DE102005012515A1

DE102005012515A1 - Beleuchtungseinrichtung und Verfahren zur Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren

Info

Publication number: DE102005012515A1
Application number: DE200510012515
Authority: DE
Inventors: Stefan Obermann; Wolfgang Dr. Asche; Jörg Dr. Pfisterer; Reinhard Dr. Baumfalk
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: DE102005012515B4

Abstract

Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, insbesondere für Inkubatoren, zur Kultivierung von phototrophen Zellkulturen, im Wesentlichen bestehend aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen, wobei die Lichtquellen Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen und Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche über eine elektronische Ansteuerung gezielt ansteuerbar sind. DOLLAR A Verfahren zur variablen Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren, insbesondere in Inkubatoren, mit einer eine Mehrzahl von Lichtquelen aufweisenden Beleuchtungseinrichtung, wobei Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektralbereichen als Teil der Mehrzahl von Lichtquellen über eine elektronische Ansteuerung in Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche angesteuert werden und wobei die phototrophen Zellkulturen selektiv mit einem Spektralmodus und/oder verschiedenen Spektral-Modi beleuchtet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, insbesondere für Inkubatoren zur Kultivierung von phototrophen Zellkulturen, im Wesentlichen bestehend aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur variablen Beleuchtung für das Wachstum von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren, insbesondere in Inkubatoren und Inkubationsschüttlern, mit einer eine Mehrzahl von Lichtquellen aufweisenden Beleuchtungseinrichtung.
Neben den Umgebungsbedingungen, wie z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, CO2, besitzt die Beleuchtung für das Wachstum von phototrophen Zellkulturen eine entscheidende Rolle. Zur Beleuchtung werden hier nur einfache Beleuchtungseinrichtungen aus herkömmlichen Lichtquellen, wie Glühlampen, Standard-Neonröhren oder Neonröhren mit angepasstem Wellenlängenbereich (z.B. OSRAM L18W/77 „Fluora"/Lichtfarbe = 77) benutzt. Diese Lichtquellen bieten allerdings nur das jeweilige Spektrum an und lassen sich nur durch den Einbau anderer Röhren oder Glühlampen begrenzt variieren. Eine freie Einstellung oder Auswahl von spektralen Bereichen für die individuelle Beleuchtung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren bzw. Inkubatoren oder Inkubationsschränken ist bisher mit vertretbaren Aufwand nicht möglich.

Aus der DE 102 35 138 B4 ist eine Beleuchtungseinrichtung für einen Inkubator zur lichtabhängigen Kultivierung von Phytoplankton bekannt. Mit der bekannten Beleuchtungseinrichtung werden Lichtgradienten und unterschiedliche Lichtfluktuationen simuliert. Dabei sind die Lichtquellen der Beleuchtung auswechselbar und als monochromatische Lichtquellen ausgestaltet. Die Lichtquellen der Beleuchtung sind dabei einzeln zuschaltbar.

Nachteilig bei der bekannten Beleuchtungsvorrichtung ist, dass immer nur Lichtquellen des gleichen spektralen Bereiches verwendet werden und ein Auswechseln der Lichtquellen relativ aufwendig ist.

Weiterhin ist aus der DE 44 23 302 C1 eine Vorrichtung zur Einkopplung von Strahlungsenergie in einem Photoreaktor bekannt. Zum Einkoppeln von Licht in einen Bioreaktor bzw. Photoreaktor wird dabei eine holographische Vorrichtung vorgeschlagen, die für unterschiedliche Wellenlängen unterschiedliche Brennweiten aufweist. Auf diese Weise kann ein Biorektor, der für die Photosynthese eine bestimmte ausgewählte Wellenlänge benötigt, in der betreffenden Distanz von der holographischen Vorrichtung angeordnet werden.

