对液体、特别是生物工程中的液体和尤其是对细胞培养物进行无泡充气的方法和/或装置优选地在各自地最佳温度下进行。在微生物或细胞培养物的情形下这通常为最佳培养温度。

附图

图1是用于通过容器内的膜表面对液体进行充气和脱气的旋转振荡运动的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。所述膜表面绕转子轴(2)在两个旋转方向(3)上旋转。

图2显示了用于通过膜表面对液体进行充气和脱气的旋转振荡运动的位置、角速度和转矩。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管构成。

图3是特征在于可以改变膜表面(例如膜管)的张力σ的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管构成。

图4是特征在于可以改变膜表面的定位角的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图5是特征在于可以借助于矫直元件(4)在一个转动方向上限制由流动阻力引起的膜表面偏转的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图6是特征在于可以借助于矫直元件(4)相应地使膜表面成型以便更好地充分混合和/或可以还装配用于导流和充分混合的搅拌机叶片/桨叶(5)或其它装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图7是特征在于可以通过以在其中一个旋转方向(3)上弯曲的形式设计绕转子轴(2)的转子臂来改善充分混合的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图8是特征在于可以通过在其中一个旋转方向(3)上绕转子轴(2)成切向将转子臂安装在装置(6)上来改善充分混合的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图9是特征在于可以通过将具有两个旋转方向(3)的转子轴(2)偏心地装配在容器中来改善充分混合的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图10是特征在于可以通过使具有两个旋转方向(3)的转子轴(2)装配在容器中心但具有偏心装置(7)来改善充分混合的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图11是特征在于可以绕具有两个旋转方向(3)的转子轴(2)尽可能均匀地分配每体积膜表面的装置的示意图。在这里，所述膜表面由缠绕在转子上的膜管(1)构成。

图12是本发明的不具有缠绕的膜管的现有实施方式的示意图和照片。

图13是在转子臂上缠绕膜管的例子的照片。

图14显示了具有膜管的方法和装置与位于传统的管定子上的膜管相比，传质系数k随体积比功率输入P/V的变化。

图15显示了对不同幅度y_max的体积比功率输入P/V随等效转速f的变化。

图16显示了对不同幅度y_max的体积比和运动比(bewegungsspezifisch)功率输入P_B/V随等效转速f的变化。

图17显示了对不同幅度y_max的运动比牛顿数Ne_B随雷诺数Re的变化。

图18显示了Y形转子臂在不同幅度y_max下的传质系数k随体积比功率输入P/V的变化。

附图标记清单：

1-膜管

2-转子轴

3-旋转方向

4-矫直元件，由其可以限制膜管在一个旋转方向上的偏转

5-搅拌器

6-用于切向设置转子臂的装置

7-转轴中的偏心装置

8-用于设定膜管张力的张力装置

9，10-用于将其上缠绕有膜管的缠绕臂呈星形装纳的上下装置

σ-管张力

实施例：

下面详细给出了本发明的一种具体实施方案及其设计方案，但本发明并不限于此。

图12显示了不带缠绕膜管的转子的示意设计和照片。其中显示了基本的设计部件。

为保证切向流动到膜管上，膜管与流向呈横向安装。这是通过分别在反应器的底部之上和反应器内的液面之下设置一个星形装置来实现的。膜管被缠绕在图12所示的装置9和10的各自8个转子臂上。

图13为此显示了膜管在转子臂上的一种可能缠绕的例子的照片。在这种情况下，膜管无间隔地缠绕在所述缠绕臂上。在此实施例中，每个臂上缠绕了25m长和12.5m长的管段。在此缠绕中，在转动臂上新的管段开始的地方都必须有一个缺口。

如果现在旋转转子，则膜管被反应器中的液体推动，并由此被切向入射。对于膜管的入射流，应注意在相同的角速度下，入射流通常会根据膜管的位置随不断增大的离转子轴的径向距离而改善。其原因在于同样地增大的圆周速度。因此，在良好入流的情况下必须尽可能向外地安装尽可能多的膜管。一种满足此要求的可能方法在于提高轴周围的转子臂数目。但是，提高转子臂数目对充分混合和膜的入射流都有负面作用(在转子臂间产生的混合间隔变少)。此外，增大的转子臂数目还会损害在绕上和绕下管时以及在安装和卸下时的转子操作性。同样，在转子臂数目较大时，由于空间原因，转子臂在轴上的固定越来越成问题。考虑到上述问题，八个臂的数目似乎是一个合理的折中。

图12的系统优选地在设置膜管张力方面具有自由度。为了能够影响传质效率，管张力应当是可变的。自由振荡并从而能更好地环流的管应能保证更好的传质。可通过增大用于装纳转子臂的装置之间的垂直间隔来改变管张力。在通过旋转固定块(Spannblock)中的螺杆将夹紧螺拴松至处于所述固定块内之后可以实现管张力的精密调整。

