DE102006033326B4

DE102006033326B4 - Kulturgefäß

Info

Publication number: DE102006033326B4
Application number: DE200610033326
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Plettenberg Holger
Original assignee: Individual
Current assignee: Plettenberg Holger 99084 Erfurt De
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2012-03-22
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: DE102006033326A1

Abstract

Kulturgefäß zur Aufzucht von Mikroorganismen oder Zellen bestehend aus einem von Gefäßwänden allseitig umschlossenen Behälter mit mindestens einer verschließbaren Öffnung, wobei in den Gefäßwänden, diese durchragende Lichtleiter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kulturgefäßes auf oder in den Gefäßwänden mindestens eine Lichtleiterstruktur mit einer im Kulturgefäß befindlichen Lichtaustritts- oder Lichteintrittsfläche ausgebildet ist, wobei die Lichtleiterstrukturen die Gefäßwände einstückig nach außen durchdringen und auch in ihrer Längserstreckung einstückig an oder in den Gefäßwänden ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kulturgefäß zur Aufzucht von Mikroorganismen oder Zellen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine solche Kultivierung erfolgt unter anderem zu dem Zweck, Zellen selbst, Teile von ihnen oder deren Stoffwechselprodukte zu gewinnen. Die Behälter, in denen die Kultivierung unter möglichst optimalen Bedingungen in Nährmedien erfolgt, werden auch als Bioreaktoren oder Fermenter bezeichnet. Nachfolgend wird stellvertretend der Begriff Kulturgefäß verwendet.
Stand der Technik
Neben den Systemkomponenten für Temperierung, Vermischung, Belüftung, Probenentnahme usw. kommen bei der Steuerung und sensorischen Überwachung des Kultivierungsvorganges auch optische Messverfahren zum Einsatz. So kann neben einer Vielzahl physikalischer und chemischer Eigenschaften zum Beispiel die Zelldichte als Maß für den Wachstumsstand der Zellkultur durch die Bestimmung optischer Eigenschaften ermittelt werden. Die spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Substanz können beispielsweise über die Messung der Absorption, Streuung, Reflexion oder Fluoreszenz einer Strahlung bestimmt werden. Als Strahlung kommt dabei Licht zum Einsatz, wobei Licht im Nachfolgenden für den erweiterten visuellen Bereich, also vom Ultraviolett (UV 200 nm bis ca. 350 nm) bis zum nahen Infrarot (NIR 759 nm bis ca. 2500 nm) steht.
In den Kulturgefäßen sind optische Messungen nur auf zwei Wegen möglich, nämlich durch optisch transparente Bereiche der Wände des Kulturgefäßes oder durch zusätzlich in das Kulturgefäß eingebrachte optische Sonden. Bei einer Messung durch die Wand ist der Strahlengang durch die Geometrie und die optischen Eigenschaften des Kulturgefäßes festgelegt. So gibt zum Beispiel die kleinste Abmessung des Kulturgefäßes die kürzeste mögliche Weglänge für Transmissionsmessungen vor. Beim Einbringen von optischen Sonden bedarf es einer Öffnung des Kulturgefäßes, was die Gefahr einer Kontamination mit sich bringt. Insbesondere für die automatisierte Anwendung im Laborbereich ist diese Methode durch die komplizierte Handhabung der Sonden ungeeignet.
Unter anderem aus den DE 36 00 634 A1 und EP 456 630 A1 sind Kulturgefäße bekannt, bei denen Lichtleiter in das Gefäßinnere ragend in die Wandungen der Gefäße eingesetzt sind, wodurch entsprechende Abdichtmaßnahmen erforderlich sind. Bei der Lösung nach EP 0 709 454 A2 sind Lichtleiter in Gefäßwandungen ausgebildet, wobei die Lichtleiter jeweils unmittelbar hinter der Gefäßwand enden. Aus der DE 196 46 505 A1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung von Untersuchungen an Zellproben bekannt, bei welcher zwischen den Elektroden eines Interdigitalkondensators Lichtleiter vorgesehen sind und die Auswertung des einen Lichtleiter durchlaufenden Lichts über im zu untersuchenden Substrat angeordnete Lichtdetektoren erfolgt. Die Anordnung der Detektoren/Sensoren im Substrat, also im Inneren des Behältnisses, schränkt den Einsatz höherwertiger Auswerteelektronik deutlich ein.
Aufgabenstellung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein einfach herstellbares gattungsgemäßes Kulturgefäß zu schaffen, mit dem unterschiedlichste optische Eigenschaften, wie zum Beispiel Absorption, Streuung und Reflexion unabhängig von der eigentlichen äußeren Geometrie des Kulturgefäßes messbar sind, wobei ein Öffnen des Kulturgefäßes nicht notwendig ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Kulturgefäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass die erfindungsgemäßen Kulturgefäße sehr kostengünstig herstellbar sind und eine äußerst kompakte Ausbildung aufweisen, da die das Licht durch Totalreflexion leitenden und die Gefäßwände durchragenden Lichtleiter schon bei der Herstellung der Kulturgefäße in den gewünschten Anordnungen und Strukturen auf oder in den Gefäßwänden ausgebildet werden. Eine Ausbildung auf dem Boden des Kulturgefäßes bietet sich dabei besonders an. Insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Anwendung in der teil- oder vollautomatisierten Produktion von biologischen Materialien, wo derartige Kulturgefäße wie Verbrauchsmaterial eingesetzt werden, sind diese Vorteile von großer Bedeutung. Aber auch anwendungstechnisch bietet die Erfindung wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. So ist es konstruktiv einfach möglich, einen Messpunkt oder mehrere Messpunkte in einem Kulturgefäß zu realisieren, wobei Licht an jede beliebige Stelle an der Gefäßwand transportiert und dort detektiert werden kann. Durch das Anordnen von unterschiedlichen Lichtleiterstrukturen schon bei der Herstellung der Kulturgefäße ist es auf einfache Weise möglich, Messpunkte für Reflexionsmessungen, Transmissionsmessungen oder Streulichtmessungen auszubilden. Speziell bei Strukturen für Transmissionsmessungen können in einem Kulturgefäß Lichtleiterstrecken mit unterschiedlichen Weglängen realisiert werden. Bei Strukturen für die Streulichtmessung ist eine Anordnung der Lichtleiterstrukturen in unterschiedlichen Winkeln möglich. Durch die Ausbildung der Lichtleiterstrukturen an den Behälterwänden können diese bei möglichen späteren Probenentnahmen oder Entleerungsvorgängen nicht störend wirken.
