DE102005062052B4

DE102005062052B4 - Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium

Info

Publication number: DE102005062052B4
Application number: DE102005062052A
Authority: DE
Inventors: Christopher Ryford Biddell; Andreas Dr. Kocourek; Oscar-Werner Dr. Reif; Florian Prof. Dr. Wurm
Original assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005062052A1; WO2007079936A1; US9174181B2; EP1963477A1; US20090311775A1

Abstract

Einwegbioreaktor (1, 1') für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bestehend aus einem mit einem Deckel (3) verschließbaren Reagenzbehälter (2, 2'') mit einer zylindrischen Behälterwandung (6), 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 der Deckel (3) mit mindestens einer Öffnung (19) versehen ist, die von einer einen sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran (21) abgedeckt ist,
dass die mindestens eine Schikane (10, 10', 14, 14') als in vertikaler Richtung von unten nach oben verlaufender Steg ausgebildet ist,
dass der Steg (10, 10', 14, 14') einen Querschnitt mit einer von der Behälterinnenwandung (7) weggerichteten konvexen Wölbung (11) aufweist und als Oval-, Ellipsen- oder Parabelabschnitt oder als Kreisabschnitt ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bestehend aus einem mit einem Deckel verschließbaren Reagenzbehälter mit einer zylindrischen Behälterwandung, 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.
Aus der JP 06-253 815 A (Abstract) ist ein Reagenzbehälter bekannt, der als eine Art Erlenmeyerkolben ausgebildet ist und in seinem unteren Bereich zwei in vertikaler Richtung von unten nach oben verlaufende Stege aufweist, die offenbar von außen in die Behälterwandung eingeformt sind.
Nachteilig dabei ist, dass die Stege zum einen nur im unteren Bereich angeordnet und zum anderen in ihrer Querschnittsform durch die Anbringung von außen beschränkt sind. Durch die nach unten hin sich erweiternde Form des Erlenmeyerkolbens ist eine kostengünstige Spritzform mit angeformten oder separaten Stegen praktisch nicht möglich.
Weiterhin ist aus der US 4 912 048 ein Reagenzbehälter bekannt, der an seiner Innenwandung vertikal verlaufenden Rippen aufweist. Diese Rippen werden durch etwa v-förmige Einkerbungen der Außenwand gebildet.
Nachteilig bei diesem bekannten Reagenzbehälter ist, dass er vertikal verlaufende v-förmige Rippen aufweist, die zum einen relativ aufwendig und kostenintensiv herzustellen sind und zum anderen zu unerwünscht hohen Scherkräften führen können.
Weiterhin ist aus der US 5 075 234 ein Bioreaktor bekannt, der an seinem unteren und oberen Ende jeweils eine Verengung aufweist, die durch einen Deckel verschließbar ist. An seiner Innenwandung weist der Bioreaktor wendelförmige v-förmige Stege auf.
Nachteilig bei diesem bekannten Bioreaktor ist, dass die Stege mit der Innenwandung fest verbunden sein müssen. Dadurch ist einerseits die Herstellung der Stege relativ aufwendig und kostenintensiv und zum anderen können unerwünscht hohe Scherkräfte auftreten.
Aus der DE 597 567 A ist eine Flasche für Getränke, insbesondere für Wein, Schaumwein, bekannt, bei der an ihrer inneren Wandung vom Boden bis zur Flaschenschulter schraubenartig verlaufende Erhöhungen oder Vertiefungen angeordnet sind.
Der Zweck dieser Schikanen ist es, bei einem Frappieren von Wein eine schnellere Temperierung zu erreichen.
Bei dieser Druckschrift von 1932 handelt es sich nicht um einen Einwegbioreaktor für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bei dem es darum geht, die Gasaustauschrate zwischen der Flüssigkeit und überständiger Luft auch außerhalb des Bioreaktors während eines Schüttelvorganges zu verbessern. Für einen Fachmann für Bioreaktoren besteht daher keine Veranlassung, sich auf dem weit entfernten Gebiet der Temperierung von Weinflaschen umzusehen.
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. Weiterhin soll der Reagenzbehälter als ein Einwegbioreaktor relativ einfach und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass der Deckel mit mindestens einer Öffnung versehen ist, die von einer einen sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran abgedeckt ist, dass die mindestens eine Schikane als in vertikaler Richtung von unten nach oben wendelförmig verlaufender Steg ausgebildet ist und dass der Steg einen Querschnitt mit einer von der Behälterinnenwandung weggerichteten konvexen Wölbung aufweist und als Oval-, Ellipsen- oder Parabelabschnitt oder als Kreisabschnitt ausgebildet ist.
Durch den Deckel mit mindestens einer Öffnung, die von einen einen sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran abgedeckt ist, wird die Gasaustauschrate optimiert.
Durch die Verwendung mindestens einer als Steg ausgebildete Schikane wird beim orbitalen Schütteln des Einwegbioreaktors bzw. des Reagenzbehälters 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 produzierenden Hybridomzellen enthält, wird eine höhere Zelldichte erzielt, was in höheren Produkttitern resultiert. Durch die besondere Querschnittform des Steges ist nicht nur ein scherkraftarmes Schütteln sondern auch eine kostengünstige Herstellung möglich. Durch die im Wesentlichen zylindrische Behälterwandung ist eine kostengünstige Herstellung in einer Spritzform möglich. Durch die zylindrische Behälterwandung ist es zudem möglich, den oder die Stege als separaten Einsatz auszubilden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Steg am Übergang zur Behälterinnenwandung abgerundet ausgebildet.
Dadurch werden auch im Bereich des Steggrundes scharfkantige Ecken vermieden.
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 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.
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

Einwegbioreaktor (1, 1') für die Kultivierung von Zellen in einem Nährstoffmedium, bestehend aus einem mit einem Deckel (3) verschließbaren Reagenzbehälter (2, 2'') mit einer zylindrischen Behälterwandung (6), 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 der Deckel (3) mit mindestens einer Öffnung (19) versehen ist, die von einer einen sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran (21) abgedeckt ist, dass die mindestens eine Schikane (10, 10', 14, 14') als in vertikaler Richtung von unten nach oben verlaufender Steg ausgebildet ist, dass der Steg (10, 10', 14, 14') einen Querschnitt mit einer von der Behälterinnenwandung (7) weggerichteten konvexen Wölbung (11) aufweist und als Oval-, Ellipsen- oder Parabelabschnitt oder als Kreisabschnitt ausgebildet ist.
Einwegbioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10', 14') am Übergang zur Behälterinnenwandung (7') abgerundet ausgebildet ist.
Einwegbioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg wendelförmig ausgebildet ist.
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.
Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
Einwegbioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Stegtiefe (15) zur Stegbreite (16) 1:1 beträgt.
Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steg (10, 10', 14, 14') gegenüber einer Horizontalen (17) um einen Steigungswinkel (18) zwischen 10° und 90° ansteigt.
Einwegbioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (18) zwischen 30° und 60° beträgt.
Einwegbioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (3) mit mindestens fünf Öffnungen (19) unterschiedlicher Größe versehen ist, die zum Behälterinnenraum (20) hin von einer einen sterilen Luftaustausch ermöglichenden Membran (21) abgedeckt sind.