Nachteilig bei der bekannten Beleuchtungseinrichtung ist, dass sie wegen ihrer holographischen Ausbildung relativ aufwendig und kostenintensiv ist. Zum anderen muss bei unterschiedlichen Wellenlängen eine unterschiedliche Distanz verwendet werden, was sich zwangsläufig, je nach Abstand, in unterschiedlichen Beleuchtungsstärken bemerkbar machen muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine einfache und kostengünstige Beleuchtungseinrichtung für phototrophe Zellkulturen in Bioreaktoren zu schaffen, die eine freie Einstellung oder Auswahl von spektralen Bereichen für die individuelle Beleuchtung von phototrophen Zellkulturen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Lichtquellen Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen und Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche über eine elektronische Ansteuerung gezielt ansteuerbar sind.

Für die Entwicklung von biotechnologischen/pharmazeutischen Produktionsprozessen kann dadurch relativ einfach und kostengünstig eine Vielzahl von Parametern für verschiedene Werte in der Laborphase überprüft werden. Bei Beteiligung von phototrophen Zellen kann die Beleuchtung in Intensität und spektraler Verteilung geändert werden. So können unterschiedliche photoaktive Pigmente und Farbstoffen mit unterschiedlichen Spektralbereichen beleuchtet werden. Auch für die Arbeit mit lichtempfindlichen Proben (unabhängig ob organisch oder anorganisch) ist die spektrale Verschiebung einer Beleuchtung in spektrale Bereiche mit geringer Photonenenergie (Rotschwerpunkt) oder in Bereiche mit verringerter Absorption und damit die Auswahl von entsprechenden Spektralbereichen möglich. Ebenfalls ist die spezifische Induktion (bio-)chemischer Prozesse durch eine Anregung mit Licht definierter Wellenlänge (λ)/Lichtfarbe mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung möglich.

Die Beleuchtungseinrichtung ist in der Lage, spektral selektiv Licht in die interessierenden Bereichen abzustrahlen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind vier Lichtquellen unterschiedlicher Spektralbereiche auf dem Beleuchtungselement angeordnet. Dabei bildet eine Mehrzahl der Beleuchtungselemente eine Beleuchtungsmatrix.

Die Beleuchtungsmatrix kann in ihrer Form und flächigen Anordnung einfach auf den verwendeten Bioreaktor abgestimmt werden. Durch die Matrixanordnung der einzelnen Beleuchtungselemente kann bei Bedarf und entsprechende Ansteuerung eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung erzielt werden. Durch die einzeln ansteuerbaren vier Lichtquellen unterschiedlicher Spektralbereiche lassen sich wahlweise vier unterschiedliche Spektralbereiche oder entsprechende Überlagerungen der einzelnen Spektralbereiche erzielen.

Grundsätzlich ist es auch möglich, nur zwei, drei oder auch mehr als vier Lichtquellen unterschiedlicher Spektralbereiche auf einem Beleuchtungselement anzuordnen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bilden die vier Lichtquellen die Spektralbereiche ultraviolett (UV), blau, grün und rot ab. Die Lichtquellen sind dabei bevorzugt als lichtemittierende Dioden (LEDs) ausgebildet. Über die elektronische Ansteuerung können jeweils die Lichtquellen verschiedener „Farben" bzw. Spektralbereiche, d.h. z.B. alle blauen LEDs angesteuert werden. Wie bereits oben erwähnt, können auch Lichtquellen bzw. LEDs verschiedener Spektralbereiche gleichzeitig als sich überlagernde Spektralbereiche angesteuert werden.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zur variablen selektiven Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren anzugeben, bei dem die Beleuchtung vor allem variable Spektralbereiche aufweist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 7 dadurch gelöst, dass Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektralbereichen als Teil der Mehrzahl von Lichtquellen über eine elektronische Ansteuerung in Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche so angesteuert werden, dass die phototrophen Zellkulturen selektiv mit einem Spektralmodus und/oder verschiedenen Spektralmodi beleuchtet werden.

