DE102005062052A1 - Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium - Google Patents

Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium Download PDF

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Abstract

Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bestehend aus einem mit einem Deckel verschließbaren Reagenzbehälter, der in einer Schüttelvorrichtung einem Schüttelvorgang unterziehbar ist, wobei der Reagenzbehälter mindestens einen der Behälterinnenwandung benachbarten Steg aufweist, wobei der Steg in vertikaler Richtung von unten nach oben vorzugsweise wendelförmig verlaufend ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bestehend aus einem mit einem Deckel verschließbaren Reagenzbehälter, der in einer Schüttelvorrichtung einem Schüttelvorgang unterziehbar ist, wobei der Reagenzbehälter mindestens eine der Behälterinnenwandung benachbarte Schikane aufweist.
  • Für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium mit einem Zellkulturvolumen von etwa 5 ml bis 50 l sind so genannte Einwegbioreaktoren bekannt. Bei Verwendung von solchen Systemen im Kleinmaßstab mit „Offline-Monitoring" sind die Prozessbedingungen zu optimieren. Der Bioprozess wird dabei charakterisiert durch pH-Veränderungen, Sauerstoffeintrag, Freisetzung von CO2 und anderen biologischen und physiko-chemischen Parametern. Zu einem häufig notwendigen Mischvorgang werden die Einwegbioreaktoren beispielsweise in einer Schüttelvorrichtung einem Schüttelvorgang unterzogen. Die Mischungszeit bei solchen Bioreaktorsystemen im Kleinmaßstab ist ein wichtiger Faktor beim Massentransfer. Insbesondere die Gasaustauschrate innerhalb der flüssigen Phase und der Interphase zu dem Kopfraum des Bioreaktors ist ein kritischer Prozesskontrollparameter. Es gilt daher insbesondere den Luftaustausch zwischen der Probenflüssigkeit im Einwegbioreaktor bzw. dem Reagenzbehälter und der überständigen Luft zu verbessern.
  • Aus der DE 692 33 170 T2 , der DE 21 34 808 C3 und der DE 1 140 755 A sind Reagenzbehälter bekannt, die an ihrer Wandung vertikal verlaufende Rippen oder Flügel aufweisen. Die Rippen werden verwendet, um das Festphasenreagenz innerhalb des Behälters zu schütteln. Durch das Schütteln und die Schüttelrippen soll die Homogenität eines Festphasenreagenzes beibehalten werden bzw. sollen die Rippen die Drehung oder Umlaufbewegung der Probeflüssigkeit verhindern oder reduzieren und bei Verwendung eines Rührers durch Turbulenz der Flüssigkeit das Rühren verbessern.
    •
  • Nachteilig bei den bekannten Schüttelrippen ist, dass bei einer Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium derartige Rippen zu einer Beeinträchtigung des Zellteilungsvorganges führen können. Die auftretenden Scherkräfte führen bei größeren Turbulenzen zu Zellschädigungen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Einwegbioreaktor bzw. bekannten Reagenzbehälter so zu verbessern, dass einerseits die Zellteilung nicht beeinträchtigt und andererseits die Gasaustauschrate zwischen der Flüssigkeit und überständigen Luft so verbessert wird, dass eine höhere Zelldichte ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die mindestens eine Schikane als in vertikaler Richtung von unten nach oben wendelförmig verlaufender Steg ausgebildet ist.
  • Durch die Verwendung mindestens einer als Steg ausgebildete Schikane wird beim orbitalen Schütteln des Einwegbioreaktors bzw. der Reagenzbehälter die Oberfläche einer enthaltenden Flüssigkeit aufgebrochen und dadurch ein höherer Luftaustausch zwischen der Flüssigkeit und der überständigen Luft ermöglicht. Dabei wird vermieden, dass Scherkräfte zu Zellschädigungen führen. Dies führt zu einem erhöhten Sauerstoffeintrag in die Flüssigkeit. Wenn diese Flüssigkeit ein Nährmedium mit entsprechenden, z.B. humane Zellen oder Antikörper produzierende Hybridomzellen enthält, wird eine höhere Zelldichte erzielt, was in höheren Produktitern resultiert.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Steg einen Querschnitt mit einer von der Behälterinnenwandung weggerichteten konvexen Wölbung auf. Durch die konvexe Wölbung werden einerseits scharfe Kanten vermieden, die zu einer Beeinträchtigung der Zellteilung und Schädigungen der Zellen führen können und zum anderen reicht der Steg aus, um eine höhere Gasaustauschrate zu erhalten.
