-
Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für Bioreaktoren mit einem endständigen, hydrophoben Sterilfilter und einem Wärmetauscher, welcher den Sterilfilter in besonderer Weise vor Verblockung durch flüssige Medien schützt.
-
Beim Begasen eines Bioreaktors nimmt das Gas beim Durchströmen eines flüssigen Mediums Flüssigkeitsdämpfe auf, die bei unkontrolliertem Austritt aus dem Bioreaktor in unerwünschter Weise ausgeschleppt würden. Der gleiche Effekt träte bei biotechnologischen Prozessen ein, in denen Gase als Stoffwechselprodukte gebildet und aus dem Bioreaktor abgeführt werden. Zur Vermeidung von Kontaminationen ist es üblich, die Öffnung eines Bioreaktors zur Gasabführung mit einem Sterilfilter zu versehen. Gemäß der unveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2008 025 968.3 der Patentanmelderin soll durch den Einsatz eines im Gasabführungskanal befindlichen Kondensators unter turbulenter Strömung des Abgases verhindert werden, dass der Sterilfilter durch kondensierende Flüssigkeiten verblockt und dass die Abgase einen Teil des flüssigen Kulturmediums austragen. Nachteilig ist, dass durch die turbulente Strömung eine starke Druckabnahme im Gasabführungskanal auftritt. Dadurch sind die Bioreaktoren mit relativ hohen Drücken im Gasraum zu betreiben, was für manche Reaktionsführungen und insbesondere bei solchen Bioreaktoren aus flexiblen Kunststoffbeuteln wegen der Gefahr des Entstehens von Undichtigkeiten unerwünscht ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass Flüssigkeitströpfchen bis zum Sterilfilter mitgerissen oder noch an diesem ausgeschieden werden und ihn verblocken.
-
Aus der
US 5 443 985 A ist ein Biorektor mit einem Behälter bekannt, der an seinem in vertikaler Richtung oberen Ende einen Gasabführungskanal zum Gasaustrag aufweist. Zwischen dem Behälter und einem Abgasfilter ist ein wassergekühlter Kondensator angeordnet. Die den Gasabführungskanal umschließende Innenwandung bildet die Kondensationsfläche des Kondensators. Nachteilig dabei ist, dass bei zu größem Gasdurchsatz zumindest ein teilweises Verblocken des Abluftfilters durch Kondensat eintritt. Das ist selbst mit einem relativ langen Kondensator zur Kühlung der Abgase nicht ausgeschlossen. Bei zu großer Verblockung des Abgasfilters müsste die Begasung und damit der Kulturprozess abgebrochen werden.
-
Aus der
US 6 133 021 A ist ebenfalls ein Bioreaktor mit einem wassergekühlten Kondensator im Gasabführungskanal bekannt, wobei nachteilig ist, dass das Abgas ohne Filter in die Umgebung gelangt und der Bioreaktor nicht über eine Sterilbarriere geschützt ist.
-
Weiterhin ist aus der
DD 260 837 A3 ein Fermenter mit einem Behälter bekannt, der einen Gasabführungskanal zum Gasaustrag aufweist. Die Öffnung des Gasabführungskanals zur Umgebung hin ist mit einem nicht näher beschriebenen Abluftfilter versehen. Die Abluft durchströmt entweder einen Abluftkondensator und das entstandene Kondensat tropft in den Fermenter zurück, oder sie durchströmt einen Abluftkühler und das Kondensat wird in einem Kondensatbehälter gesammelt. Auch dieses Abgassystem weist die oben genannten Nachteile auf und ist für einen Bioreaktor mit einem hydrophoben Sterilfilter als Abgasfilter ungeeignet.
-
Aus dem Prospekt B-4018 10P42006 der Fa. Brunswick Scientific GmbH, „Der BioFlo® 310 – Ein kompaktes Multitalent” ist ein Laborfermenter mit Abluftkondensator aus Edelstahl zur Minimierung von Verdunstungseffekten bekannt, welcher die Abluft über einen Sterilfilter filtriert. Nachteilig hierbei ist, dass bei längerem oder feuchtem Betrieb der Sterilfilter verblockt.
-
Weiterhin ist aus
EP 915 965 B1 ein Bioreaktor aus Hohlfilamenten bekannt, mit einem vor ein Blutdruckmessgerät geschalteten sterilen hydrophoben Filter.
-
Aus
CH 244453 A ist ein höhenbeständiger elektrolytischer Kondensator mit einer Gasauslassvorrichtung bekannt.
