DE102005012515B4

DE102005012515B4 - Beleuchtungseinrichtung und Verfahren zur Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren

Info

Publication number: DE102005012515B4
Application number: DE200510012515
Authority: DE
Inventors: Stefan Obermann; Wolfgang Dr. Asche; Jörg Dr. Pfisterer; Reinhard Dr. Baumfalk
Original assignee: Sartorius Biotech GmbH
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2025-03-17
Also published as: DE102005012515A1

Abstract

Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, insbesondere für Inkubatoren zur Kultivierung von phototrophen Zellkulturen, im Wesentlichen bestehend aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen (3), die Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens zwei Lichtquellen (3) unterschiedlicher Spektralbereiche jeweils auf einem Beleuchtungselement (5) angeordnet sind,
dass eine Mehrzahl der Beleuchtungselemente (5) eine Beleuchtungsmatrix (11, 11') mit den Lichtquellen (3) bildet, und
dass Gruppen von Lichtquellen (3) gleicher Spektralbereiche über eine elektronische Ansteuerung (4) gezielt ansteuerbar sind.

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 Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur variablen Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren, insbesondere in Inkubatoren, mit einer eine Mehrzahl von Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlenden 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 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 vertretbarem Aufwand nicht möglich.
Aus der DE 102 35 138 34 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 einen 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 Bioreaktor, 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.
Aus der DE 44 16 069 C2 ist eine Beleuchtungseinrichtung für Bioreaktoren, insbesondere für Inkubatoren zur Kultivierung von phototrophen Zellkulturen bekannt. Die bekannte Beleuchtungsvorrichtung weist einen oder mehrere seitlich abstrahlende Lichtwellenleiter mit glatter Oberfläche in dem Behälter auf. Der Lichtwellenleiter ist aus dem Verschlussdeckel des Behälters herausgeführt und extern mit einem Leuchtkörper in Verbindung gebracht, dessen Licht in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Das Licht, die Lichtintensität sowie die Spektralverteilung des Lichtes, das in den Lichtleiter eingekoppelt wird, sind variierbar.
Nachteilig bei einer derartigen Beleuchtungseinrichtung ist, dass naturgemäß bei solchen seitlich abstrahlenden Lichtleitern die Abstrahlungsintensität sich über die Länge des Lichtleiters verringert.
Weiterhin ist aus der DE 102 16 645 A1 eine Beleuchtungsanordnung, welche Lichtquellen aufweist, die Licht mit unterschiedlichen Spektraleigenschaften abgeben, bekannt.
Nachteilig bei der bekannten Beleuchtungsanordnung ist, dass zur Erzielung von Licht mit einer einheitlichen Lichtfarbe bzw. zur Vermeidung von Farbschatten eine Mischeinrichtung notwendig ist. Die Mischeinrichtung ist dabei als eine lichtreflektierende oder eine lichtbrechende Einrichtung ausgebildet, welche das Licht von verschiedenen Lichtquellen einander überlagert.
Aus der DE 199 16 597 A1 ist ein Photobioreaktor bekannt, welcher einen Reaktorraum aufweist, der eine Oberflächenvergrößerung aufweist, die größer als eine gradflächige umhüllende Fläche eines Volumens ist. Die Oberflächenvergrößerung soll dabei zu einer besseren räumlichen Verteilung des Lichts über den Reaktorquerschnitt führen. Die Energiedichte in dem Reaktorraum soll dabei durch die Verwendung sogenannter Wellenlängenschieber erhöht werden. Der Wellenlängenschieber kann dabei zwischen einer Lichtquelle und dem Reaktorraum vorgesehen sein. Dieser Wellenlängenschieber umfasst beispielsweise Fluoreszenzstoffe. Fluoreszenzstoffe sind Stoffe, die nach Absorption von Licht wieder abstrahlen, wobei die Energie für das abgestrahlte Licht im Wesentlichen nicht dem Wärmeinhalt des Fluoreszenzstoffes entnommen wird, sondern aus der durch das absorbierte Licht zugeführten Anregungsenergie stammt. Das Fluoreszenzspektrum wird dabei gegenüber dem Absorptionsspektrum zu längeren Wellen hin verschoben, d.h. ein Farbstoff wandelt UV- und violettes Licht in blaues Licht um, ein anderer blaues Licht in grünes Licht usw.