Durch die Verwendung von Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektralbereichen, die über eine elektronische Ansteuerung in Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche angesteuert werden, ist es möglich, die phototrophen Zellkulturen mit Licht in vorgewählten Spektralbereichen zu beleuchten. Auch ist es möglich, bestimmte Spektralbereiche zu überlagern. Über die elektronische Ansteuerung werden dabei verschiedene Spektral-Modi (einzelne Farben bzw. Spektralbereiche und Farbkombinationen) und Lichtintensitäten erzeugt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden als Lichtquellen Lumineszenzelektroden bzw. LEDs mit den Spektralbereichen ultraviolett, blau, grün und rot eingesetzt.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in einem ersten Modus alle LEDs in gleicher Intensität angesteuert. Damit kann auf einfache Weise ein relativ weiter Spektralbereich abgedeckt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden in einem zweiten Modus LEDs mit UV und rotem Spektralbereich angesteuert. Dieser Modus ist damit für die Bestrahlung von phototrophen Zellen geeignet, die besonders Licht im UV und rotem Bereich absorbieren.

In einem dritten Modus werden LEDs mit blauem, grünem und rotem Spektralbereich angesteuert. Dieser Modus ist insbesondere für Arbeiten durch den Betreiber im Inkubationsraum vorteilhaft, da hierbei Weißlicht erzeugt wird.

Selbstverständlich können auch Lichtquellen mit anderen Spektralbereichen verwendet und ggf. überlagert werden.

Bei der vorliegenden Erfindung kann die Beleuchtung in Intensität und spektraler Verteilung einfach an die unterschiedlichen Spektralbereiche unterschiedlicher photoaktiver Pigmente und Farbstoffe der Zellkulturen angepasst werden. Auch für die Arbeit mit lichtempfindlichen Proben (unabhängig ob organisch oder anorganisch) ist auf einfache Weise eine spektrale Verschiebung der Beleuchtung in spektrale Bereiche mit geringer Photoenergie (Rotschwerpunkt) oder in Bereiche mit verringerter Absorption und damit die Auswahl eines Spektralbereiches möglich. Ebenfalls möglich ist die spezifische Induktion (bio-)chemischer Prozesse durch eine Anregung mit Licht definierter Wellenlänge/Lichtfarbe.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1: eine Draufsicht auf einen Bioreaktor mit vorgelagerter Beleuchtungseinrichtung und elektronischem Ansteuergerät,
2: eine Vorderansicht eines Inkubationsschrankes mit Beleuchtungseinrichtung und elektronischem Ansteuergerät sowie einem Behälter mit phototrophen Zellkulturen,
3: eine Aufsicht auf in einer Matrix angeordneten Beleuchtungselemente mit Lichtquellen,
4: eine Draufsicht auf ein Beleuchtungselement mit vier Lichtquellen unterschiedlicher Spektralbereiche,
5: eine Darstellung eines ersten Modus in einem Zustand, bei dem alle Lichtquellen/LEDs in gleicher Intensität angesteuert werden,
6: eine Darstellung eines zweiten Modus mit Ansteuerung der Lichtquellen im UV und im Rot-Bereich und
7: eine Darstellung eines dritten Modus, bei dem die Lichtquellen für den blauen-, grünen- und roten-Bereich mit gleicher Intensität angesteuert werden.
Eine Beleuchtungseinrichtung 1 für Bioreaktoren 2 besteht im Wesentliche aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen 3 und einer elektronischen Ansteuerung 4.
Die Lichtquellen 3 sind als Lumineszenzdioden (LED) ausgebildet. Vier Lichtquellen 3 unterschiedlicher Spektralbereiche sind jeweils auf einem Beleuchtungselement 5 angeordnet. Eine erste LED 6 emittiert Licht im ultravioletten (UV), eine zweite LED 7 im blauen, eine dritte LED 8 im grünen und eine vierte LED 9 emittiert Licht im roten Spektralbereich.
Eine Mehrzahl der Beleuchtungselemente 5 sind einander benachbart auf einem flächigen Beleuchtungsträger 10 angeordnet und bilden eine Beleuchtungsmatrix 11. Die einzelnen Lichtquellen 3 bzw. die LEDs 6, 7, 8, 9 werden von der elektronischen Ansteuerung 4 nach vorgebbaren Programmen bzw. in verschiedenen Modi 12, 13, 14 angesteuert.
Die Beleuchtungsmatrix 11 kann beispielsweise einem Mantel eines zylindrischen Bioreaktor benachbart vorgelagert sein (siehe 1). Entsprechend 2 kann die Beleuchtungsmatrix 11' auch innerhalb eines Inkubators 15 bzw. Inkubationsschrankes angeordnet sein. Innerhalb des Inkubators 15 ist ein Gefäß 16 mit phototrophen Zellkulturen 17 angeordnet.
Die Lichtquellen 3 bzw. die LEDs 6, 7, 8, 9 werden in Gruppen von Lichtquellen 3 gleicher Spektralbereiche über die elektronische Ansteuerung 4 angesteuert. Die phototrophen Zellkulturen 17 in dem Inkubator 15 in dem Bioreaktor 2 werden dabei selektiv mit einem Spektralmodus und/oder verschiedenen Spektralmodi beleuchtet. In dem ersten Modus 12 werden alle LEDs 6, 7, 8, 9 in gleicher Intensität angesteuert. In dem zweiten Modus 13 werden die LEDs 6, 9 mit ultraviolettem und rotem Spektralbereich angesteuert. In dem dritten Modus 14 werden LEDs 7, 8, 9 mit blauem, grünem und rotem Spektralbereich angesteuert. Die erste LED 6 emittiert Licht im UV-Spektralbereich mit einer Wellenlänge λ um die 400 nm. Die zweite LED 7 emittiert Licht im blauen Spektralbereich mit einer Wellenlänge λ um die 480 nm. Die dritte LED 8 emittiert Licht im grünen Spektralbereich mit einer Wellenlänge um die 550 nm. Die vierte LED 9 emittiert Licht im roten Bereich mit einer Wellenlänge um die 650 nm.

