DE102008010427B4

DE102008010427B4 - Bioreaktor

Info

Publication number: DE102008010427B4
Application number: DE102008010427A
Authority: DE
Inventors: Jens Ludwig; Oscar-Werner Dr. Reif; Gerhard Dr. Greller; Jürgen van den Boogaard
Original assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-02-22
Also published as: US9255244B2; EP2247711A2; WO2009103450A2; EP2247711B1; WO2009103450A3; DE202009001372U1; DE102008010427A1; US20110003374A1

Abstract

Bioreaktor (1) mit einem Behälter (2), einem Wellengehäuse (3) zur Durchführung einer Welle (5) durch eine Wandung (7), einem im Innenraum (9) des Behälters (2) mit der Welle (5) verbundenem Rührer (6), einem außerhalb des Behälters (2) angeordneten, mit der Welle (5) verbindbaren Antrieb (4), wobei die Welle (5) in dem Wellengehäuse (3) über mindestens ein Kugellager (23) gelagert und durch mindestens eine Dichtung (11, 20) gegenüber dem Wellengehäuse (3) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dichtung (11, 20) als ein Radialwellendichtring (28) mit zwei in Längsrichtung der Welle (5) hintereinander angeordneten, auf der Welle (5) trocken laufbaren Dichtlippen (30, 31) ausgebildet ist,
dass der Radialwellendichtring (28) zum Innenraum (9) des Behälters (2) hin eine geschlossene Stirnfläche (29) aufweist, die in radialer Richtung in eine als Schutzlippe ausgebildete Dichtlippe (30) übergeht, und
dass der Radialwellendichtring (28) zum außenliegenden Antrieb (4) hin eine Dichtlippe (31) aufweist, die von...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor mit einem Behälter, einem Wellengehäuse zur Durchführung einer Welle durch eine Wandung, einem im Innenraum des Behälters mit der Welle verbundenem Rührer, einem außerhalb des Behälters angeordneten, mit der Welle verbindbaren Antrieb, wobei die Welle in dem Wellengehäuse über mindestens ein Kugellager gelagert und durch mindestens eine Dichtung gegenüber dem Wellengehäuse abgedichtet ist.
Bioreaktoren mit einem Behälter mit einer flexiblen Wandung werden insbesondere als Einweg-Bioreaktoren in der Pharmazie und Biotechnologie zunehmend häufig verwendet.
Stand der Technik
Aus der US 2006/0280028 A1 ist ein Bioreaktor mit einem eine flexible Wandung aufweisenden Behälter bekannt, durch dessen Wandung eine Welle zum Antrieb eines in dem Innenraum des Behälters angeordneten Rührers hindurchgeführt wird. Ein Wellengehäuse ist über einen Dichtungsflansch mit der flexiblen Wandung verbunden. Die Welle ist in dem Wellengehäuse über zwei Kugellager gelagert. Die Welle weist einen radial angeordneten flachen Dichtungsbund auf, der in einem Absatz des Wellengehäuses angeordnet ist. Die den Innenraum des Behälters abgewandte äußere, ringförmige Stirnfläche ist gegenüber einer Grundfläche des Absatzes durch eine Lippendichtung angedichtet. Die den Innenraum des Behälters zugewandte innere ringförmige Stirnfläche des Bundes wird gegenüber dem verrasteten Bodenteil des Wellengehäuses durch zwei koaxial zueinander angeordnete Lippendichtungen abgedichtet.
Nachteilig dabei ist, dass der Aufbau des Wellengehäuses in Verbindung mit den Dichtungen relativ aufwendig und kostenintensiv und zudem relativ voluminös ist.
Weiterhin ist aus der US 2005/0239199 A1 ein Bioreaktor mit einem eine flexible Wandung aufweisenden Behälter bekannt, in dem über ein mit der flexiblen Wandung verbundenes Wellengehäuse eine Welle durch die flexible Wandung in den Innenraum des Behälters drehbar geführt wird. In der innenraumseitigen Öffnung des Wellengehäuses wird die Welle dabei von einer an ihr angeordneten radial abstehenden, ringförmigen Scheibe geführt, die gegenüber einem Absatz des Wellengehäuses durch zwei koaxial angeordnete Lippendichtungen abgedichtet ist.
Auch diese Vorrichtung weist die oben genannten Nachteile auf.
Aus der EP 1 156 242 A2 ist ein Radialwellendichtring mit zwei Dichtlippen bekannt, bei dem die auf der Hydraulikseite liegende Dichtlippe durch eine Ringwendelfeder an die abzudichtende Welle gedrückt wird.
