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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Bioreaktor nach dem Oberbegriff
des Merkmals 1, sowie ein Verfahren zur Aufzucht von Organismen mit
einem Bioreaktor.
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Die
Inhaltsstoffe von Pflanzen und anderen pflanzenähnlichen Organismen haben in
der Medizin eine nicht gering zu schätzende Bedeutung. Dabei werden
die Inhaltsstoffe von Pflanzen oder die Pflanzen selbst als Ausgangsprodukte,
beispielsweise für die
pharmazeutische Industrie oder für
großtechnische
Pflanzenvermehrer, verwendet. Im Stand der Technik sind verschiedene
Verfahren bekannt, um Organismen dementsprechend zu züchten.
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Hierbei
sind zum einen Rührkesselreaktoren oder
Airliftreaktoren zu nennen. Mit diesen Reaktoren können Mikroben,
Einzeller, Zellgruppen oder Wurzeln in den Reaktoren gezüchtet werden.
Die vorgenannten Reaktoren werden bereits industriell genutzt und
dienen dazu, die vorgenannten Organismen in einer sterilen Umgebung
herzustellen. Jedoch weisen die derart in den Reaktoren gezüchteten
Organismen ein anormales Pflanzenwachstum und anormale Zusammensetzung
von Inhaltsstoffen auf, da diese in einer schwerelosen, und feuchten
Umgebung aufgezogen werden. Dies stellt einen großen Nachteil
dar.
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Eine
weitere Methode zur Aufzucht, beispielsweise von Pflanzen, ist die
so genannte Hydroponik, bei welcher die Pflanzen auf einem Nährboden normal
wachsen und oftmals in einem automatisierten Gewächshaus untergebracht sind.
Aufgrund der Großflächigkeit
ist es jedoch schwierig die Aufzucht der Pflanzen in einem sterilen
Umfeld durchzuführen.
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Für die sterile
Zucht von Pflanzen existiert mit den temporären Immersionsverfahren ein
Verfahren, mit welchem Organismen, insbesondere Pflanzen, sehr einfach
vermehrt werden können.
Es entwickelt sich aus einem Pflanzenblatt bzw. einer Pflanzenprobe
bald eine oder mehrere ganze Pflanzen. Auch die Aufzucht von Pilzen
oder Schwämmen,
Muscheln oder anderen niederen Tierarten ist mit dem Verfahren durchführbar. Die
Pflanzen werden beim temporären
Immersionsverfahren in regelmäßigen Abständen mit
einem Nährmedium
benetzt, wobei das Benetzen mehrmals am Tag für wenige Minuten geschehen
kann. Zwischen dem Benetzen wachsen die Organismen ungestört. Von
daher entwickeln sie dieselben Inhaltsstoffe und Wuchsformen wie
in der Natur. Diese Pflanzen sind als Ausgangsprodukt für die pharmazeutische
Industrie besonders interessant, ebenso wie für großtechnische Pflanzenvermehrer.
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Im
Stand der Technik sind bereits zahlreiche temporäre Immersionsverfahren bekannt.
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Klassischerweise
wird ein temporäres
Immersionssystem in einem Zwillingsglaslayout durchgeführt. Ein
Behälter
weist das Nährmedium
auf, ein Organismenbehälter
die Pflanzen. Um reine ”relativ” großvolumige
Produktionen von Organismen zu ermöglichen wird das Medium aus
dem Medienbehälter
pneumatisch in den Organismenbehälter
transportiert. Hierbei kann der Organismenbehälter bis zu 20 l Volumen aufweisen.
Mittels Rundfilteraufsätzen werden
keimfreie An- und Abkopplungen an eine zeitgesteuerte Pneumatik
möglich.
Aufgrund des genutzten pneumatischen Überdrucks von 0,3 bis 0,5 bar
dürfen
die Gefäße jedoch
nicht zu dünnwandig und
die Anpresskräfte
der Verschlüsse
müssen
dementsprechend hoch sein. Dies limitiert die Größe der Entnahmeöffnung bei
der Pflanzenernte.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Bioreaktor zum
Durchführen
eines temporären
Immersionsverfahrens bereitzustellen, welcher die vorgenannten Nachteile
eines temporären
Immersionssystems verringert. Der Bioreaktor soll dabei auch für eine großindustrielle
Produktion von Organismen geeignet sein.
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Die
Aufgabe wird gelöst
mit einem Bioreaktor nach den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere
Ausführungsformen
sind in den untergeordneten Ansprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Bioreaktor
weist mindestens einen Medienbehälter
und mindestens einen Organismenbehälter zur Zucht von Organismen
auf. Dabei ist der mindestens eine Medienbehälter mit dem mindestens ei nen
Organismenbehälter über ein Röhrensystem
verbindbar oder verbunden. Weiterhin ist eine Hebevorrichtung vorhanden,
wobei die Hebevorrichtung zum Hub des mindestens einen Medienbehälters und/oder
des mindestens einen Organismenbehälters ausgebildet ist.
