CN112105715A - 用于给生物反应器供气的方法和供气系统 - Google Patents

用于给生物反应器供气的方法和供气系统 Download PDF

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Abstract

为了提供用于给多个生物反应器供气的方法和供气系统，该供气系统在没有单独的加湿设备的情况下将恒定的气流以高的分配精度划分为多个具有预设的体积流的部分气流，体积流即使在通向各自的生物反应器的气体线路中的反压力在供气期间波动的情况下也可以在预设的水平上保持恒定，根据本发明提出的是，通过静液压力补偿使气体分配与反压力脱离，其中，气体分配同时导致气流的必然的加湿。

Description

用于给生物反应器供气的方法和供气系统
技术领域
本发明涉及一种用于给多个生物反应器供气的方法，以及一种用于执行该方法的供气系统。
背景技术
以不同的气体或气体混合物的受控的供气尤其在自动检测生物反应器中的反应液体中的微生物的、生物化学的、酶的和化学的反应的过程参数时是需要的，反应器可以不间断地摇动，直到所有微型反应器中的反应结束。作为反应液体的参数，例如检测氧气转换率(OTR)和二氧化碳转换率(CTR)，并且由此推导出参数呼吸商(RQ)和最大的特定生长率(μmax)。
从现有技术已知了通用测量系统，用于通过获知之前提到的过程参数来在摇瓶中优化生物过程(参见Hitec-Zang，Bioprozessoptimierungin Schüttelkolben(摇瓶中的生物过程优化)，在2018年5月16号在以下链接：https://www.hitec-zang.de/fileadmin/informationsmaterial/flyer_deu/web/RAMOS_Flyer_2013_web.pdf中下载)。
利用通用测量系统，可以在八个生物反应器执行平行试验，并且检测呼吸能力。为了给生物反应器中的培养液体进行一致的供气，恒定的气流被分配到多个气体线路，其与每个生物反应器上的气体入口连接。为了利用一致的部分气流给八个测量活塞供气，将孔板用作局部的流动阻力件，其突然收缩了线路横截面。为了均匀分配气体，需要在孔板上的相对高的＞200mbar的压力损失。孔板上的相对高的压力损失确保了，由于通向生物反应器和/或在废气过滤器上的气体线路的长度的不同而造成的小的压力损失几乎不会影响将气体均匀分配到所有生物反应器上。已知的用于给多个生物反应器均匀供气的方法导致在气体供应装置中的更高的压力，以及在使用用于气体的加湿瓶时更高的安全措施，这些安全措施必须设计用于更高的压力。
此外，来自汉堡的公司Eppendorf提供了气体混合模块，其名称为DASGIP MX4/4，混合气体模块给四个单独的生物反应器供应独立组合的由空气、氮气、氧气和二氧化碳构成的混合物。每个气体输出端具有用于流动速率和O2和CO2浓度的自身的额定值。Eppendorf公司的气体混合模块需要使用阀和复杂的控制电子设备。气流的加湿需要用于四个生物反应器的每个的单独的加湿路线(参见Eppendorf，
Figure BDA0002764390180000021
MX-Module fürmassendurchflussgeregeltes Gasmischen(用于质量流量经调节的气体混合的
Figure BDA0002764390180000022
MX模块)，在2018年5月16号在以下链接：https://online-shop.eppendorf.de/DE-de/Bioprozesstechnik-44559/Module-77460/DASGIP-MX-Module-fuer-massendurchflussgeregeltes-Gasmischen-PF-60977.html？_ga＝2.188935403.1365824566.1526488598-1728287905.1526488598中下载)。
WO 2007/116266 A1公开了一种用于利用来自压缩空气源的恒定的气流给多个生物反应器供气的方法。气流首先穿过加湿瓶，并且随后借助多个T形件在输送线路中被划分为若干部分气流，其通过从T形件分岔的气体线路分别导入其中一个生物反应器中。为了在每个生物反应器中提供基本上相同的供气条件，提出产生反压力的器件、如调节流动的阀或喷嘴，其布置在每个生物反应器的前方或后方，分别产生反压力，反压力大于产生反压力的器件之间的气流的阻力。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是，提供一种用于给多个生物反应器供气的方法，以及一种供气系统，该供气系统在没有单独的加湿设备的情况下将恒定的气流以高的分配精度划分为多个具有预设的体积流的部分气流，体积流即使在通向各自的生物反应器的气体线路中的反压力在供气期间波动的情况下也可以在预设的水平上保持恒定。