如上面已经提到，管张力是一个可变量。降低管张力会导致在臂上固定膜管时出现问题。如果管张力较低，则在膜管上的大的力作用可能会导致膜管从臂上滑落。为对付此问题，在所述臂的表面提供了外螺纹。在这里要确保所述缠绕的膜管不被螺纹上任何可能存在的毛口破坏。此外，缠绕臂上的外螺纹也为改变管的缠绕提供了可能。例如，在缠绕管时将可以只使用每隔一个的或每隔两个的螺纹凹坑。因此将可以在各个膜管之间设定规定的间距。

在上述专利EP0172478A1中已经表明，对于所述系统充分混合不可能没有问题。对于充分混合，基于所述振荡转子运动，本发明中的运动引导更加有利。促进轴向充分混合的一种可能是设定膜表面。膜管的定位角可通过任意地径向旋转图12中的至少一个装置9和10来改变(还对照图4)。从设计的角度，必须能够彼此独立地和相对于彼此可变地旋转所述两个装置。

另一种促进充分混合的可能在于在一侧支撑膜管(1)以防偏转(还对照图5)或对膜管(1)造型(例如在一侧为凸出形式，还对照图6)。所述造型产生了所述两个运动方向的流型的不对称。在设计方面，通过使用图12中的装置(4)可以提供所述支撑和/或造型。这些装置的设计形式应使它们在安装时在高度和对准两方面都可变。它们可以通过松开或拴紧两个平头螺丝而被随意地放置和固定在轴上。

图12所示的各个部件的设计意在简化可操作性。由此，转子臂将可单独地除去。这使得可能在安装于转子上之前将膜管缠绕到转子臂对上去。所述转子臂对由此也可以分别从转子上卸下来。为实现在独立的臂对上分别缠绕膜管，设计了缠绕辅助措施。

转子的重量应当尽可能低，以使转子的惯性动量保持尽可能小。通过小的惯性动量，为驱动提供的功率可得以降低。从而，从设计的角度，本发明被构造的尽可能轻并同时具有足够的稳定性。

本发明的特殊实施方案用于对液体容积为100L的细胞培养生物反应器进行充气，其中反应器内径为400mm，高度对直径之比为2:1。中央转轴的直径为16mm，转子的外径为360mm。缠绕臂设计成直径为14mm。在缠绕臂上削出螺距为3mm的相应螺纹，以防内径为2mm外径为3mm的膜管滑动。

在本发明的所述实施方案中，一个最大转速为2500min^-1，最高转矩为6Nm且传动比为1:12的步进马达被用作转子驱动。传动机构通过波纹管耦合连接到转子以吸收来自传动机构与转子之间的连接的应力。

下面对本发明的特殊实施方案的选择的测量结果进行简要说明和讨论。为此，在30m^-1的体积比物质交换区域情况下测量了具有上述装置的方法的传质系数k(对于氧气)和体积比功率输入。作为参照，对位于传统的管定子上的相同膜管进行了同样测量(对比，24m^-1的体积比物质交换区域)。图14显示了传质系数k随体积比功率输入P/V的变化。通过比较清楚显示了由于所述方法和装置造成的传质系数k的增长。由此，在10W/m³的功率输入下传质系数高大约30％。如果使用内径1mm、外径1.4mm且管段长约1200mm的膜管则在此功率输入下有可能获得传递系数的大约70％的增长(结果未显示)。

通过本发明的方法和装置之所以可能实现体积比传质系数ka的提高是因为有更多的体积比物质交换区域可用。如果通过与所述测量序列“具有膜管的方法与装置”(参见图14)相比研究Y形臂(参见图11)的体积比传质系数ka随体积比功率输入的变化，则体积比传质系数ka要高57％，产生大约127％的另外使用的体积比物质交换区域(结果未显示)。对于内径1mm、外径1.4mm且管段长约1200mm的膜管，传质系数ka可被提高224％，产生大约146％的另外使用的体积比物质交换区域(结果未显示)。

以下扼要介绍对转子运动的研究。此时改变的参数为振动的幅度和加速度。迄今为止所提供的测量序列都是在180°的幅度(180°往返，对照图2)下记录的。为了明确此最初给定的定义是否也代表最适合所述系统的变体，对幅度y_max为20°、90°和270°的功率输入和传质进行了研究，以便能与前面的结果相比较。所有测量都是用Y形转子臂进行的。

测量了在偏离180°的幅度下0-200W/m³的体积比功率范围内的等效转速。此测量的结果显示在图15中。

为了更有效地比较上述结果，需要考虑以下事项：

一个运动的等效转速f在180°的幅度时是由时间T定义的。它是系统为走完一个运动循环所需的时间。

$f=\frac{1}{25T}$

等效转速f总是涉及振荡系统走完360°所需的时间。对于前面使用的幅度y_max为180°的振动，这很容易，因为系统在一个往(+180°)返(-180°)运动中自动走完360°。该时间(或一个运动循环的时间)自动等于走完360°的时间。