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Mit
Hilfe der Hebevorrichtung kann entweder der Medienbehälter und/oder
der Organismenbehälter
nach oben bzw. nach unten bewegt werden. Da der mindestens eine
Organismenbehälter
mit dem mindestens einen Medienbehälter über ein Röhrensystem verbunden ist, kann
bei einem sich im Medienbehälter
befindlichen Medium das Medium durch das Röhrensystem in den Organismenbehälter gelangen
ohne dass ein wesentlicher Überdruck
an das System angelegt werden muss. Der Transport des Mediums vom
Medienbehälter
zum Organismenbehälter
bzw. zurück
wird im Wesentlichen durch das Prinzip der kommunizierenden Röhren verwirklicht. Dies
bedeutet, dass, sobald der Medienbehälter über ein gewisses Höhenniveau
des Organismenbehälters
angehoben wird, ein sich im Medienbehälter befindliches Medium zum
Ausgleich durch das Röhrensystem
fließt
und den Organismenbehälter
derart auffüllt,
dass das Füllniveau
zwischen dem Medienbehälter
und dem Organismenbehälter
angeglichen wird. Der einzige anfallende Druck beim Transport des
Mediums ist im Wesentlichen der aufgrund des Höhenunterschieds zwischen dem
Medienbehälter und
dem Organismenbehälter
anfallende Druck.
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Der
Medientransport sowohl vom Medienbehälter zum Organismenbehälter und
vice versa erfolgt daher gravitometrisch. Dies hat unter anderem zur
Folge, dass der mindestens eine Medienbehälter und der mindestens eine
Organismenbehälter
sehr einfach ausgestaltet werden können, da diese nicht länger unter
einem Ü berdruck
stehen. Dies hat unter anderem zur Folge, dass bei der Wahl der
Behältnisse
für das
Medium und die Organismen bislang im Rahmen des temporären Immersionsverfahrens nicht
verwendbare Ausführungsformen
verwendbar werden. Des Weiteren kann auf Pumpen zum Medientransport
verzichtet werden. Dies erleichtert insbesondere die Ansteuerung
und Überwachung
des Bioreaktors, da sich die Anzahl der mechanische Arbeit leistenden
Elemente verringert wird.
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Da
der mindestens eine Medienbehälter
und der mindestens eine Organismenbehälter voneinander getrennt ausgeführt werden,
wird zudem die Modularität
des Bioreaktors erhöht.
Dies bedeutet insbesondere dass der Organismenbehälter bzw.
der Medienbehälter,
beide mit dem entsprechenden Inhalt, im laufenden Betrieb des Bioreaktors
ausgetauscht werden können.
Dies bedeutet beispielsweise, wenn der Medienbehälter sich in einer Position
befindet, in welcher sich das gesamte Medium im Medienbehälter befindet,
der Organismenbehälter,
z. B. da die Pflanzen ausgewachsen sind, gegen einen neuen Organismenbehälter ausgetauscht
werden kann. Im Gegenzug kann bei einem verbrauchten Medium, d. h.
zu einem Zeitpunkt, zu welchem das Medium eine nicht mehr ausreichende
Konzentration von für
das Wachstum der Organismen zuständigen
Nährstoffen aufweist,
gegen einen neuen Behälter
mit einem Medium ausgetauscht werden oder mit einem neuen Medium
befällt
werden kann.
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Wie
bereits anfangs erwähnt,
wird, aufgrund der Tatsache, dass die Behältnisse unter keinem wesentlichen Überdruck
stehen müssen
bzw. diesen aushalten müssen,
eine große
Bandbreite an möglichen
Materialien für
die Behälter
zur Verfügung
gestellt. Dies erstreckt sich von z. B. Beuteln aus dünnen Kunststoffen
bis hin zu standfesten Glasbehältern
oder Edelstahltanks. Der erfindungsgemäße Bioreaktor ist insbesondere
zur sterilen Aufzucht von Organismen, vorzugsweise, Pflanzen, Pilzen, Schwämmen oder
Algen geeignet.
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Im
Weiteren werden verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Bioreaktors
erläutert.
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In
einer Ausführungsform
des Bioreaktors weist der mindestens eine Medienbehälter und/oder der
mindestens eine Organismenbehälter
eine Kupplung bzw. weist das Röhrensystem
eine Kupplung auf, wobei der Medienbehälter mit dem Röhrensystem
bzw. der Organismenbehälter
mit dem Röhrensystem über die
Kupplung verbindbar ist. Mit Hilfe der Kupplungen und insbesondere,
für den
Fall, dass die Kupplungen zudem eine Ventilfunktion aufweisen, können die
einzelnen im Bioreaktor sich befindlichen Behälter getrennt voneinander auf
besonders einfache Art und Weise entnommen werden. Hierbei kommen
beispielsweise Schlauchquetschventile, Schnellkupplungen, Sterilkupplungen
oder ähnliche Ventile
bzw. Kupplungen infrage.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Bioreaktors ist der mindestens eine Organismenbehälter verschließbar, vorzugsweise
wiederverschließbar ausgebildet,
und/oder abgedichtet. Über
die Abdichtung des mindestens einen Organismenbehälters kann
erreicht werden, dass dieser steril gehalten wird und keine unerwünschten
die Aufzucht der Organismen verunreinigenden Mikroorganismen in
den mindestens einen Organismenbehälter eindringen können. Über die
Verschließbarkeit
und Wiederverschließbarkeit
kann erreicht werden, dass ein Behältnis mehrmals zur Aufzucht
von Organismen verwendet werden kann. Als Möglichkeiten zur Verschließbarkeit
bzw. Wiederverschließbarkeit sind
hier beispielsweise Schnappverschlüsse oder Schrauben beispielhaft.