尤其地，本发明的任务是，尽可能与通向各个生物反应器的气体线路中的反压力无关地将恒定的气流划分为多个具有一致的体积流的部分气流。
该任务的解决基于如下构思，即通过静液压力补偿使气体分配与反压力脱离，其中，气体分配同时导致气流的必然的加湿。具体而言，该任务通过具有权利要求1的特征的方法以及具有权利要求6的特征的供气系统解决。本发明的有利的设计方案由从属权利要求得到。
通过将气流划分为多个部分气流并且将每个部分气流导入液体填充物中，气体必然被加湿。
将每个部分气流导入液体填充物中可以分别在其中一个上升线路的下方进行。在该情况下优选地，将每个部分气流导入其中一个单独的、具有下方的开口的上升线路中借助布置在上升线路的下方的分配器进行，各个部分气流以气泡的形式从分配器逸出，并且在上升线路中升起。气流通过输送线路输送至分配器。
备选地，将每个部分气流导入液体填充物中可以在其中一个上升线路内进行。在该情况下优选地，将每个部分气流导入其中一个单独的、具有下方的开口的上升线路中借助分配器进行，分配器的针对部分气流的逸出开口通入上升线路内。各个部分气流以气泡的形式从逸出开口逸出，并且在上升线路中的液体填充物内升起。气流通过输送线路输送至分配器。
根据帕斯卡定律，以如下方式通过静液压力补偿使气体分配与反压力脱离：
p(h)＝ρgh+p0
其中：
p(h)＝与上升线路内的液位的高度h有关的静液压力
ρ＝液体的密度
g＝重力加速度
h＝在上升线路的下方的开口上方的、上升线路内的液位
p0＝作用到上升线路中的液体表面上的压力
例如，如果由于生物反应器上的废气过滤器的堵塞而导致气体线路中的压力增大，那么作用到相关的上升线路中的液体表面上的压力p0会增大。作用到液体表面上的压力的增大导致的是，与气体线路联接的上升线路中的液位相对于容器中的液位下降。作用到液体表面上的压力p0的增大根据帕斯卡定律通过在上升线路的下方的开口上方的液位的更小的高度h补偿。分配器上的部分气流的压力在这期间保持恒定，并且相对于不变的静液压力以不变的体积流进入上升线路中。
本发明的另外的优点是，作用到上升线路中的液体表面上的例如由于废气过滤器的堵塞而造成的更高的压力p0没有对其余的生物反应器的供气产生影响。
在本发明的有利的设计方案中，恒定的气流借助分配器被划分为具有一致的体积流的部分气流。基于静液压力补偿，与和上升线路联接的气体线路中的反压力无关地，以一致的体积流给所有生物反应器供气。
如果将部分气流导入液体填充物中在上升线路的下方进行，那么分配器优选以很小的距离布置在上升线路下方，从而尤其是当生物反应器摇动时，从分配器逸出的部分气流尽可能完全导入上升线路中。
部分气流优选在距液位一致的竖直距离上导入上升线路中。当部分气流此外在距液位一致的竖直距离上导入液体填充物中时，实现部分气流在一致的条件下导入所有的上升线路中。所有的部分气流经过一致的路程，直至进入各自的上升线路中和/或上升线路内。如果从分配器逸出的部分气流具有一致的体积流，那么一致的体积流也进入每个上升线路中。
根据本发明的方法尤其适用于给多个摇动的生物反应器供气，这是因为不仅生物反应器、而且还有容器可以为了加湿和分配气流基于仅机械的部件顺利地摇动。
根据本发明的供气系统具有容器、上升线路和与输送线路连接的分配器作为重要的部件。容器在其上侧是敞开的，并且例如具有瓶子的形状。容器包含液体填充物，输送线路和上升线路浸入液体填充物中，其中，在端部侧，分配器以引导流体的方式与输送线路连接。通过气体供应装置，在输送线路中提供恒定的气流，其中，气流可以包含仅一种气体、例如氧气、二氧化碳、氮气，或可以包含气体混合物、例如由之前提到的气体构成的气体混合物或被消毒过滤的环境空气。
如果气流包含气体混合物，那么气体供应装置具有气体混合系统，气体混合系统的输入端与用于不同的气体的多个气体源连接，并且气体混合系统的输出端与通向分配器的输送线路连接。为了使各个气体的混合比保持恒定，气体混合系统优选具有用于每个气体源的质量流量调节器(MFC)。利用质量流量调节器将每个气体的体积流调节为额定值。质量流量调节器通常包括质量流量测量仪、可通过接口编程的调节器和比例阀。通过编程接口，为每个气体载入需要的校准数据。
由于稳定性原因，根据本发明的供气系统的输送线路和上升线路至少区段式地在容器内实施为管线路，管线路垂直于液体填充物的液位地延伸到液体填充物内。垂直的布置是节约空间的，并且是设计有利的，尤其是当上升线路圆形地围绕输送线路地布置时。如果容器在供气期间一起摇动，那么上升管的圆形的布置消除了旋转摇动器的摇动运动对容器的液体中的气体分配的影响。