Nachteilig dabei ist, dass es relativ schwierig ist, eine freie Einstellung oder Auswahl von spektralen Bereichen für die individuelle Beleuchtung von phototrophen Zellkulturen zu ermöglichen.
Weiterhin ist aus der WO 01/88434 A1 eine Beleuchtungseinrichtung bekannt, die aus einer Mehrzahl von ansteuerbaren Lichtquellen besteht, die Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen. Die Intensität und Spektralzusammensetzung des von der Beleuchtungseinrichtung abgestrahlten Lichts wird von Sensoren erfasst, deren Signale von einem Computer ausgewertet und für die Ansteuerung der Lampen verwendet werden.
Nachteilig dabei ist, dass eine derartige Vorrichtung nicht geeignet ist, um bei vorgegebener Spektralcharakteristik eine relativ gleichmäßige und großflächige Lichteinstrahlung in einem Bioreaktor zu ermöglichen.
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 mindestens zwei Lichtquellen unterschiedlicher Spektralbereiche jeweils auf einem Beleuchtungselement angeordnet sind, dass eine Mehrzahl der Beleuchtungselemente eine Beleuchtungsmatrix mit den Lichtquellen bildet, und dass 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 Farbstoffe 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 Bereiche abzustrahlen. 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 entsprechender Ansteuerung eine sehr gleichmäßige Ausleuchtung erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind vier Lichtquellen unterschiedlicher Spektralbereiche auf dem Beleuchtungselement angeordnet.
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 Zeltkulturen in Bioreaktoren anzugeben, bei dem die Beleuchtung vor allem variable Spektralbereiche aufweist.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 5 dadurch gelöst, dass auf Beleuchtungselementen angeordnete Lichtquellen mit unterschiedlichen Spektralbereichen eine Beleuchtungsmatrix aus den Beleuchtungselementen bilden und als Teil der Mehrzahl von Lichtquellen über eine elektronische Ansteuerung in Gruppen von Lichtquellen gleicher Spektralbereiche angesteuert werden, und 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 roten 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 Wesentlichen 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 ist einander benachbart auf einem flächigen Beleuchtungsträger 10 angeordnet und bildet 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 (3), die Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Lichtquellen (3) unterschiedlicher Spektralbereiche jeweils auf einem Beleuchtungselement (5) angeordnet sind, dass eine Mehrzahl der Beleuchtungselemente (5) eine Beleuchtungsmatrix (11, 11') mit den Lichtquellen (3) bildet, und dass Gruppen von Lichtquellen (3) gleicher Spektralbereiche über eine elektronische Ansteuerung (4) gezielt ansteuerbar sind.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Lichtquellen (3) unterschiedlicher Spektralbereiche auf dem Beleuchtungselement (5) angeordnet sind.
Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Lichtquellen (3) auf dem Beleuchtungselement (5) die Spektralbereiche ultraviolett, blau, grün und rot abbilden.
Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquellen (3) als lichtemittierende Dioden (6, 7, 8, 9) ausgebildet sind.
Verfahren zur variablen Beleuchtung für die Kultivierung von phototrophen Zellkulturen in Bioreaktoren, insbesondere in Inkubatoren, mit einer eine Mehrzahl von Licht unterschiedlicher Spektralbereiche abstrahlenden Lichtquellen aufweisenden Beleuchtungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass auf Beleuchtungselementen (5) angeordnete Lichtquellen (3) mit unterschiedlichen Spektralbereichen eine Beleuchtungsmatrix (11, 11') aus den Beleuchtungselementen (5) bilden und 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 Spektralmodi beleuchtet werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen (3) LEDs (6, 7, 8, 9) mit den Spektralbereichen ultraviolett, blau, grün und rot eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Modus (12) alle LEDs (6, 7, 8, 9) in gleicher Intensität angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Modus (13) LEDs (6, 9) mit UV und rotem Spektralbereich angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Modus (14) LEDs (7, 8, 9) mit blauem, grünem und rotem Spektralbereich angesteuert werden.