Als Dichtungen können
beispielsweise Quetschdichtungen aus Gummi oder Kunststoff dienen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist dem mindestens einen Organismenbehälter eine Vorrichtung zur Klimatisierung
und/oder eine Vorrichtung zur Belüftung und/oder eine Vorrichtung
zur Beleuchtung zugeordnet. Mit Hilfe einer Vorrichtung zur Klimatisierung
können
die für
das Wachstum der sich in dem Organismenbehälter befindlichen Organismen
die geeigneten Bedingungen eingestellt werden. Dies betrifft beispielsweise
die Luftfeuchtigkeit innerhalb des Organismenbehälters bzw. die Gaszusammensetzung
mit CO2-Anteil, Ethylen-Anteil oder Spurengasen-Anteil,
welche allesamt mittels einer Vorrichtung zur Klimatisierung gesteuert
werden können. Dabei
wird die Vorrichtung zur Klimatisierung vorzugsweise mit dem mindestens
einen Organismenbehälter
direkt verbunden, wobei die Sterilität des Inneren des mindestens
einen Organismenbehälters beispielsweise über Membranen
sichergestellt werden kann. Mit Hilfe einer Vorrichtung zur Belüftung wird,
zusätzlich
zu den bereits oben genannten Parametern eine Zirkulation der sich
innerhalb des mindestens einen Organismenbehälters befindlichen Atmosphäre bewirkt,
wodurch das Wachstum bzw. die Aufzucht der Organismen beschleunigt
bzw. verbessert wird. Vorteilhafterweise ist dem mindestens einen
Organismenbehälter
eine Vorrichtung zur Beleuchtung zugeordnet, so dass sich die in
dem mindestens einen Organismenbehälter befindlichen Organismen
auf geeignete Weise entwickeln können. Dies
kann beispielsweise beinhalten, dass die Vorrichtung einen dem natürlichen
Biotop der Organismen angepassten Tagesablauf simuliert. Hinsichtlich der
Bestrahlung wird vorzugs weise eine Vorrichtung zur Beleuchtung verwendet,
welche sowohl im UVB als auch im UVA als auch im sichtbaren Bereich strahlt.
Vorzugsweise strahlt die Vorrichtung nicht im fernen bzw. mittleren
Infrarot um keine Aufheizung des Inneren des mindestens einen Organismenbehälters zu
bewirken. Bei den Ausführungsformen
einer Vorrichtung zur Klimatisierung und/oder einer Vorrichtung
zur Belüftung
und/oder einer Vorrichtung zum Beleuchten können die vorgenannten Vorrichtungen
jeweils für
einen Organismenbehälter
oder für eine
Vielzahl, d. h. mindestens zwei, Organismenbehälter zuständig sein, d. h. in diesen
die gewünschten Konditionen
herstellt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Bioreaktors ist mindestens ein Regal mit mindestens einem Stellplatz,
vorzugsweise mehreren Stellplätzen vorhanden,
wobei der mindestens eine Organismenbehälter an einem Stellplatz angeordnet
ist. Auf einem derartigen Regal können eine Vielzahl von Organismenbehältern angeordnet
werden. Vorzugsweise werden dabei mehrere Organismenbehälter durch einen
Medienbehälter
versorgt, wobei das Verhältnis größer als
1:4, vorzugsweise größer als
1:10 ist. Weiterhin ist es vorteilhaft wenn das Regal ortsfest ist,
d. h. die Medienbehälter
auf einer ihnen zugeordneten Hebevorrichtung angeordnet sind. Insbesondere durch
die Zuteilung von mehreren Organismenbehältern, welche durch einen Medienbehälter versorgt werden,
wird eine industrielle Produktion der Organismen auf einfache Art
und Weise möglich.
Lediglich die Medienbehälter
müssen
auf und ab bewegt werden, wobei nur bei einem fertig hergestellten
Organismus in einem der Organismenbehälter genau dieser Organismenbehälter ausgetauscht
werden muss. Weiterhin ist die Verwendung eines Regals vorteilhaft,
da an diesem verschiedenste den Organismen behältern zugeordnete Vorrichtungen,
wie beispielsweise eine Vorrichtung zur Belüftung, Klimatisierung oder
Beleuchtung angebracht werden können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist der mindestens eine Organismenbehälter im sichtbaren, vorzugsweise
im sichtbaren und im ultravioletten, Bereich lichtdurchlässig. Hierbei
kommen als Materialien beispielsweise lichtdurchlässige Kunststoffe,
wie Polycarbonat oder Polypropylen oder cyclische Olefin-Copolymere, da diese
eine gute UV Durchlässigkeit
aufweisen, zum Einsatz. Dabei kann der mindestens eine Organismenbehälter aus
einem formgebenden Behälter
bestehen, d. h. einem Behältnis, welches
seine Form nicht ändert,
oder aus einem formlosen Behältnis,
wie beispielsweise einem Beutel.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der mindestens eine Organismenbehälter eine Belüftungsöffnung auf,
durch welche leicht, aufgrund des Eindringens des Mediums vorhandene
Drücke
durch eine Membran ausgeglichen werden können. Hierbei kann die Verbindung
des Belüftungszugangs
mit der Vorrichtung zur Klimatisierung sich besonders vorteilhaft
auswirken.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist dem mindestens einen Organismenbehälter mindestens ein Sensor
zugeordnet, wobei der mindestens eine Sensor Prozessparameter überwacht.