分配器的设计方案由权利要求12和13的特征得到：
根据权利要求12的变型方案利用多个星形向外延伸的分配器管将气流分配为部分气流。为了限制气体量，分配器管可以具有减小的直径(毛细管)或在端部侧具有收缩部。气体量限制使部分气流均匀化。分配器管之间的角度相应于圆形地围绕输送线路地布置的上升线路之间的角度。
在根据权利要求13的实施方式中的分配器具有以引导流体的方式与输送线路连接的空心柱形的气体收集器，在气体收集器的上方的端侧布置有多个孔板。每个孔板与其中一个上升线路的下方的开口对齐。气体分配器中的孔板形成流动阻力，并且因此用作气体量限制器，用于使从分配器逸出的部分气流均匀化。
当输送线路的和空心柱形气体收集器的纵向中间轴线重合，所有的孔板在几何形状上相一致，并且以距纵向中间轴线一致的径向距离布置时，在所有孔板上的流动情况在技术上相一致。一致的流动情况有助于，在所有孔板上逸出一致的部分气流。
在本发明的有利的设计方案中，为了避免布置在输送线路上的分配器相对于上升线路的调节和取向，容器具有可利用盖封闭的开口，其中，具有分配器的输送线路和上升线路紧固在盖上。之前提到的部件可作为结构组件简单地操作。具有分配器的输送线路和上升线路可以在液体填充物内通过利用盖封闭容器开口而方位正确地定位。为了静液压力补偿不需要的是，盖气密地封闭容器。为了避免容器中的强的压力上升，在气密地封闭容器的盖的情况下，过压阀或气体过滤器可以设置在盖或容器上。
输送线路的紧固在盖上的区段和上升线路优选实施为管线路。气体线路气密地与每个上升线路的上方的开口联接，气体线路以引导流体的方式与其中一个生物反应器的内部空间连接。为了避免生物反应器内的高的压力，每个生物反应器优选具有过压阀和/或废气过滤器，通过过压阀和/或废气过滤器可以进行压力补偿。
容器和/或上升线路优选至少部分由透明的材料构成、尤其由玻璃或塑料构成。透明的材料允许上升线路中的存在的反压力的目视检查，其方法是，每个上升线路中的液柱的液位是可见的。
附图说明
下面，本发明借助附图详细阐述。其中：
图1示出了根据本发明的用于给多个生物反应器供气的供气系统的示意图；
图2示出了具有摇动的生物反应器的根据图1的供气系统；并且
图3示出了用于分配和加湿气流的容器的实施方式。
具体实施方式
图1示出了用于给多个生物反应器(2.1、2.2)供气的供气系统(1)的示意图。在实施例中，出于概览的原因，仅示出两个生物反应器。然而利用根据本发明的供气系统，可以同时顺利地给多于两个、例如六个生物反应器供气。生物反应器(2.1、2.2)设定成用于容纳生物质、液态的培养介质并且用于导入供气。
作为另外的重要的部件，供气系统(1)包括用于提供恒定的气流的气体供应装置(3)和容器(4)，气流在实施例中包含由三种气体构成的混合物，容器设定成用于加湿气流并且将气流划分为多个部分气流。
容器(4)包含液体填充物(6)，上升线路(7.1、7.2)垂直于液位(6.1)地浸入液体填充物中。上升线路(7.1、7.2)由于稳定性原因实施为管，并且具有一致的长度和一致的直径。每个上升线路(7.1、7.2)的下方的开口(7.3、7.4)都布置分配器(8)的上方，分配器以引导流体的方式通过输送线路(5)联接至气体供应装置(3)。分配器(8)将气流划分为一定数量的在图1中通过气泡象征性示出的部分气流(9.1、9.2)，该数量相应于生物反应器(2.1、2.2)的数量。
分配器(8)以很小的距离布置在上升线路(7.1、7.2)的下方的开口(7.3、7.4)的下方。然而分配器(8)的逸出开口也可以通入上升线路中，总体确保部分气流始终被导入液体填充物(6)中。气体线路(10.1、10.2)气密地联接在每个上升线路(7.1、7.2)的上方的开口(7.5、7.6)上，气体线路将其中一个上升线路(7.1、7.2)与其中一个生物反应器(2.1、2.2)的内部空间相应连接。
从示意图可看到的是，通向生物反应器(2.1)的气体线路(10.1)比通向生物反应器(2.2)的气体线路(10.2)更长。因此，与气体线路(10.2)相比，气体线路(10.1)用更大的流动阻力来抵抗部分气流。更大的流动阻力导致气体线路(10.2)中的比在气体线路(10.1)中更大的压力。不同的气体压力作用于上升线路(7.1、7.2)中的液柱(6.4)的液体表面(6.3)。基于气体线路(10.2)中的更大的压力，上升线路(7.2)中的液柱(6.4)的液位与上升线路(7.1)中的液柱(6.4)的液位相比更强地下降。
