DE102008036934A1 - Bioreaktor mit Fenster - Google Patents

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Abstract

Bioreaktor mit mindestens einem transparenten Fenster (5, 12, 13), dessen Innenseite (6) von einem in einem Reaktorinnenraum (3) anordenbaren Medium berührbar ist, wobei das Fenster (5, 12, 13) auf seiner dem Reaktorinnenraum (3) zugewandten Innenseite (6) eine photokatalytische Beschichtung (7) aufweist, die von der der Innenseite (6) abgewandten Außenseite her mit mindestens einer Lichtquelle aktivierbar ist.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor mit mindestens einem transparenten Fenster, dessen Innenseite von einem in einem Reaktorinnenraum anordenbaren Medium berührbar ist.
  • Stand der Technik
  • Nicht-invasive optische Messverfahren erlangen zunehmend an Bedeutung für das online Monitoring von Bioprozessen. Der besondere Vorteil dieser Messverfahren beruht darauf, dass geeignete Sensorsysteme über optische Fenster an beispielsweise Bioreaktoren bzw. Fermenter angekoppelt werden können, wodurch jegliche durch off-line Probenahme entstehende Kontaminationsgefahr ausgeschlossen wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass optische Messverfahren im allgemeinen sehr schnell und kontinuierlich und aufgrund der schwachen Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie zerstörungsfrei arbeiten.
  • An die, für diese Messverfahren nötigen optischen Fenster werden besondere Anforderungen gestellt. Sie müssen erstens für den verwendeten Wellenlängenbereich transparent sein und dürfen zweitens während des Messbetriebes nicht durch Strahlung absorbierende Verschmutzungen wie z. B. eukaryotische bzw. prokaryotische Zellen oder Kulturmediumsbestandteile verblockt werden.
  • Aus der EP 1 269 243 B1 ist eine in einen Anschlussport eines Fermenters (Bioreaktors) einsetzbare Mikroskopsonde bekannt, die eine Überwachung bzw. Steuerung des Bioprozesses direkt in der Kulturbrühe bzw. dem im Reaktorinnenraum befindlichen Medium ermöglicht.
  • Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung, die sich grundsätzlich bewährt hat, ist, das die mit dem zu untersuchenden Medium in Kontakt kommende Probezone der Mikroskopsonde relativ umständlich durch von außen zugeführte Reinigungsflüssigkeit gereinigt. werden muss.
  • Aus der DE 10 2004 019 234 B3 ist ein Bioreaktor zur Kultivierung von phototropen Mikroorganismen bekannt, der über eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Mehrzahl von als Leuchtstoffröhren ausgebildeten Lichtquellen verfügt, welche lichtdurchlässige Begasungsrohre und ein lichtdurchlässiges Standrohr zur Durchführung der phototropen Reaktionen der Mikroorganismen belichten.
  • Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung, die sich grundsätzlich bewährt hat, ist, dass die Lichtdurchlässigkeit der mit dem Kulturmedium in Kontakt kommenden Begasungs- und Standrohre durch Ablagerungen an den Reaktorinnenräumen zugewandten Innenseiten im Laufe der Betriebszeit herabgesetzt wird und aufwendige Reinigungsprozeduren erforderlich machen.
  • Aus der WO 97/07 069 A1 ist ein selbstreinigendes Glas bekannt, das beispielsweise für Fenster von Gebäuden oder für Windschutzscheiben von Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Das Glas weist eine optisch transparente Beschichtung auf, die einen Photokatalysator enthält, dessen photokatalytische Wirkung durch Einwirkung von Sonnen- bzw. UV-Strahlung initiiert wird und zu einer Selbstreinigung des Glases durch einen photochemischen Oxidationsprozess führt. Das bekannte Glas weist zur Erzielung seiner photokatalytischen Wirkung in seiner Beschichtung Titandioxidpartikel auf. Einen Hinweis auf eine Verwendung einer derartigen Beschichtung in einem Bioreaktor kann der Fachmann dieser Druckschrift nicht entnehmen.
  • Weiterhin sind Verfahren zur Herstellung von Titandioxidbeschichtungen beispielsweise aus der DE 19 25 606 B2 und der DE 10 2006 044 076 A1 bekannt.