Derartige Prozessparameter beinhalten beispielsweise Licht, d. h. die
auf den Organismenbehälter
auftreffende Lichtmenge und Intensität, der Immersionsgrad durch
das Medium, die Belüftung,
die Temperatur oder die Zusammensetzung der Atmosphäre im Inneren
des Organismenbehälters.
Die Anordnung von mindestens einem Sensor ist dabei vorteilhaft,
um eine spätere Automatisierung
der Überwachung
der Pro zesse durchzuführen.
Zu diesem Zwecke ist es eine weitere Ausführungsform des Bioreaktors,
dass eine Datenverarbeitungsanlage zur Überwachung und/oder Steuerung
von Prozessparametern vorhanden ist. Zusätzlich zu den in diesem Abschnitt
genannten Prozessparametern können
hierbei noch mittels entsprechend angeordneter Sensoren im Medienbehälter oder
im Röhrensystem
der Nährstoffgehalt
des Mediums bzw. der Wachstumsgrad der einzelnen Organismen im Organismenbehälter überprüft werden, wobei
vorteilhafterweise bei einem fertig ausgewachsenen Organismus oder
bei Unregelmäßigkeiten,
wie z. B. einem Lichtausfall, die Datenverarbeitungsanlage ein Signal
oder eine Alarmierung ausgibt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn
die Datenverarbeitungsanlage eine Dokumentation, bezüglich der
herrschenden Prozessparameter und anderer Begleitumstände, aufnimmt.
Auf diese Weise ist es möglich,
den Bioreaktor in einem großen
Maßstab
industriell zu nutzen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist der mindestens eine Organismenbehälter ein Volumen von 10 bis
200 l, vorzugsweise von 20 bis 80 l, besonders vorzugsweise von
30 bis 60 l auf. Diese Größe hat den
Vorteil, dass die Organismenbehälter
leer bzw. mit Organismen bewachsen noch per Hand umgesetzt werden
können.
Auf diese Weise bleibt der Bioreaktor selbst bei nicht durchgeführter Automatisierung
im industriellen Maßstab
interessant. Der Medienbehälter
kann entsprechend der Anzahl der durch ihn zu versorgenden Organismenbehälter ein Volumen
von 10 l bis zu mehr 800 l aufweisen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Hebevorrichtung durch eine Seilwinde oder einen Kran oder
einen Lastenzug gebildet. Notfalls dienen beispiels weise Gabelstapler
oder Hubkarren dahingehend, dass sich bei geringen Ausmaßen des
Bioreaktors, bei welchen sich eine industrielle voll automatisierte
Nutzung noch nicht lohnt, das Verfahren auch vorwiegend manuell
durchgeführt
werden kann bzw. keine permanente Hebevorrichtung vorhanden ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
weist das Röhrensystem
mindestens ein Rohr und/oder einen Schlauch und/oder ein Verzweigungselement
auf. Mit Hilfe von Schläuche,
Rohren und Verzweigungselementen kann ein Medienbehälter eine
Vielzahl von Organismenbehältern
versorgen, bzw. mehrere Medienbehälter mehrere Organismenbehälter zeitgleich versorgen,
oder mehrere Medienbehälter
einen Organismenbehälter
versorgen. Wie bereits vorab erwähnt,
kann das Röhrensystem
Ventile und Kupplungen aufweisen, um bei einer Lösung der Verbindung zum Austausch
entweder des Medienbehälter und/oder
des Organismenbehälters
kein Medium zu verbrauchen bzw. die Sterilität der Anlage nicht zu gefährden. Auch
ist es möglich,
das Röhrensystem mit
festen Rohren auszubilden, wobei hier eine Vorrichtung die Verbindung
zwischen dem Medienbehälter
und dem Rohrsystem bzw. zwischen dem Rohrsystem und dem Organismenbehälter herstellt.
Hierbei könnte
eine Sattelkupplung eingesetzt werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist der Bioreaktor ebenfalls mindestens einen Medienbehälter und
mindestens einen Organismenbehälter auf,
wobei der mindestens eine Medienbehälter mit dem mindestens einen
Organismenbehälter über ein Röhrensystem
verbindbar oder verbunden ist. Zum Transport des Mediums durch das
Röhrensystem wird
jedoch eine Fördervorrichtung
eingesetzt, wobei der Förderdruck
der Fördervorrichtung
einen gravitometrischen Förderdruck nicht übersteigt.
Dies bedeutet, dass der Förderdruck
der Fördervorrichtung
kleiner als 0,1 bar sein muss. Eine vorteilhafte Fördervorrichtung
wäre hierbei
eine Peristaltikpumpe oder eine Vakuumsaugpumpe, da diese geeignet
sind, mit niedrigen Förderdrücken zu
arbeiten.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele genauer erläutert werden. Es
zeigen:
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1a und 1b Ausführungsform
des Bioreaktors und Prinzip der kommunizierenden Röhren;
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2 weitere
Ausführungsform
eines Bioreaktors;
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3 Ausführungen
eines Bioreaktorsystem.