Nachteilig dabei ist, dass diese Dichtungen als in Hydraulikflüssigkeit laufende Dichtungen bzw. mindestens als geschmiert laufende Dichtungen, in denen der Zwischenraum zwischen den Dichtlippen als Schmiermitteldepot genutzt wird, ausgebildet sind.
Weiterhin ist aus der WO 2005/108546 A2 ein Bioreaktor mit einem Behälter, einem Wellengehäuse zur Durchführung einer Welle durch eine Wandung, einem im Innenraum des Behälters mit der Welle verbundenen Rührer und einem außerhalb des Behälters angeordneten mit der Welle verbundenen Antrieb bekannt. Die Welle ist in dem Wellengehäuse über ein Gleitlager gelagert und durch Dichtungen bzw. O-Ring-Dichtungen abgedichtet.
Nachteilig bei derartigen O-Ring-Dichtungen ist, dass sie zum Erzielen einer relativ hohen Dichtwirkung bzw. Sicherheit gegen Undichtigkeiten relativ stark deformiert werden, was zu einer relativ hohen Reibung führt.
Aus der DE 33 13 081 C2 ist ein Rührer zum Belüften von Massenkulturen von Mikroorganismen in Fermentern bekannt. Zur Abdichtung der Rührerwelle gegenüber einem Rührergehäuse wird ein nicht weiter beschriebener Dichtungsring verwendet. Im Querschnitt ist dieser bekannte Dichtungsring zur Welle hin keilförmig ausgebildet.
Auch der aus der DE 33 13 081 C2 bekannte Dichtring hat den Nachteil, dass er nur bei relativ hoher Flächenpressung sicher abdichten kann.
Aus der DE 10 2004 025 355 A1 ist eine Radialwellendichtring für eine durch eine Gehäusewandung geführte Welle bekannt, wie sie insbesondere bei Kühlmittelpumpen verwendet wird, wobei die Dichtung aus einem Versteifungskörper und einem daran anvulkanisierten Dichtelement besteht. Das Dichtelement hat zwei zur Welle und zum abzudichtenden Innenraum gerichtete hintereinander liegenden Dichtlippen bei denen die Überdeckung der innen liegenden primären Dichtlippe größer ist als die Überdeckung UA der außen liegenden sekundären Dichtlippe. Dabei ist die dickere primäre Dichtlippe, wie im weiteren bekannten Stand der Technik üblich, zu dem Innenraum hin, also zu der mit Druck beaufschlagten Seite hin angeordnet. Die sekundäre Dichtlippe, die im Stand der Technik einer Schutzlippe entspricht, ist bei der DE 10 2004 025 355 A1 in bekannter Weise zur Außenseite hin angeordnet. Allerdings ist die sekundäre Dichtlippe nicht zur Außenseite hin gerichtet sondern zum Innenraum hin. Dies hat den Nachteil, dass Verunreinigungen von außen eindringen können. Um dies zu verhindern, wird eine Laufhülse verwendet, die einen radial ausgerichteten Bund aufweist, der eine Art Schleuderscheibe darstellen soll, die Verunreinigungen von der Dichtung weghält.
Auch aus der DE 198 08 280 A1 sind zwei hintereinander auf einer Welle angeordnete Radialwellendichtringe bekannt. Dabei ist die Dichtlippe, die von einem Federring dichtend gegen eine Wellenoberfläche gedrückt wird, nach innen hin zu der Druckseite und eine der Dichtlippe vorgelagerte Schmutzlippe nach außen zur Atmosphärenseite hin angeordnet.
Aus der EP 0 191 894 B1 ist ebenfalls ein Radialwellendichtring bekannt, dessen Dichtlippe von einem Federring gegen eine eine Welle umgebende Schonhülse gedrückt wird. Zur Atmosphärenseite hin sind der Dichtlippe bzw. dem Lippenring zwei Staublippen vorgelagert.