  • Aufgabenstellung
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Standzeit von optischen Fenstern in Bioreaktoren zu verlängern und möglichst ohne Unterbrechung des Betriebsvorganges für eine zeitraubende Reinigung der medienberührten Seite des Fensters auszukommen.
  • Darstellung der Erfindung
  • Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass das Fenster auf seiner dem Reaktorinnenraum zugewandten Innenseite eine photokatalytische Beschichtung aufweist, die von der der Innenseite abgewandten Außenseite her mit mindestens einer Lichtquelle aktivierbar ist.
  • Dadurch, dass die photokatalytische Beschichtung des medienberührten Fensters von einer Lichtquelle aktivierbar ist, wird das Anhaften von Medienpartikeln verhindert bzw. bereits an der Beschichtung des Fensters anhaftende Partikel oder Substanzen werden durch eine Licht initiierte photokatalytische Oxidation wieder entfernt. Damit wird eine wesentlich verbesserte Standzeit des Fensters und damit eine wesentlich verbesserte Langzeit-Performance der optischen Sensorsysteme erreicht.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der Lichtquelle um eine UV-Lichtquelle.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Erfindung anwendbar auf Bioreaktoren zur Kultivierung phototroper Mikroorganismen, so genannten Photobioreaktoren. Hierbei ist zumindest ein Teil der Wände des Reaktorraumes mit dem transparenten Fenster ausgestattet, wobei das Fenster auf seiner dem Reaktorinnenraum zugewandten Innenseite eine photokatalytische Beschichtung aufweist, die von der der Innenseite abgewandten Außenseite her mit mindestens einer Lichtquelle aktivierbar ist. Unter einem erfindungsgemäßen Fenster soll hier ganz allgemein auch ein transparenter Bereich in der Wandung des Reaktorinnenraumes verstanden werden.
  • Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass beim Betrieb derartig ausgerüsteter Photobioreaktoren über einen Zeitraum von 20 Tagen die Strahlungsintensität unverändert bleibt und kein sichtbarer Bewuchs des Fensters festzustellen war.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtung als eine nanokristalline Titandioxidbeschichtung ausgebildet. Dabei ist die Beschichtung auf einem Fenster aus einem alkaliarmen Glas angeordnet. Geeignete Gläser stellen zum Beispiel Quarz-, Saphir-, natriumarmes Float- und Borosilikatglas dar.
  • Das Fenster als optisches Element kann beispielsweise in Form eines Prismas oder Kristalls mit gedämpfter Totalreflexion (ATR-Kristall) vorliegen.
  • Wegen ihrer chemischen Beständigkeit und ihrer guten Temperaturbeständigkeit sind die oben genannten Gläser für eine Beschichtung im Tauchbad (Dip-Coating) mit anschließender Calcination bei einer maximalen Temperatur von 500°C besonders geeignet.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das UV-Licht von mindestens einer UV-LED erzeugbar, die ein Emissionsmaximum zwischen 200 und 400 nm, beispielsweise 360 nm, aufweist.
  • Das für die Initiierung der photokatalytischen Oxidation notwendige UV-Licht lässt sich durch eine dem Fenster benachbarte UV-LED platzsparend und relativ einfach ohne große Verluste der aktiven Beschichtung zuführen. Die verwendete Wellenlänge ist für die gewählte Beschichtung mit TiO2-Nanopartikeln besonders geeignet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Fenster eine in den Reaktorinnenraum durch dessen Wandung hineinragende Sondenaufnahme vorgelagert. In die Sondenaufnahme sind eine Messsonde und/oder die mindestens eine UV-LED einführbar.
  • In die Sondenaufnahme kann ohne jede Kontaminationsgefahr eine Messsonde eingeführt werden, die bei Bedarf zur Selbstreinigung des Fensters gegen eine einführbare UV-LED ausgetauscht werden kann. Besonders günstig ist es jedoch, die UV-LED direkt in der Messsonde anzuordnen, wodurch auf einen wechselseitigen Austausch verzichtet werden kann. Auch können dadurch problemlos die UV-Beleuchtungsintervalle erhöht werden.
  • Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzen zwei in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Fenster einen Küvettenspalt einer in den Reaktorinnenraum hineinragenden als Transmissionssonde ausgebildeten Messsonde, wobei jedem der Fenster eine UV-LED zugeordnet ist. Dabei kann ein optisches Signal über ein Umlenkprisma dem ersten Fenster und weiter über den vom umgebenden Medium gefüllten Küvettenspalt über das zweite Fenster einer optischen Auswerteeinheit zugeführt werden. Besonders vorteilhaft kann das erste Fenster von einem beschichteten Teilbereich des Umlenkprismas gebildet werden. Dies ist insbesondere platzsparend.
  • Das optische Signal wird über eine erste Lichtleitfaser zu dem Umlenkprisma und über eine dem zweiten Fenster vorgelagerte zweite Lichtleitfaser zur optischen Auswerteeinheit geleitet, die beispielsweise als ein Spektrometer ausgebildet ist.
  • Weitere Ausführungsformen sind beispielsweise Fenster für 90° und 180° Streulichtsensoren zur Trübungsmessung, mit der Biomassebestimmungen erfolgen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist mindestens der den Reaktorinnenraum aufweisende Reaktorbehälter als Einmalbehälter ausgebildet.
  • Besonders bei der Verwendung von Bioreaktoren als Einwegbioreaktoren, wie sie häufig mit flexibler Wandung als Beutel (Gags) verwendet werden, ist der Einsatz eines erfindungsgemäß beschichteten Fensters von großer Bedeutung, da sich die Standzeit des gesamten Bioreaktors erheblich erhöht.
  • 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 Seitenansicht eines Bioreaktors mit einer in den Reaktorinnenraum hineinragenden Sondenaufnahme mit einem optischen Fenster und eingeführter UV-LED,
  • 2: eine Seitenansicht eines Bioreaktors mit einer in den Reaktorinnenraum hineinragenden Sondenaufnahme mit einem optischen Fenster und eingeführter Messsonde,
  • 3: eine vergrößerte Darstellung einer als Transmissionssonde ausgebildeten Messsonde und
  • 4: eine Seitenansicht eines Bioreaktors im Ausriss mit der in den Reaktorinnenraum hineinragenden Transmissionssonde von 3.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Ein Bioreaktor 1 besteht im Wesentlichen aus einem von einer flexiblen Wandung 2 umgrenzten Reaktorinnenraum 3 und einer Sondenaufnahme 4 mit einem optischen Fenster 5.
  • Die Sondenaufnahme 4 der Ausführungsform nach 1 und 2 wird zu dem Reaktorinnenraum 3 hin von dem optischen Fenster 5 verschlossen, das auf seiner dem Reaktorinnenraum 3 zugewandten Innenseite 6 eine fotokatalytische Beschichtung 7 aufweist. Die Beschichtung ist als eine nanokristalline Titandioxidbeschichtung (TiO2) ausgebildet. Das optische Fenster 5 besteht aus einem Borosilikatglas.
  • In die Sondenaufnahme 4 kann zur Aktivierung der fotokatalytischen Beschichtung 7 eine UV-LED 8 eingeführt und zur Durchführung des Messvorganges kann eine Messsonde 9 eingeführt werden. Die UV-LED 8 kann aber auch in die Messsonde 9 integriert sein.
  • Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 3 und 4 ist die Messsonde 9 als eine Transmissionssonde 10 ausgebildet, die mit ihrem freien Ende 11 in den Reaktorinnenraum 3 des Bioreaktors 1' hineinragt und ein erstes optisches Fenster 12 und beabstandet ein zweites optisches Fenster 13 aufweist, die einen Küvettenspalt 14 begrenzen, der von dem umgebenden Medium 15 des Reaktorinnenraumes 3 ausgefüllt ist.
  • Dabei ist ein optisches Signal 16 über eine erste Lichtleitfaser 17 zu einem dem ersten Fenster 12 benachbarten Umlenkprisma 18 den Küvettenspalt 14 überbrückend zu einer dem zweiten Fenster 13 vorgelagerten zweiten Lichtleitfaser. 19 und weiter zu einer nicht dargestellten optischen Auswerteeinheit, die beispielsweise als Spektrometer ausgebildet ist, zuführbar. Das erste Fenster 12 im Ausführungsbeispiel nach 3 und 4 wird von einem beschichteten Teilbereich des Umlenkprismas 18 gebildet.
  • Der Bioreaktor 1, 1' bzw. sein Reaktorbehälter 20 ist als Einmalbehälter mit flexibler Wandung 2 ausgebildet.