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Anhand
der 1a und 1b soll
die prinzipielle Wirkungsweise des Bioreaktors beschrieben werden.
In der 1a ist ein Bioreaktor 1 mit
einem Medienbehälter 2 und
einem Organismenbehälter 3 dargestellt,
wobei der Medienbehälter 2 und
der Organismenbehälter 3 durch
ein Röhrensystem 4 miteinander
verbunden sind. Dazu wird das Röhrensystem 4 an
eine Kupplung 20 des Medienbehälters 2 und an eine
Kupplung 30 des Organismenbehälters 3 angeschlossen.
Die Kupplungen 20 und 30 erfüllen dabei gleichzeitig eine
Ventilfunktion, d. h. dass die Verbindung zwischen dem Medienbehälter 2 und dem
Röhrensystem 4 bzw.
dem Organismenbehälter 3 und
dem Röhrensystem 4 gelöst werden
kann ohne das Gefahr besteht, dass ein sich in dem Medienbehälter 2 befindliches
Medium 21 austritt.
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Der
Medienbehälter 2 ist
an einer Hebevorrichtung 5 befestigt. Dabei weist die Hebevorrichtung 5 ein
Gestell 50 und ein Seil 51 auf, wobei innerhalb des
Gestells nicht sichtbar eine Seilwinde verläuft, so dass der Medienbehälter 2 in
der Y-Richtung nach oben und nach unten bewegt werden kann. Die
Länge des
Röhrensystems 4 ist
dabei so gewählt,
dass für
die einstellbaren Höhenpositionen
des Medienbehälters 2 stets
eine Verbindung zwischen dem Medienbehälter 2 und dem Organismenbehälter 3 möglich ist.
Das Medium 21 ist zur Immersion von sich in dem Organismenbehälter 3 befindlichen
Organismen gedacht. Es enthält
Nährstoffe,
welche zum Wachstum und zur Aufzucht der Organismen im Organismenbehälter 3 beitragen.
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Der
Medienbehälter 2 besteht
aus einem Hartplastik. Dieses ist lichtdurchlässig. Außerhalb des Medienbehälters 2,
an diesem angeordnet, befindet sich ein Sensor, welcher den Füllstand
des Mediums 21 misst. Die Messung erfolgt von Außen um den
Sterilpfad nicht zu verunreinigen. Alternativ kann der Medienbehälter auch
aus einem lichtundurchlässigen
Plastik oder Stahl bestehen.
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Der
Organismenbehälter 3 besteht
aus Polycarbonat. Dies ist insbesondere im sichtbaren und UVA-/UVB-Bereich lichtdurchlässig, so
dass der sich in dem Organismenbehälter 3 befindende
Organismus auch Inhaltsstoffe produziert, welche lediglich unter
Einfluss von ultravioletten Strahlen produziert werden.
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Der
Organismenbehälter 3 ist
gegenüber
der dargestellten Stellung des Medienbehälters 2 in Y-Richtung
erhöht
auf einem Regal 6 angeordnet. Das Regal weist hierbei die
Form eines Schemels auf, wobei die Höhe des Schemels derart gewählt ist, dass
bei am Boden B stehendem Medienbehälter 2 das sich in
dem Medienbe hälter 2 befindliche
Medium 21 einen Füllstand
F1 aufweist, welcher sich auf einer vom Boden ab gemessenen Höhe H1 befindet. Der
Organismenbehälter 3 ist
derart angeordnet, dass der Boden bzw. die Kupplung 30 des
Organismenbehälters 3 in
Y-Richtung oberhalb der Höhe
H sitzt. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass in der dargestellten
Position des Medienbehälters 2 und
des Organismenbehälters 3 sich
kein Medium 21 im Organismenbehälter 3 befindet.
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In
der 1b ist der Medienbehälter 2 in einer anderen
Position dargestellt. Der Medienbehälter wurde mit Hilfe des Seils 51 und
der nicht sichtbaren Seilwinde in Y-Richtung nach oben gezogen.
Bei dem Nachobenziehen läuft
das Medium 21 durch das Röhrensystem 4 über die
Kupplung 30 in den Organismenbehälter 3 und immersiert
die darin befindlichen Organismen. Durch das Anheben des Medienbehälters 2 sinkt
die relative Füllhöhe im Medienbehälter 2 auf
den Füllstand
F2. Absolut über
dem Boden B betrachtet befindet sich der Füllstand F2 auf einer Höhe H2. Die
Höhe H2
befindet sich dabei auf einem Höhenniveau
oberhalb des Bodens bzw. der Kupplung 30 des Organismenbehälters 3,
so dass dieser einen Füllstand
F3 aufweist, wobei der Füllstand
F3 im Wesentlichen durch die Differenz zwischen der Höhe H2 und
dem Regal 6 gebildet wird.
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Das
in den 1a und 1b beschriebene Prinzip
zur Immersion wird als das Prinzip der kommunizierenden Röhren umschrieben.