Aus der US 2005/0001384 A1 ist ein Wellendichtungsmodul zum Abdichten von Vakuumräumen bekannt. Dabei wird Wellendichtungsmodul zum Abdichten einer Welle, die von einem Normaldruckraum aus drehend antreibbar in einen Vakuumraum hineinreicht, vorgeschlagen. Wesentlich für das bekannte Wellendichtungsmodul ist, dass die dynamische Abdichtung der Welle nicht an der Welle selbst erfolgt, sondern an einer drehbar in einem Gehäuse gelagerten Buchse, durch welche die Welle hindurchgeführt ist und die auf der Welle durch elastische Ringe statisch abgedichtet im Reibschluss gehalten ist, so dass sich die Buchse mit der Welle dreht. Die dynamische Abdichtung zwischen Buchse und Gehäuse übernehmen mehrere Radialwellendichtringe, deren Anordnung so getroffen ist, dass zwischen ihnen ein Vorvakuumraum mit Zwischenabsaugung vorgesehen, so dass eine zweistufige dynamische Abdichtung vorhanden ist. Die aus der US 2005/0001384 A1 bekannten Radialwellendichtringe weisen dabei jeweils nur eine Dichtlippe auf.
Nachteilig dabei ist, dass für eine einwandfreie Abdichtung noch ein Vorvakuumraum notwendig ist, der zu einer relativ aufwendigen und teuren Abdichtung führt.
Aus der US 5,509,667 A ist eine Dichtungsanordnung zur Abdichtung eine durch eine Gehäusewandung geführten Welle bekannt. Die Dichtungsanordnung besteht dabei im Wesentlichen aus einem Radialwellendichtring und einem integrierten Wälzlager, wobei der Radialwellendichtring die relativ zur Gehäusewandung rotierende Welle dynamisch abdichtet. Die dynamische Abdichtung der Welle wird durch die unter radialer Vorspannung stehende Dichtlippe und eine Hilfsdichtlippe bewirkt, die die abzudichtende Welle umfangsseitig dichtend berühren. Die Hilfsdichtlippe ist der Dichtlippe in axialem Abstand benachbart zugeordnet, wodurch ein Hohlraum begrenzt wird, der zum Schutz der Dichtlippe mit Fett befüllbar ist. Damit ist die unter radialer Vorspannung stehende Dichtlippe zum abzudichtenden Medium hin anzuordnen, während die Hilfsdichtlippe der Dichtlippe der dem abzudichtenden Medium abgewandten Seite in axialer Richtung benachbart zugeordnet ist.
Aus der US 5,211,406 A ist eine Dichtungsanordnung in Kassettenbauweise bekannt. Um die Dichtungsanordnung watfähig zu machen, besteht eine innere Dichtungsgarnitur aus einem Radialwellendichtring mit zwei federbelasteten Dichtlippen. Der Raum zwischen den beiden Dichtlippen wird dabei mit Fett gefüllt. So genannte Schutzlippen sind an einer äußeren Dichtungsgarnitur angeordnet. Auch hier sollen die Schutzlippen zur Schmutzseite hin und die unter radialer Federspannung stehenden Dichtlippen zur Ölseite hin angeordnet werden.
Die aus der US 5,211,406 A bekannte Lösung ist zudem relativ aufwendig und teuer.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Bioreaktor mit einem Behälter zur Verfügung zu stellen, bei dem die Wellendurchführung durch eine Wandung, die beispielsweise flexibel ausgebildet ist, bei kompakter Bauweise einfach und kostengünstig und trotzdem flüssigkeits- und gasdicht erfolgt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Dichtung als ein Radialwellendichtring mit zwei in Längsrichtung der Welle hintereinander angeordneten, auf der Welle trocken laufbaren Dichtlippen ausgebildet ist, dass der Radialwellendichtring zum Innenraum des Behälters hin eine geschlossene Stirnfläche aufweist, die in radialer Richtung in eine als Schutzlippe ausgebildete Dichtlippe übergeht, und dass der Radialwellendichtring zum außenliegenden Antrieb hin eine Dichtlippe aufweist, die von einem Federring dichtend gegen die Wellenoberfläche gedrückt wird.
Überraschender Weise hat sich gezeigt, dass bei Verwendung einer Radialwellendichtung mit zwei Lippen, wie sie zur Abdichtung von Ringspalten gegenüber rotierenden Wellen zwischen einer unter Druck stehenden Hydraulikseite und einer Atmosphärenseite im Nasslauf bzw. unter Schmierung der Dichtlippe bekannt sind, im vorliegendem Fall auch bei trocken laufenden Dichtlippen eine ausreichende Gas- und Flüssigkeitsabdichtung ermöglichen. Durch den Trockenlauf kann auf den Reaktorinhalt kontaminierende bzw. mit dem Reaktorinhalt reagierende Schmierstoffe verzichtet werden. Durch die Verwendung des mindestens einen Radialwellendichtringes kann an der Welle auf einen scheibenförmigen speziellen Dichtbund verzichtet werden. Das Wellengehäuse mit der Welle kann somit einfacher und kostengünstiger sowie kompakter ausgebildet sein.