Claims

Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, insbesondere für Inkubatoren zur Kultivierung von phototrophen Zellkulturen, im Wesentlichen bestehend aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3) Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen und Gruppen von Lichtquellen (3) gleicher Spektralbereiche über eine elektronische Ansteuerung (4) gezielt ansteuerbar sind.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lichtquellen (3) unterschiedlicher Spektralbereiche auf einem Beleuchtungselement (5) angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass vier Lichtquellen (3) unterschiedlicher Spektralbereiche auf dem Beleuchtungselement (5) angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Lichtquellen (3) die Spektralbereiche ultraviolett, blau, grün und rot abbilden.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3) als lichtemittierende Dioden (6, 7, 8, 9) ausgebildet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der Beleuchtungselemente (5) eine Beleuchtungsmatrix (11, 11') bilden.
Verfahren zur variablen Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren, insbesondere in Inkubatoren, mit einer eine Mehrzahl von Lichtquellen aufweisenden Beleuchtungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtquellen (3) mit unterschiedlichen Spektralbereichen als Teil der Mehrzahl von Lichtquellen (3) über eine elektronische Ansteuerung (4) in Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche angesteuert werden, und dass die phototrophen Zellkulturen (17) selektiv mit einem Spektralmodus und/oder verschiedenen Spektral-Modi beleuchtet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen (3) LEDs (6, 7, 8, 9) mit den Spektralbereichen ultraviolett, blau, grün und rot eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Modus (12) alle LEDs (6, 7, 8, 9) in gleicher Intensität angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Modus (13) LEDs (6, 9) mit UV und rotem Spektralbereich angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Modus (14) LEDs (7, 8, 9) mit blauem, grünem und rotem Spektralbereich angesteuert werden.