  • Zur Herstellung des beschichteten Fensters 5, 12, 13 kann wie folgt vorgegangen werden:
  • 1. Katalysatorsynthese:
  • Si-Binder wird vorgelegt und unter Zusatz von 65%iger HNO3 gerührt. Eine pH-Einstellung des Binders erfolgt im sauren Bereich unter langsamer Zugabe von Ti-Precursor im Eisbad mit nachfolgendem Rühren wobei ein organisches Lösemittel gemischt langsam über Tropftrichter im Eisbad zugegeben wird. Nach Rühren über Nacht erfolgt zur Kontrolle eine Messung der Viskosität.
  • 2. Beschichtungsvorgang:
  • Ziel des Beschichtungsvorganges ist es, eine transparente, photokatalytisch aktive, stabile Filmschicht zu erreichen. Die Beschichtung erfolgt durch Eintauchen (Dip-Coating). Als Material des Fensters 5, 12, 13 bzw. Substrats wird ein alkaliarmes Glas, beispielsweise Borosilikatglas, verwendet. Eine Vorbehandlung des Substrats erfolgt durch Auskochen in konzentrierter Schwefelsäure und anschließendem Auskochen in Natronlauge.
  • Dabei werden im Ausführungsbeispiel folgende Beschichtungsparameter verwendet:
    Eintauchgeschwindigkeit: 10–30 mm/s
    Haltezeit: 10 bis 20 s
    Ziehgeschwindigkeit: 1 bis 3 mm/s
    Relative Luftfeuchte: 20 bis 40%
  • 3. Kalzination
  • Zur Kalzination wurden folgende Parameter verwendet:
    Maximale Temperatur: 500°C
    Aufheizen: innerhalb von 30 bis 60 min
    Halten der maximalen Temperatur: 60 min
    Abkühlen: über mehrere Stunden
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 1269243 B1 [0004]
    • - DE 102004019234 B3 [0006]
    • - WO 97/07069 A1 [0008]
    • - DE 1925606 B2 [0009]
    • - DE 102006044076 A1 [0009]

Claims (13)

  1. Bioreaktor mit mindestens einem transparenten Fenster (5, 12, 13), dessen Innenseite (6) von einem in einem Reaktorinnenraum (3) anordenbaren Medium berührbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (5, 12, 13) auf seiner dem Reaktorinnenraum (3) zugewandten Innenseite (6) eine photokatalytische Beschichtung (7) aufweist, die von der der Innenseite (6) abgewandten Außenseite her mit mindestens einer Lichtquelle aktivierbar ist.
  2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (5, 12, 13) Teil des Reaktorinnenraumes (3) eines Photobioreaktors ist.
  3. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (7) als eine nanokristalline Titandioxidbeschichtung ausgebildet ist.
  4. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (5, 12, 13) aus einem alkaliarmen Glas ausgebildet ist.
  5. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle UV-Licht abgibt, das von mindestens einer UV-LED (8) erzeugbar ist.
  6. Bioreaktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die UV-LED (8) ein Emissionsmaximum zwischen 200 und 400 nm aufweist.
  7. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Fenster (5) eine in den Reaktorinnenraum (3) durch dessen Wandung (2) hineinragende Sondenaufnahme (4) vorgelagert ist.
  8. Bioreaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Sondenaufnahme (4) eine Messsonde (9) und/oder die mindestens eine UV-LED (8) einführbar ist.
  9. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Fenster (12, 13) einen Küvettenspalt (14) einer in den Reaktorinnenraum (3) hineinragenden Transmissionssonde (10) begrenzen.
  10. Bioreaktor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Fenster (12, 13) eine UV-LED (8) zugeordnet ist.
  11. Bioreaktor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Signal (16) über ein Umlenkprisma dem ersten Fenster (12) und weiter über den vom umgebenden Medium (15) gefüllten Küvettenspalt (14) über das zweite Fenster (13) einer optischen Auswerteeinheit zuführbar ist.
  12. Bioreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Signal (16) über eine erste Lichtleitfaser (17) zu dem Umlenkprisma (18) und über eine dem zweiten Fenster (13) vorgelagerte zweite Lichtleitfaser (19) zur optischen Auswerteeinheit leitbar ist.
  13. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der den Reaktorinnenraum (3) aufweisende Reaktorbehälter (20) als Einmalbehälter ausgebildet ist.
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