在上升线路(7.2)中作用到液体表面(6.3)上的更大的压力通过上升线路(7.2)中的液柱(6.4)的更小的高度(6.5)补偿，从而尽管气体线路(10.1、10.2)中的压力不同，但在两个上升线路(7.1、7.2)中作用的静液压力基本上一致。
部分气流(9.2、9.2)不受气体线路(10.1、10.2)中的流动阻力影响地以一致的体积流从分配器(8)逸出，并且进入上升线路(7.1、7.2)的液柱中。基于上升线路(7.1、7.2)中的一致的静液压力，确保对两个生物反应器的均匀的供气。即使当布置在其中一个生物反应器(2.1、2.2)上用以压力补偿的气体过滤器(11)例如被堵塞时，气体线路(10.1、10.2)中的因此本来会出现的压力增大都不会对输送至生物反应器(2.1、2.2)的气体的体积流产生影响。
在所示的实施例中，应该以气体混合物的一致的部分气流(9.1、9.2)给细胞培养供气。针对该目的，气体供应装置(3)具有气体混合系统，气体混合系统的输入端(3.2)与多个气体源(3.1)连接，并且气体混合系统的输出端(3.3)与输送线路(5)连接。气体源(3.1)例如是用于氧气、二氧化碳和氮气的压缩气体瓶。针对每个气体源(3.1)，气体混合系统具有质量流量调节器(3.4)，质量流量调节器将气体的体积流调节为额定值。待混合的气体在调节为额定值之后输送至混合装置(3.5)，在混合装置中混合由氧气、二氧化碳和氮气构成的体积流。
图2示出了相应于图1的供气系统(1)，其仅在如下方面有所不同，即容器(4)和生物反应器(2.1、2.2)不是静止的，而是布置在旋转摇动器(14)的台子(13)上。然而，气体供应装置(3)未改变地静止地布置。因此，输送线路(5)必须直到实施为管的浸入液体填充物(6)中的区段都柔性地实施，以便能够在供气期间实现摇动运动。
图3示出了容器(4)的可能的实施方式。容器(4)构造为瓶子，其上方的开口(4.2)可以利用可旋拧的盖(4.1)封闭。从附图可看到的是，输送线路(5)和上升线路(7.1、7.2)在液体填充物(6)中沿垂直于液位(6.1)的方向延伸。为了补偿摇动运动，构造为管的上升线路(7.1、7.2)圆形地围绕输送线路(5)地紧固在盖(4.1)上。直接利用将盖(4.1)旋拧在容器(4)上，所有的上升线路(7.1、7.2)、输送线路(5)的在容器(4)中延伸的区段和与输送线路(5)以引导流体的方式连接的分配器(8)正确地定位在容器(4)之内，并且正确地相互取向。
分配器(8)具有多个从输送线路(5)星形向外延伸的分配器管(8.1)。如果六个上升线路(7.1、7.2)圆形地围绕输送线路(5)地布置，那么分配器(8)具有六个分配器管(8.1)。每个分配器管(8.1)在端部侧通入在直径方面减小的逸出开口中，逸出开口通入液体填充物(6)内的其中一个上升线路(7.1、7.2)的下方的开口(7.3、7.4)的下方。在所示的实施例中，逸出开口近似位于下方的开口(7.3、7.4)的下方。所有的分配器管(8.1)的径向的延伸、在分配器管(8.1)的端部上的逸出开口的几何形状和逸出开口相对于上升线路的下方的开口(7.3、7.4)的方位相一致，从而来自分配器(8)的一致的部分气流在一致的条件下进入上升线路(7.1、7.2)中。
附图标记列表
Figure BDA0002764390180000101
Figure BDA0002764390180000111

Claims (17)

1.用于给多个生物反应器(2.1、2.2)供气的方法，其包括如下步骤：
-提供恒定的气流，
-将恒定的气流输送到具有液体填充物(6)的容器(4)中，
-将气流划分为多个部分气流(9.1、9.2)，
-将每个部分气流(9.1、9.2)导入液体填充物(6)中，
-将每个部分气流(9.1、9.2)导入用于每个部分气流(9.1、9.2)的单独的、具有下方的开口(7.3、7.4)的上升线路(7.1、7.2)中，其中，每个上升线路(7.1、7.2)都浸入液体填充物(6)中，
并且
-经由气密地与每个上升线路(7.1、7.2)的上方的开口(7.5、7.6)联接的气体线路(10.1、10.2)，将在每个上升线路(7.1、7.2)中升起的部分气流(9.1、9.2)输送至其中一个生物反应器(2.1、2.2)的内部空间。
2.根据权利要求1所述的用于给多个生物反应器供气的方法，其特征在于，将气流划分为具有一致的体积流的部分气流(9.1、9.2)。
3.根据权利要求1或2所述的用于给多个生物反应器供气的方法，其特征在于，在距液位(6.1)一致的竖直距离上将每个部分气流(9.1、9.2)导入到液体填充物(6)中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的方法，其特征在于，在距液位(6.1)一致的竖直距离上将每个部分气流(9.1、9.2)导入其中一个上升线路(7.1、7.2)中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的方法，其特征在于，使生物反应器(2.1、2.2)和容器(4)至少在供气期间摇动。