Um das Medium 20 wieder aus dem Organismenbehälter 3 zu
entfernen wird der Medienbehälter 2 wieder
auf die in der 1a gezeigte Position abgelassen.
Der aufgrund des Einströmens
des Mediums 21 in den Organismenbehälter 3, wie dieses
in einem Zustand zwischen dem in der 1a und
in der 1b dargestellten Zuständen stattfindet,
auftre tende Druck ist äußerst niedrig.
Dadurch, dass sich aufgrund der hydrostatischen Gesetzmäßigkeiten
sowohl im Medienbehälter 2 als
auch im Organismenbehälter 3,
absolut vom Boden B gemessen, gleiche Füllstände ergeben, wird die Einströmgeschwindigkeit
des Mediums 21 lediglich durch die Geschwindigkeit des
Anhebens des Medienbehälters 2 bestimmt.
Ein Druckunterschied zwischen dem Medienbehälter 2 und dem Organismenbehälter 3 besteht
im Wesentlichen nicht.
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Durch
die Verbindung des Organismenbehälters 3 mit
dem Medienbehälter 2 an
der in Y-Richtung liegenden oberen Decke wird die aufgrund des Einströmens des
Mediums 21 in den Organismenbehälter 3 verdrängte Atmosphäre in den
Medienbehälter 2 umgeleitet,
da in diesem aufgrund des sinkenden Füllstandes vom Füllstand
F1 zum Füllstand
F2 ein Unterdruck ausbildet, welcher mit der Atmosphäre des Organismenbehälters 3 ausgeglichen
werden kann. Bei einem derart geschlossenen System wäre die Sterilität, welche
im Organismenbehälter 3 vorherrschen
soll, zumindest bis zum Austauschen eines der Medienbehälter 2 und
des Organismenbehälters 3 gegeben.
Alternativ weisen die Behälter
einen Außenfilter
auf, um einen Zugang für
die Luft, welche aufgrund des in den Organismenbehälter einströmenden oder
ausströmenden
Mediums aus- bzw. einströmen
muss, zu schaffen. Die Porentiefe ist dabei so gewählt, dass
es zu keiner Verunreinigung des Sterilpfads kommt, z. B. 0,2 μm
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Anhand
der 1a und 1b kann
auch auf die Modularität
des Bioreaktors eingegangen werden. Bei dem in der 1a dargestellten
Zustand befindet sich im Organismenbehälter 3 kein Medium 21.
D. h., dass das Röhrensystem 4 von
der Kupplung 30 getrennt werden kann und der Organismenbehälter 3 gegen
einen ihm vergleichbaren Organismenbehälter ausgetauscht werden kann.
Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der aufzuziehende Organismus,
wie beispielsweise Pflanzen, insbesondere Phytopharmaka, eine Größe erreicht
hat, welche zur weitergehenden Verarbeitung oder zur Übergabe
an einen großtechnischen
Pflanzenvermehrer geeignet ist. Der neue Organismenbehälter wird
anschließend
mit dem Röhrensystem 4 verbunden
und kann ebenso wie der vorhergehende Organismenbehälter 3 über den
Medienbehälter 2 immersiert
werden.
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Analog
zu dem vorhergehenden Abschnitt kann, wie im 1a dargestellt,
auch der Medienbehälter 2 mit
dem sich darin befindlichen Medium 21 ausgetauscht werden,
wenn beispielsweise der Nährstoffgehalt
des Mediums 21 unter einen kritischen Zustand abgesunken
ist.
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In
der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bioreaktors
dargestellt. Der Bioreaktor 1' weist dabei eine Vielzahl von
Organismenbehältern 31 bis 38 auf,
welche auf einem Regal 6' in
zwei Ebenen angeordnet sind. Die Ebenen werden dabei durch die Regalböden 60 und 61 definiert.
Die Organismenbehälter 31 bis 38 weisen
wie der Organismenbehälter 3 in
den 1a und 1b eine
Kupplung 30 bzw. 30' auf,
an welche ein Röhrensystem 40 bzw. 40' angeschlossen
wird. Das Röhrensystem 40 versorgt
dabei die Organismenbehälter 35 bis 38, das
Röhrensystem 40' und die Behälter 31 bis 34.
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Den
Organismenbehältern 35 bis 38 ist
jeweils eine eigene Vorrichtung zur Beleuchtung 65 bis 68 zugeordnet.
Die Vorrichtungsbeleuchtungen 65 bis 68 strahlen
dabei sowohl im sichtbaren als auch im UVA- bzw. UVB-Bereich ab, und sind
als Leuchtdioden ausgebildet, da diese bei einem wohldefinierten
Strahlungsspektrum nur eine geringe Wärmeeinwirkung in die Organismenbehälter zeigen.
Zudem kann der Infrarotbereich gemieden werden. Jedoch können auch
Leuchtstoffröhren
und/oder Filter verwendet werden, wobei der Filter sowohl direkt
an der Vorrichtung zur Beleuchtung als auch auf dem Organismenbehälter selbst
angeordnet sein kann.
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Die
Organismenbehälter 31 bis 34 werden durch
eine einzelne Vorrichtung zur Beleuchtung 62 versorgt.
D. h., die Bestrahlung der Organismenbehälter 31 bis 34 ist
im Wesentlichen gleich solange das Material der Organismenbehälter 31 bis 34 gleich ist.