Gegenüber bekannten Lösungen, bei denen die Messung indirekt durch die Gefäßwandung erfolgt, ist mit der erfindungsgemäßen Lösung die Realisierung von Lichtleiterstrecken möglich, bei denen die wirksamen Strahlengänge unabhängig von den Abständen der Gefäßwandungen, deren optischen Eigenschaften, wie zum Beispiel Dicke, Material, Parallelität und Beschaffenheit der Oberflächen, gewählt werden können.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Die schematischen Darstellungen in den Figuren zeigen:
1 ein herkömmliches Kulturgefäß
2 und 3 Kulturgefäße für die Transmissionsmessung
4 ein Kulturgefäß für die Reflexionsmessung
5 ein Kulturgefäß für die Streulichtmessung
Bei den in den 2 bis 5 schematisch dargestellten Kulturgefäßen 1 sind jeweils auf dem Boden 3 die Wandungen des Kulturgefäßes 1 durchdringende Strukturen für die Lichtleiter 6 und 7 ausgebildet. Durch diese Lichtleiter 6 und 7 kann Licht durch Totalreflexion geleitet werden, wobei die Strukturen für die Lichtleiter 6 und 7 schon beim Spritzguss oder aber auch durch Fräsen oder andere Formgebungsverfahren erzeugt werden können. Die auf diese Weise einstückig mit den Kulturgefäßen 1 ausgebildeten Lichtleiter 6 und 7 sind optisch über flexible Lichtleiter 8 und 9 mit der Lichtquelle 4 sowie dem Detektor 5 verbunden. Die Lichtleiter 6 und 7 bestehen also aus einem transparenten, lichtdurchlässigen Material, wie Glas oder Kunststoff. Die Brechzahl ist dabei auf der Achse maximal und nimmt nach außen hin ab. Die Abnahme erfolgt dabei entweder sprunghaft (Stufenindexfaser) oder allmählich (Gradientenindexfaser).
Die Lichtleitertechnologie basiert dabei auf der geschickten Ausnutzung von Totalreflexion und Interferenz. Trifft ein Lichtstrahl unter einem Winkel Φ1 auf die Grenzschicht zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen n1 und n2, so wird er beim Eintritt in das Medium mit niedrigerer Brechzahl gebrochen. Im allgemeinen haben flüssige Medien eine geringere Brechzahl als Glas oder optisch transparente Kunststoffe so dass in den meisten Gefäßen diese Voraussetzung gegeben ist. Sollten diese Bedingungen nicht gegeben sein, können sie zum Beispiel durch Beschichtung oder Lackierung der Oberflächen der Lichtleiter hergestellt werden.
Das in 1 dargestellte klassische Kulturgefäß 1 weist einen von Gefäßwänden umschlossenen Raum auf, der durch eine Öffnung 2 befüllbar und hermetisch verschließbar ist.
2 zeigt ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kulturgefäß 1, bei welchem auf dem Boden 3 bzw. in diesen teilweise integriert eine Lichtleiterstrecke für eine Transmissionsmessung ausgebildet ist. Die Lichtleiterstrecke wird dabei durch den das Licht aussendenden Lichtleiter 6 und den das Licht empfangenden Lichtleiter 7 gebildet. Der Abstand der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 6 und der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters 7 ist auf die jeweilige Messaufgabe abgestimmt. Die äußeren Enden der Lichtleiter 6 und 7 sind jeweils zum Beispiel über flexible Lichtleiter 8 und 9 mit der Lichtquelle 4 bzw. dem Detektor 5 verbunden, wobei auch ein direkter Anschluss von Lichtquelle 4 und Detektor 5 an den äußeren Enden der Lichtleiter 6 und 7 möglich ist.
Im Detektor 5 erfolgt dann die Auswertung der Messung zum Beispiel mit spektrometrischen Mitteln. Durch diese Anordnung kann zum Beispiel eine Reaktion oder Fermentation im Kulturgefäß ohne Probenentnahme von außen messtechnisch erfasst werden. Die Ausbildung und Ankopplung der flexiblen Lichtleiter 8 und 9 ist im Ausführungsbeispiel ebenfalls nur schematisch dargestellt und erfolgt in der Praxis mit in der Optoelektronik üblichen Mitteln.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ebenfalls ein Kulturgefäß 1 speziell für eine Transmissionsmessung ausgebildet, wobei hier vier Lichtleiterstrecken durch die vier Lichtleiter 6 und die vier Lichtleiter 7 gebildet werden, jedoch sind die innenliegenden Enden der Lichtleiter 6 und 7 jeweils unterschiedlich voneinander beabstandet. Auf diese Weise sind Transmissionsmessungen möglich, die an den jeweiligen Wachstumszustand der Zellkultur angepasst sind.
4 zeigt ein Kulturgefäß 1, bei welchem ein Lichtleiter 6 und ein Lichtleiter 7 parallel nebeneinander und in gleicher Länge ausgebildet sind. Das bedeutet, die Lichtaustrittsfläche und die Lichteintrittsfläche befinden sich in einer Ebene. Diese Anordnung dient zum Erfassen der Eigenschaften der Zellkultur durch Reflexionsmessung.
Für Messungen mittels der Erfassung des Streulichtes ist die Anordnung gemäß 5 vorgesehen, bei welcher die Lichtleiter 6 und 7 in einem Winkel von 90° zueinander ausgebildet sind.
In nicht dargestellten Ausführungen kann auch ein Licht einleitender Lichtleiter 6 korrespondierend zu mehreren Licht empfangenden Lichtleitern 7 angeordnet sein. Mit einem Lichtleiter 6 und mehreren Lichtleitern 7 können somit unterschiedliche Lichtleiterstrecken gebildet werden. Durch eine solche Anordnung werden auf einfache Weise unterschiedliche Messbedingungen zum Beispiel für die Reflexionsmessung und die Streulichtmessung realisiert.
Bezugszeichenliste