Die von dem Einsatz eines Radialwellendichtrings in der Hydraulik bekannte Schutzlippe wird nicht auf der Atmosphärenseite sondern auf der Druckseite eingesetzt, d. h. der Radialwellendichtring wird gegenüber seiner bekannten Einsatzweise um 180° gedreht eingesetzt und erzielt dennoch die erwünschte gas- und flüssigkeitsdichte Abdichtung. Die erste als Schutzlippe ausgebildete Dichtlippe hält Partikel aus dem Innenraum des Behälters ab und schützt die zweite Dichtlippe vor die Abdichtung beeinträchtigenden Partikeln.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Längsrichtung der Welle eine der ersten Dichtung benachbarte zweite Dichtung angeordnet. Dadurch, dass die beiden Dichtungen nicht in radialer Richtung koaxial zueinander, sondern in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, bleibt die Kompaktheit des Wellengehäuses im Wesentlichen erhalten. Die Dichtwirkung der beiden hintereinander angeordneten Radialwellendichtringe wird dabei erhöht.
Das dem Rührer bzw. dem Innenraum des Behälters abgewandte freie Ende der Welle ist an einer Antriebswelle eines Motors des Antriebs ankoppelbar. Dabei kann das freie Ende der Welle über ein Spannfutter an die Antriebswelle angekoppelt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Welle in ihrer Längsrichtung über den Sitz des Kugellagers fixiert, wobei das Kugellager in einem Absatz des Wellengehäuses angeordnet ist und über einen in einer Ringnut des Wellengehäuses angeordneten Sprengring in seiner Lage gesichert ist.
Insbesondere bei Verwendung des Bioreaktors als Einmalbeutel ist es möglich, auch das Wellengehäuse einschließlich Kugellager, Welle und Wellendichtring aus Kunststoff auszubilden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
Kurzbeschreibungen der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Seitenansicht eines Bioreaktors,
2: eine Seitenansicht des Wellengehäuses von 1 in vergrößerter Darstellung im Ausriss,
3: eine Seitenansicht im Schnitt und Ausriss eines Wellendichtringes und
4: eine räumliche Darstellung eines Wellengehäuses.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Ein Bioreaktor 1 besteht im Wesentlichen aus einem Behälter 2, einem Wellengehäuse 3, einem Antrieb 4, einer Welle 5 und einem Rührer 6.
Der Behälter 2 weist eine flexible Wandung 7 auf, die in vertikaler Richtung oben zur Durchführung der Welle 5 fest mit dem Wellengehäuse 3 verbunden ist. Das Wellengehäuse 3 ist topfförmig ausgebildet und ragt mit seinem einen Boden 8 aufweisenden Unterteil in einen Innenraum 9 des Behälters 2 hinein. Der Boden 8 weist eine Durchlassöffnung 10 für die Welle 5 auf und bildet ein Stützlager für eine erste Dichtung 11, die mit ihrer Stirnfläche 12 auf den Boden 8 aufliegt. Das Wellengehäuse 3 weist eine zylinderförmige Außenwandung 13 mit einem radial umlaufenden, flachen Bund 14 auf, der mit der benachbarten, flexiblen Wandung 7 des Behälters 2 verbunden ist. Die Verbindung kann beispielsweise durch Verkleben oder Ultraschallschweißen erfolgen.