Selbstverständlich
kann auch durch eine unterschiedliche Materialwahl für die unterschiedlichen Organismenbehälter 31 bis 34 eine
im Inneren der Organismenbehälter 31 bis 34 unterschiedliche Strahlencharakteristik
erreicht werden. An dem Regal angeordnet bzw. an den Organismenbehältern angeordnet
sind verschiedene Weiterbildungen zur einfachsten Ausführungsform
des Bioreaktors, welche jedoch miteinander kombiniert werden können. So
ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Klimatisierung 63, 63' dargestellt,
welche den Organismenbehälter 36 klimatisiert.
Weiterhin ist an dem Organismenbehälter 36 eine Vorrichtung
zur Belüftung
angeordnet, welche über
die Belüftungszugänge 360 die sich
im Inneren des Organismenbehälters 36 befindliche
Feuchtigkeit zirkuliert und reguliert. Der Organismenbehälter 36 weist
außerhalb
einen Sensor 361 zum Überwachen
der Atmosphärenzusammensetzung
hinsichtlich der Feuchtigkeit des CO2-Gehalts,
der Anteile von Edelgasen und Ethylen auf. An dem Organismenbehälter 37 ist
ein Sensor 370 angeordnet, welcher die Helligkeit des am
Organismenbehälters 37 ankommenden
Lichts der Vorrichtung zur Beleuchtung 67 re gistriert,
misst und/oder überwacht.
So kann, beispielsweise mit Hilfe einer Datenverarbeitungsanlage,
eine auftretende Strahlungscharakteristik im Inneren des Organismenbehälters 37 mit
einer Soll-Strahlungscharakteristik
für den
in dem Organismenbehälter 37 wachsenden
Organismen verglichen werden, und bei einer Abweichung innerhalb
eines statistisch relevanten Bereichs eine Änderung der Bestrahlungscharakteristik
der Vorrichtung zur Beleuchtung 67 vorgenommen werden.
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Links
und rechts des Regals 6' sind
Hebevorrichtungen 7, 7' angeordnet, wobei diese einen
Träger 71 bzw. 71' und eine Lastebene 72 bzw. 72' aufweisen.
Auf den Lastebenen 72 bzw. 72' ist ein Medienbehälter 8 bzw. 8' angeordnet. Über einen
Antrieb der Hebevorrichtung 7 bzw. 7' können die
Medienbehälter 8 bzw. 8' in Y-Richtung nach oben
und unten gefahren werden. Das Röhrensystem 40 stellt
die Verbindung zwischen dem Medienbehälter 8 und den Organismenbehältern 35 bis 38 dar.
Das Röhrensystem 40 weist
dabei ein flexibles Schlauchelement 401 auf, welches über ein
Ventil 402 mit einem starren Rohr 403 verbunden
wird, auf. Die Länge
bzw. Flexibilität
des Schlauchelements 401 ist dabei ausreichend um den Medienbehälter 8 derart
hoch und runter fahren zu können,
so dass ein sich in dem Medienbehälter 8 befindliches
Medium in die Organismenbehälter 35 bis 38 ergießen kann
und auch vollständig
aus diesen abfließen
kann. An dem starren Rohr 403 sind Verzweigungselemente 404 angeordnet, über welche
das Röhrensystem 40 mit
den Kupplungen der Organismenbehälter 35 bis 38 verbunden
wird. In dem vorliegenden Fall versorgt der Medienbehälter 408 vier
Organismenbehältern 35 bis 38,
da diese gleichzeitig durch den Medienbehälter 8 immersiert
werden können.
Der Medienbehälter 8 ist derart
angeordnet, dass der Füllstand
F2 im Medienbehälter 8 zu
einem Füllstand
F3 in jedem einzelnen der Organismenbehälter 35 bis 38 führt. Um
die Immersion der sich in den Organismenbehältern 35 bis 38 befindlichen
Organismen zu beenden, wird der Medienbehälter 8 in Y-Richtung
nach unten gefahren, bis der Füllstand
F3 auf 0 gesunken ist.
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Dieses
Szenario ist durch den Medienbehälter 8' illustriert.
Der Medienbehälter 8' ist analog
zum Medienbehälter 8 über ein
Röhrensystem 40' mit einem flexiblen
Schlauchelement 401' und
einem starren Rohr 403' über Verzweigungselemente 404' mit den Kupplungen
der Organismenbehälter 31 bis 34 verbunden.
In der gezeigten Position nimmt das sich in dem Medienbehälter 8' befindliche
Medium einen Füllstand
F1 ein. Dieser ist auf einer Höhe,
so dass sich keinerlei Medium in einem der Organismenbehälter 31 bis 34 befindet.
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Alternativ
zu den Organismenbehältern 31 bis 38,
welche aus formgebenden Behältnissen
aus Polycarbonat bestehen, können
auch Beutel, beispielsweise aus Polypropylen, an dem Regal 6' befestigt werden.
Die Beutel haben hierbei den Vorteil, dass sie kostengünstig herstellbar
und platzsparend transportierbar sind. Diese würden ähnlich einem Infusionsbeutel
in einem Krankenhaus an der Decke der Regalböden aufgehängt werden, wobei das Röhrensystem
mehrere flexible schlauchförmige
Elemente aufweist.