  • Bevorzugt ist der Steg wendelförmig ausgebildet.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steg als separates Teil in den Reagenzbehälter einsetzbar. Dies hat den Vorteil, dass übliche bekannte Reagenzbehälter verwendet werden können, in die die Stege einfach und kostengünstig einsetzbar sind. Der Steg kann dabei einen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen. Auch ist es möglich eine Art plankonvexen Querschnitt zu verwenden, wobei die Planseite an die Behälterwandung angepasst ist, so dass auch in Abhängigkeit von der Steigung des Steges und dem Innendurchmesser des Reagenzbehälters ein leicht bikonvexer Querschnitt verwendet werden kann.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steg als konvexe Ausbuchtung an die Behälterinnenwandung angeformt. Der Steg kann dabei einen Querschnitt aufweisen, der als Ellipsen- oder Parabel- oder Kreisabschnitt ausgebildet ist.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steg am Übergang zur Behälterinnenwandung abgerundet ausgebildet. Dadurch werden auch im Bereich des Steggrundes scharfkantige Ecken vermieden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das Verhältnis der radial zur Behälterinnenwandung liegenden Stegtiefe zur quer zur Steglängsachse liegenden Stegbreite zwischen 1:2 und 2:1. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das Verhältnis von Stegtiefe zur Stegbreite etwa 1:1.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steg gegenüber einer Horizontalen um einen Steigungswinkel zwischen 30° und 60°, beispielsweise 45°, ansteigend ausgebildet. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, einen Steigungswinkel zwischen 10° und 90° zu wählen. Eine Steigung von 90° ist insbesondere dann möglich, wenn das Verhältnis von Stegtiefe zur Stegbreite nicht größer als 2:1 ist.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Deckel des Reagenzbehälters mit mindestens einer Öffnung versehen, die von einer einen sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran abgedeckt ist.
    •
  • 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 Seitenansicht eines Einwegbioreaktors mit Deckel teilweise im Schnitt,
  • 2: eine Seitenansicht des Reagenzbehälters von 1 aus Richtung II im Schnitt,
  • 3: eine Draufsicht auf den Reagenzbehälter von 2 aus Richtung III,
  • 4: eine Seitenansicht eines weiteren Einwegbioreaktors mit Deckel und eingesetztem separaten Steg,
  • 5: eine Seitenansicht des Steges von 4,
  • 6: eine Seitenansicht im Schnitt und Ausriss in vergrößerter Darstellung eines an die Behälterwandung angeformten Steges,
  • 7: eine Seitenansicht im Schnitt und Ausriss in vergrößerter Darstellung eines an eine Innenwandung angeformten Steges,
  • 8: eine Seitenansicht im Schnitt und Ausriss in vergrößerter Darstellung eines plankonvexen separaten Steges und
  • 9: eine Seitenansicht im Schnitt und Ausriss in vergrößerter Darstellung eines separaten Steges mit rundem Querschnitt.
  • Ein Einwegbioreaktor 1 für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium besteht im Wesentlichen aus einem Reagenzbehälter 2 und einem Deckel 3. Der Einwegbioreaktors 1 ist mit seinem Reagenzbehälter 2 in eine nicht dargestellte Schüttelvorrichtung einsetzbar und kann dabei einem Schüttelvorgang unterzogen werden.
  • Der Reagenzbehälter 2 weist an seinem oberen Ende 4 ein Gewinde 5 zur Verschraubung mit dem Deckel 3 auf. Der Reagenzbehälter 2 weist weiter eine zylindrische Behälterwandung 6 mit einer Behälterinnenwandung 7 auf. Zu ihrem dem oberen Ende 4 abgewandten unteren Ende 8 hin ist die Behälterwandung 6 leicht konisch ausgebildet. Das untere Ende 8 wird von einer kegeligen Spitze 9 abgeschlossen.
  • Gemäß den Ausführungsformen entsprechend den 1 bis 3, 6 und 7 ist an die Behälterinnenwandung 7 eine Schikane bzw. ein Steg 10 angeformt. Der Steg 10 (siehe 6) weist eine von der Behälterinnenwandung 7 weggerichtete konvexe Wölbung 11 auf. Entsprechend 6 ist der Querschnitt des Steges 10 als ein Ellipsenabschnitt 12 ausgebildet.
  • Der Querschnitt eines Steges 10' weist ebenfalls eine konvexe Wölbung 11 auf, die nach einem kurzen geraden Übergang über einen Radius 13 in die Behälterinnenwandung 7' übergeht. Gemäß 4 und 5 ist der Steg 14 als ein separates Teil ausgebildet. D.h., der Steg 14 ist als separates Teil in den Reagenzbehälter 2'' einsetzbar.
  • Entsprechend einer Ausführung nach 8 ist der separate, an der Behälterinnenwandung 7'' anliegende Steg 14 mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet.
  • Entsprechend 9 ist der Querschnitt des Steges 14' plankonvex bzw. als Ellipsenabschnitt 12'' ausgebildet.
  • In radialer Richtung zur Behälterinnenwandung 7 hin weist der Steg 10 eine Stegtiefe 15 auf. Quer zur Stegtiefe 15 weist der Steg 10 eine Stegbreite 16 auf.
  • Der Steg 10 steigt gegenüber einer Horizontalen 17 um einen Steigungswinkel 18 an. Im Bespiel nach 2 beträgt der Steigungswinkel 18 etwa 34°.
  • Der Deckel 3 weist fünf unterschiedlich große Öffnungen 19 auf, die zum Behälterinnenraum 20 hin von einer Membran 21 abgedeckt werden. Die Porengröße der Membran 21 beträgt beispielsweise 0,22 μm.