6.用于给多个生物反应器(2.1、2.2)供气的供气系统(1)，其包括：
-气体供应装置(3)，所述气体供应装置用于在输送线路(5)中提供恒定的气流，
-容器(4)，所述容器具有液体填充物(6)，
-多个浸入液体填充物(6)中的上升线路(7.1、7.2)，其中，每个上升线路都具有下方的开口(7.3、7.4)，
-在液体填充物(6)中以引导流体的方式与输送线路(5)连接的分配器(8)，所述分配器设定成用于将气流划分为多个部分气流(9.1、9.2)，并且用于将每个部分气流(9.1、9.2)导入液体填充物和其中一个上升线路(7.1、7.2)中，
-气密地与每个上升线路(7.1、7.2)的上方的开口(7.5、7.6)联接的气体线路(10.1、10.2)，所述气体线路以引导流体的方式与其中一个生物反应器(2.1、2.2)的内部空间连接。
7.根据权利要求6所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述气体供应装置(3)包括气体混合系统，所述气体混合系统的输入端(3.2)与多个气体源(3.1)连接，并且所述气体混合系统的输出端(3.3)与输送线路(5)连接。
8.根据权利要求7所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述气体混合系统具有用于每个气体源(3.1)的质量流量调节器(3.4)。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，每个生物反应器(2.1、2.2)和容器(4)都布置在旋转摇动器(14)的摇动台(13)上。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述输送线路(5)和所述上升线路(7.1、7.2)在液体填充物(6)中垂直于液位(6.1)地延伸。
11.根据权利要求9和10所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，实施为管的上升线路(7.1)圆形地围绕液位(6.1)的垂线地布置。
12.根据权利要求11所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述垂线和输送线路(5)的纵向中间轴线重合，所述分配器(8)具有多个从输送线路(5)星形地向外延伸的分配器管(8.1)，其中，每个分配器管都以引导流体的方式与输送线路(5)连接并且具有一个逸出开口或一组逸出开口，所述一个逸出开口或一组逸出开口在液体填充物中通入所述下方的开口(7.3、7.4)的下方或其中一个上升线路(7.1、7.2)之内。
13.根据权利要求11所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述垂线和输送线路(5)的纵向中间轴线重合，所述分配器(8)具有以引导流体的方式与输送线路(5)连接的空心柱形的气体收集器，在气体收集器的上方的端侧布置有多个孔板，其中，每个孔板在液体填充物(6)中通入其中一个上升线路(7.1、7.2)的下方的开口(7.3、7.4)的下方。
14.根据权利要求13所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述输送线路(5)的纵向中间轴线和气体收集器的纵向中间轴线重合，所有的孔板在几何形状上相一致，并且以距纵向中间轴线一致的径向距离布置在气体收集器中。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述容器(4)具有能利用盖(4.1)封闭的开口，并且所述输送线路(5)和所述上升线路(7.1、7.2)作为结构组件紧固在盖(4.1)上。
16.根据权利要求6至15中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，每个生物反应器都具有过压阀(12)和/或废气过滤器(11)。
17.根据权利要求6至16中任一项所述的用于给多个生物反应器供气的供气系统(1)，其特征在于，所述容器(4)和所述上升线路(7.1、7.2)至少部分由透明的材料构成。
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