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Die
dargestellten Organismenbehälter
weisen ein Volumen von 40 bis 50 l auf. Um einen Immersionsgrad
von mindestens 75% zu erreichen, muss der Medienbehälter ein
Volumen zwischen 120 und 150 l aufweisen. Der in 2 dargestellte
Bioreaktor 1' kann
aufskaliert werden, in dem Sinne, als dass die Organismenbehälter über mehr
als lediglich zwei Ebenen gestapelt werden und zwischen 20 bis 60
Organismenbehälter
mit einem Medienbehälter verbunden
werden. Dabei ist eine Größe des Medienbehälters zwischen
500 und 1500 l möglich.
Dieser wäre
vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen stabilen Werkstoff. Vorzugsweise
sollte jedoch die Stapelhöhe
der Organismenbehälter
nicht über
die für
einen Beobachter überschreitende
Sichthöhe
hinausgehen, so dass zusätzlich
zu möglicherweise
vorhandenen automatischen Überwachungsmechanismen
auch eine manuelle Kontrolle durch das Bedienpersonal vorgenommen
werden kann.
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Bei
dem in der 2 dargestellten Bioreaktor 1' werden die
Medienbehälter 8 bzw. 8' ausgetauscht,
sobald der Nährstoffgehalt
des Mediums unter einen kritischen Wert gesunken ist. Sobald ein sich
in einem der Organismenbehälter 31 bis 38 befindliches
Lebewesen, wie beispielsweise Schwämme, den erwünschten
Zuchtgrad erreicht hat, kann der Organismenbehälter einzeln, unabhängig von den
anderen Organismenbehältern
ausgetauscht werden, ohne dass zu befürchten ist, dass bei einer neuerlichen
Immersion das Medium aus dem dementsprechenden Verzweigungsstück 404 hinausspritzen
würde.
An den Organismenbehältern
kann weiterhin jeweils ein kapazitiver Sensor angeordnet werden,
wobei der kapazitive Sensor die Füllhöhe F3 überwacht und eines der Ventile
des Bioreaktors schließt,
um ein Überfluten
der Organismenbehälter zu
verhindern. Als Ventile können
vorzugsweise Schlauchquetschventile eingesetzt werden, um eine Kontaminierung
des Sterilpfads durch Ventile im Innenraum des Bioreaktors zu vermeiden.
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In
der 3 ist ein Bioreaktorsystem 10 darge stellt,
anhand welchem die möglichen
Automatisierungsgrade genauer erläutert werden sollen. Das Bioreaktorsystem 10 weist
eine Datenverarbeitungsanlage 11 sowie Bioreaktoren 12, 12' und 12'' auf, welche jeweils einen Bioreaktor 1' der 2 entsprechen.
Die Datenverarbeitungsanlage 11 ist mit den Bioreaktoren 12 bis 12'' über die Verbindung 100 bzw. 100' bzw. 100'' verbunden. Über die Verbindung werden sämtliche
Werte der durch die Sensoren der einzelnen Organismenbehälter bzw.
Medienbehälter ermittelten
Werte aufgezeichnet und überwacht.
So kann beispielsweise automatisch festgestellt werden, wann welcher
Medienbehälter
ausgetauscht werden muss. Gleiches gilt auch für die Organismenbehälter. Weiterhin
können
die Beleuchtung, die Belüftung
und die Klimatisierung überwacht
und gesteuert werden.
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Mit
der in 3 dargestellten Anlage ist es möglich, den
Bioreaktor im industriellen Maßstab, beispielsweise
in Fabrikgröße, zu betreiben.
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Sämtliche
in der Beschreibung offenbarten Bioreaktoren bzw. Bioreaktorsysteme
können
unter reproduzierbaren Bedingungen auch klonal vermehren. Dies führt zu einer
hohen Produktkonstanz, wodurch eine jahreszeitlich unabhängige kontinuierliche Produktion
möglich
wird.
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Das
Inhaltsstoffprofil der Pflanzen kann über die einstellbaren klimatischen
Faktoren gesteuert werden, wobei die Inhaltsstoffausbeute im Vergleich zu
anderen Aufzuchtmethoden ein Vielfaches betragen kann. Besonders
vorteilhaft ist es zudem, dass der in dem mindestens einen Organismenbehälter gezüchtete Organismus
am Verarbeitungsort erzeugt werden kann, wodurch Transportkosten
und -einflüsse
entfallen. Zudem können
gentechnisch veränderte Pflanzen
produziert werden, ohne dass eine Freisetzung erfolgt, was im Rahmen
der Gesetzgebung von großer
Wichtigkeit ist. Auch die Produktion pharmazeutischer neuartiger
Inhaltsstoffe kann mittels des ”Molecular
Farming” in
einem erfindungsgemäßen Bioreaktor
durchgeführt
werden. Die dargestellten Bioreaktoren bzw. Bioreaktorsysteme stellen
die Produkte unter sterilen Bedingungen und hochqualitativ her.
Abnehmer für
die Organismen bzw. Inhaltsstoffe der Organismen sind beispielsweise
die Pharmazie, die kosmetische Industrie oder Nutzpflanzenerzeuger
oder Zierpflanzenerzeuger.