An seinem dem Boden 8 abgewandten oberen Rand weist das Wellengehäuse 3 einen Flansch 15 mit einer Ringnut 16 zur Aufnahme einer Flanschdichtung 17 auf. An den Flansch 15 ist der Antrieb 4 mit einem Flansch 18 anflanschbar. Zur Verbindung mit der Welle 5 weist der Antrieb 4 ein Kupplung 19 auf. In Längsrichtung der Welle 5 ist der ersten Dichtung 11 eine zweite Dichtung 20 benachbart angeordnet. Die beiden Dichtungen 11, 20 sind dabei in einem unteren Absatz 21 des Wellengehäuses 3 angeordnet, der in vertikaler Richtung nach unten von dem Boden 8 begrenzt wird. Dem unteren Absatz 21 ist im Wellengehäuse 3 ein in vertikaler Richtung nach oben zweiter Absatz 22 zur Aufnahme eines Kugellagers 23 vorgelagert. Den zweiten Absatz 22 benachbart weist das Wellengehäuse 3 eine Ringnut 24 auf, in der ein das Kugellager 23 fixierender Federring bzw. Sprengring 25 eingesetzt ist. Die Welle 5 weist einen umlaufenden Bund 26 auf, der als Anschlag für das auf ihr fest angeordnete Kugellager 23 dient. Über das Kugellager 23 und den Springring 25 wird die Welle 5 somit an dem Wellengehäuse 3 in ihrer Längsrichtung fixiert. Der Rührer 6 ist über seinen Schaft 27 mit der ihn antreibenden Welle 5 verbunden. Dabei kann der Schaft 27 zur Anpassung an unterschiedliche Behältergrößen mehrteilig ausgebildet sein. Die Dichtungen 11, 20 sind als ein Radialwellendichtring 28 ausgebildet. Der Radialwellendichtring 28 weist in vertikaler Richtung unten die Stirnfläche 29 auf. In radialer Richtung geht die Stirnfläche 29 in eine erste Dichtlippe 30 über, die bei hydraulischen Anwendungen eine Art dichtende Schutzlippe bildet. Der ersten Dichtlippe 30 schließt sich in vertikaler Richtung nach oben eine zweite Dichtlippe 31 an, die von einem Federring 32 dichtend gegen die Wellenoberfläche 33 der Welle 5 gedrückt wird. Die Stirnfläche 29 und die dem Wellengehäuse 3 zugewandte parallel zur Welle 5 verlaufende Außenwandung 34 des Radialwellendichtringes 28 weisen nach innen vorgelagert eine kappenförmige Verstärkung 35 auf.

Claims

Bioreaktor (1) mit einem Behälter (2), einem Wellengehäuse (3) zur Durchführung einer Welle (5) durch eine Wandung (7), einem im Innenraum (9) des Behälters (2) mit der Welle (5) verbundenem Rührer (6), einem außerhalb des Behälters (2) angeordneten, mit der Welle (5) verbindbaren Antrieb (4), wobei die Welle (5) in dem Wellengehäuse (3) über mindestens ein Kugellager (23) gelagert und durch mindestens eine Dichtung (11, 20) gegenüber dem Wellengehäuse (3) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (11, 20) als ein Radialwellendichtring (28) mit zwei in Längsrichtung der Welle (5) hintereinander angeordneten, auf der Welle (5) trocken laufbaren Dichtlippen (30, 31) ausgebildet ist, dass der Radialwellendichtring (28) zum Innenraum (9) des Behälters (2) hin eine geschlossene Stirnfläche (29) aufweist, die in radialer Richtung in eine als Schutzlippe ausgebildete Dichtlippe (30) übergeht, und dass der Radialwellendichtring (28) zum außenliegenden Antrieb (4) hin eine Dichtlippe (31) aufweist, die von einem Federring (32) dichtend gegen die Wellenoberfläche (33) gedrückt wird.
Bioreaktor, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (7) des Behälters (2) flexibel ausgebildet ist.
Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Längsrichtung der Welle (5), der ersten Dichtung (11) benachbart, eine zweite Dichtung (20) angeordnet ist.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (11) und die dem Wellengehäuse (5) zugewandte, parallel zur Welle (5) verlaufende Außenwandung (34) des Radialwellendichtringes (28) eine kappenförmige Verstärkung (35) aufweist.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengehäuse (3) topfförmig ausgebildet ist und mit seinem einen Boden (8) aufweisenden Unterteil in den Innenraum (9) des Behälters (2) hineinragt, wobei der Boden (8) eine Durchlassöffnung (10) für die Welle (5) aufweist und ein Stützlager für die mindestens eine Dichtung (11) bildet, die mit ihrer Stirnfläche (12) auf dem Boden (8) aufliegt.
Bioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengehäuse (3) eine zylinderförmige Außenwandung (13) mit einem radial umlaufenden flachen Bund (14) aufweist, der mit der benachbarten flexiblen Wandung (7) des Behälters (2) verbunden ist.
Bioreaktor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellengehäuse (3) an seinem dem Boden (8) abgewandten oberen Rand einen Flansch (15) mit einer Ringnut (16) zur Aufnahme einer Flanschdichtung (17) aufweist und dass an den Flansch (15) ein entsprechender Flansch (18) des Antriebs (4) anflanschbar ist.
Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (5) in ihrer Längsrichtung über den Sitz des Kugellagers (23) fixiert ist, dass das Kugellager (23) in einem Absatz (21) des Wellengehäuses (3) angeordnet ist, und dass das Kugellager (23) über einen in einer Ringnut (16) des Wellengehäuses (3) angeordneten Sprengring (25) in seiner Lage gesichert ist.