Claims (14)

  1. Einwegbioreaktor (1, 1') für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bestehend aus einem mit einem Deckel (3) verschließbaren Reagenzbehälter (2, 2''), der in einer Schüttelvorrichtung einem Schüttelvorgang unterziehbar ist, wobei der Reagenzbehälter (2, 2'') mindestens eine der Behälterinnenwandung (7, 7', 7'') benachbarte Schikane (10, 10', 14, 14') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schikane (10, 10', 14, 14') als in vertikaler Richtung von unten nach oben verlaufender Steg ausgebildet ist.
  2. Einwegbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg wendelförmig ausgebildet ist.
  3. Einwegbioreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10, 10', 14, 14') einen Querschnitt mit einer von der Behälterinnenwandung (7) weggerichteten konvexen Wölbung (11) aufweist.
  4. Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (14, 14') als separates Teil in den Reagenzbehälter (2, 2') einsetzbar ist.
  5. Einwegbioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (14') einen runden oder ovalen Querschnitt aufweist.
  6. Einwegbioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (14) einen plankonvexen Querschnitt aufweist.
  7. Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10, 10') als konvexe Ausbuchtung an die Behälterinnenwandung (7) angeformt ist.
  8. Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10, 14) einen Querschnitt aufweist, der als Ellipsen- oder Parabel- oder Kreisabschnitt ausgebildet ist.
  9. Einwegbioreaktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10', 14') am Übergang zur Behälterinnenwandung (7') abgerundet ausgebildet ist.
  10. Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der radial zur Behälterinnenwandung (7) liegenden Stegtiefe (15) zur quer zur Steglängsachse liegenden Stegbreite (16) zwischen 1:2 und 2:1 liegt.
  11. Einwegbioreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Stegtiefe (15) zur Stegbreite (16) 1:1 beträgt.
  12. Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10, 10', 14, 14') gegenüber einer Horizontalen (17) um einen Steigungswinkel (18) zwischen 10° und 90° ansteigt.
  13. Einwegbioreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (18) zwischen 30° und 60° beträgt.
  14. Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) mit mindestens einer Öffnung (19) versehen ist, die von einer einem sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran (21) abgedeckt ist.
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