现在如果使用180°之外的幅度，这就不再适用了！运动循环的时间T要换算成360°的运动必须通过系数z，所述系数z表示走完360°所需的循环数。

$f=\frac{1}{z\·T},$ 其中

这同样适用于各个幅度下的功率输入，其因此被定义为运动比功率输入P_B。

$P_B=\frac{P}{z}$

图16显示了在不同幅度下体积比和运动比功率输入P_B/V随等效转速f变化的测量结果。可以看出，所有运动都表现出类似的功率输入特征。体积和运动比功率输入随相应的等效转速而增大。由此可以推出所给定义是正确的。如果所得测量结果涉及360°的运动，则可知系统的功率输入取决于幅度值。

为了能够进行系统的按比例扩大和按比例缩小，必须能够以无量纲的方式描述系统。每个搅动系统的特征都在于无量纲的牛顿数或功率数。牛顿数是搅拌器类型和发生的流动的函数。如果牛顿数被看做雷诺数的函数，则可以得出搅动系统的功率特性。在紊流区域会建立恒定的、特征性的牛顿数。此时应检查对振荡系统这样进行表示和特征描述是否可能。计算根据以下公式进行。

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}\·f\·D^2}{\mathrm{\η}}$

${\mathrm{Ne}}_B=\frac{P_B}{\mathrm{\ρ}\·f^3\·D^5}$

图17显示了运动比牛顿数随不断增大的雷诺数的变化。显然系统可以以无量纲的方式独立于幅度来描述。

在对起搅动系统作用的所述方法和装置进行表征之后，为表征起充气系统作用而进行了实验。对选择的三个幅度20°、90°和270°进行了传质测量，并对照180°振动的结果比较考虑。测量结果显示在图18中。显然所有测量结果都排列在180°振动的值周围+/-10％的区域内。在这里，最好的结果是由幅度为20°的测量序列获得的。幅度为270°的测量序列显示出稍微不同于其它序列的路线。在此表现出传质对功率输入的较弱依赖性。

Claims (19)

1.对液体，特别是生物工程中的液体，和尤其是细胞培养物进行充气的方法，具有在一或多个浸没的膜表面如管、圆筒或模块上进行的气体交换，特征在于所述膜表面在所述液体中执行任意的旋转振荡运动。

2.权利要求1的方法，特征在于通过改变所述运动如改变幅度、等效转速、膜表面的加速度、膜表面的减速度、运动的中断或间断而控制充气速度、功率输入、混合时间和/或剪切应力，其中运动过程不限于循环模式。

3.权利要求1或2的方法，特征在于通过改变流入膜表面内部空间的气体或气体混合物或某种气体组分的气体浓度和/或压力来控制充气速度。

4.权利要求1或2的方法，特征在于通过改变流出膜表面内部空间的气体或气体混合物或某种气体组分的气体浓度和/或压力来控制充气速度。

5.权利要求1-4之一的方法，特征在于通过安装固定的挡流板来提高传质。所述挡流板扰乱由于膜表面的旋转振荡运动所形成的流动。

6.权利要求1-5之一的方法，特征在于膜表面的提供是借助于柔性管或用于输入和输出气体的旋转密封实现的。

7.权利要求1-6之一的方法，特征在于膜表面被用于在液体中产生微泡或气泡。

8.权利要求1-7之一的方法，特征在于转子臂以在其中一个旋转方向上弯曲的方式绕转子轴旋转。

9.用于按照权利要求1-8之一所述对液体进行脱气的装置，其具有通过一或多个任意形成的、浸没的膜表面进行的气体交换，所述膜表面柔性地装配在待充气和/或脱气的介质中并可被以旋转振荡的方式移动。

10.权利要求9的装置，特征在于可以改变膜表面例如膜管的张力。对于膜管的情形，膜张力的缩小会导致管在运动过程中偏转变大。

11.权利要求9或10的装置，特征在于可以改变膜表面的定位角。

12.权利要求9-11之一的装置，特征在于可以在一个旋转方向上限制由流动阻力导致的膜表面的偏转。

13.权利要求9-12之一的装置，特征在于只对一部分膜限制所述由流动阻力导致的膜表面的偏转。

14.权利要求9-13之一的装置，特征在于所述振荡旋转的膜装置可以设计为不具有旋转对称性。

15.权利要求9-14之一的装置，特征在于为了更好地充分混合可以对所述膜表面进行相应造型和/或安装搅拌器叶片/桨叶或其它用于流动导向和充分混合的装置。

16.权利要求8-15之一的装置，特征在于可以将每体积的膜表面分配得尽可能均匀。

17.权利要求8-16之一的装置，特征在于转子臂在其中一个旋转方向上呈切向装配在转子轴周围。

18.权利要求8-17之一的装置，特征在于所述具有两个旋转方向的转子轴偏心地安装在容器中。

19.权利要求8-18之一的装置，特征在于所述具有两个旋转方向的转子轴安装在容器中心，但具有偏心装置。

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