1: Kulturgefäß
2: Öffnung
3: Boden
4: Lichtquelle
5: Detektor
6: Lichtleiter
7: Lichtleiter
8: Lichtleiter
9: Lichtleiter

Claims

Kulturgefäß zur Aufzucht von Mikroorganismen oder Zellen bestehend aus einem von Gefäßwänden allseitig umschlossenen Behälter mit mindestens einer verschließbaren Öffnung, wobei in den Gefäßwänden, diese durchragende Lichtleiter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kulturgefäßes auf oder in den Gefäßwänden mindestens eine Lichtleiterstruktur mit einer im Kulturgefäß befindlichen Lichtaustritts- oder Lichteintrittsfläche ausgebildet ist, wobei die Lichtleiterstrukturen die Gefäßwände einstückig nach außen durchdringen und auch in ihrer Längserstreckung einstückig an oder in den Gefäßwänden ausgebildet sind.
Kulturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Kulturgefäßes mehrere Lichtleiterstrukturen ausgebildet sind, wovon mindestens zwei Lichtleiterstrukturen über im Kulturgefäß befindliche Lichtaustritts- und Lichteintrittsflächen korrespondierend angeordnet sind.
Kulturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterstrukturen an den Außenseiten der Gefäßwände in flexible Lichtleiter übergehen oder mit solchen koppelbar sind.
Kulturgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Gefäßes, direkt an den Stellen, an denen die Lichtleiterstrukturen die Gefäßwände durchdringen, Lichtquellen oder Detektoren angeordnet sind.
Kulturgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von korrespondierenden Lichtleiterstrukturen angeordnet sind.
Kulturgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleiterstruktur korrespondierend zu mehreren Lichtleiterstrukturen angeordnet ist.