-
Aus der
DE 1 601 144 A ist ein Wärmeaustauscher für kondensierbare Dämpfe und Gase bekannt.
-
Weiterhin ist aus
AT 396 979 B ein Kondensator zur Vorbehandlung von Pyrolysegas bekannt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein effektives Abgassystem für Bioreaktoren vorzuschlagen, welches eine hohe Sicherheit beim Betreiben des Bioreaktors gewährleistet.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Abgassystem für Bioreaktoren mindestens bestehend aus wenigstens einem Gasabführungskanal zum Austrag von Abgas aus einem Bioreaktorbehälter, wobei vor der Öffnung des wenigstens einen Gasabführungskanals zur Umgebung hin ein hydrophober Sterilfilter angeordnet ist mit einem davor liegenden Wärmetauscher. Dabei ist der wenigstens eine Gasabführungskanal in wenigstens einer Abkühlzone des Wärmetauschers in eine Vielzahl von Unterkanälen aufgeteilt, und in wenigstens einer Aufwärmzone des Wärmetauschers ist der wenigstens eine Gasabführungskanal zu einer Beruhigungszone für das Abgas erweitert. Die Abkühl- und die Aufwärmzonen (7, 8) des Wärmetauschers (6) sind dabei in Reihe geschaltet und parallel zueinander angeordnet und gemeinsam über ein Bodenelement (9) kommunizierend mit einem darunter angeordneten Kondensatsammelbehälter (11) verbunden. Durch die Aufteilung des Gasabführungskanals in eine Vielzahl von Unterkanälen in der Abkühlzone des Wärmetauschers steht eine wesentlich größere Oberfläche für die Abfuhr von Wärme aus dem Abgas über die Unterkanälen zur Verfügung, so dass selbst bei laminarer Strömung des Abgases durch die Unterkanäle eine hohe Effizienz der Abscheidung von Flüssigkeiten aus dem Abgas erreichbar ist. In der sich für das Abgas anschließenden Aufwärmzone, in der sich der Gasabführungskanal zu einer Beruhigungszone für das Abgas erweitert, kann sich das Abgas durch die verminderte Strömungsgeschwindigkeit bis zur Erreichung des hydrophoben Sterilfilters durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung wieder so weit erwärmen, dass die relativen Dampfgehalte unter 100% liegen und ein Abscheiden von Flüssigkeiten aus Restdämpfen am oder im hydrophoben Sterilfilter ausgeschlossen ist. Dadurch wird der hydrophobe Sterilfilter sicher vor einer Verblockung durch Flüssigkeiten geschützt.
-
Zur Realisierung einer kompakten, Platz sparenden Bauform sind die in Reihe geschalteten Abkühl- und die Aufwärmzonen des Wärmetauschers bevorzugt parallel oder in einem Winkel kleiner 180° und größer 0° zueinander angeordnet.
-
Vorteilhafterweise sind dabei die Abkühl- und die Aufwärmzonen des Wärmetauschers zusätzlich über ein Kopfelement zur Stabilitätserhöhung zusammengehalten. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Abkühl- und die Aufwärmzonen des Wärmetauschers beabstandet zu einander angeordnet. Zumindest sollte die Berührungsfläche zwischen ihnen so gering wie möglich sein. Das hat den Vorteil, dass zwischen ihnen kaum ein Wärmeübergang stattfindet und die wenigstens eine Aufwärmzone ungestört Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann, ohne von der wenigstens einen Abkühlzone beeinträchtigt zu werden.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Bodenelement als Teil des Kondensatsammelbehälters ausgebildet ist, wodurch eine noch kompaktere Bauweise erreicht wird. Dadurch ist es möglich, das Abgassystem zum Beispiel seitlich oder unterhalb des Bioreaktorbehälters anzuordnen. Oftmals wird der Platz oberhalb eines Bioreaktorbehälters für Armaturen, wie Zufuhrleitungen und Rühreranschlüsse benötigt. Es hat sich auch als günstig erwiesen, wenn der Kondensatsammelbehälter mit dem Bioreaktorbehälter und/oder zusätzlich mit der wenigstens einen Aufwärmzone des Wärmetauschers, beispielsweise über das Bodenelement, verbunden ist. Dadurch kann in die Aufwärmzone eingeschlepptes Kondensat in den Kondensatsammelbehälter tropfen. Es ist möglich, das Kondensat in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen definiert aus dem Kondensatsammelbehälter in den Bioreaktorbehälter über Ventile oder Pumpen, insbesondere Dosierpumpen zurück zu führen. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Pumpe vorzugsweise als Schlauchpumpe (Peristaltikpumpe) ausgeführt. Der Vorteil besteht darin, dass nur der Schlauch Medienkontakt hat und nach seiner Einmalverwendung in Einwegsystemen (Disposable-Systemen) verworfen werden kann. Die Schlauchpumpe hingegen ist wieder verwendbar.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchströmt das Abgas nach der Abkühlzone eine Kondensatabscheiderpackung, welche beispielsweise in dem Bodenelement des Wärmetauschers integriert ist. Diese Kondensatabscheiderpackung kann aus einem hochporösem Vlies bestehen oder aus Füllkörpern (z. B. aus Raschigringen) welche eine hohe Oberfläche bei einem gleichzeitig sehr geringen Strömungswiderstand besitzen. Die Vliese oder Füllkörper können beispielsweise in einem Schlauch eingeschlossen sein, in welchem das Kondensat aufnehmbar ist. Der Schlauch kann sich unterhalb des Bodenelements befinden und verbindet die Abkühlzone und die Aufwärmzone, wobei das Bodenelement keinen direkten Abgasfluß von der Abkühlzone in die Aufwärmzone zulässt. Diese vorstehend beschriebenen Varianten führen zu einer weiteren kompakteren Bauweise des Abgassystems. Die Kondensatabscheiderpackung kann mit dem Kondensatabscheiderbehälter oder direkt mit einer Pumpe verbunden sein.
-
In Abhängigkeit vom Taupunkt der Flüssigkeitsdämpfe im Abgas ist die Vielzahl der Unterkanäle von einem Kühlmedium umgeben, dass entsprechend temperiert ist. Die Temperatur des Kühlmediums soll weniger als +30°C betragen. Bevorzugt ist ein Bereich zwischen +10 und –10°C, besonders bevorzugt ist ein Bereich zwischen +2 und +8°C. In einer Variante der Erfindung ist direkt in das Kühlmedium, vorzugsweise im Bereich der Abkühlzone, wenigstens ein Peltierelement zum Kühlen eingebracht. Diese Variante gestattet eine weitere Kompaktierung des Abgassystems. Bewährt hat sich aber auch eine Ausführungsform, bei welcher dem Kühlmedium in einem Kreislauf Wärme entziehbar ist. So ist der Kreislauf zum Entzug der Wärme beispielsweise mit einer Wärmepumpe verbunden. Als Wärmepumpen sind Peltierelemente oder Thermostaten einsetzbar. Eine optimale Abkühlung der Abgase wird erreicht, wenn das Verhältnis der für die Abgase freie Querschnitt in der Vielzahl der Unterkanäle zum freien Querschnitt für das Kühlmedium in der Abkühlzone im Bereich von 5:100 bis 75:100 liegt, bevorzugt im Bereich von 10:100 bis 50:100
-
Im Interesse einer hohen Sicherheit und Kompaktheit des Abgassystems ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Sterilfilter als hydrophober Sterilfilter ausgebildet und in den Ausgang der Aufwärmzone des Wärmetauschers integriert.
-
Besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Abgassystem, welches aus Kunststoff gefertigt ist. Ein derartiges Abgassystem kann vormontiert zusammen mit dem Bioreaktor, zumindest aber mit dem Bioreaktorbehälter bereits vom Hersteller sterilisiert werden und als sterile Einwegeinheit an den Nutzer ausgeliefert werden. Der Vorteil tritt besonders hervor bei Bioreaktorbehältern aus flexiblen Kunststoffen, das heißt, wenn das Abgassystem mit einem Bioreaktorbehälter aus flexiblem Kunststoff betreibbar ist. Derartige Kombinationen sind zuverlässig durch Bestrahlen sterilisierbar, wobei das Bestrahlen vorzugsweise durch ionisierendes Bestrahlen, durch Gamma- oder Elektronenstrahlen durchführbar ist.
-
Für Ausführungen des erfindungsgemäßen Abgassystems aus Kunststoff besteht die Vielzahl der Unterkanäle in der Abkühlzone des Wärmetauschers bevorzugt aus Kunststoffen, wie Polyurethan-, Silikon- oder Polyalkylen. Besonders bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Unterkanäle in Form von Schläuchen vorliegen. Damit ein akzeptabler Wärmeübergang von den Abgasen zu dem Kühlmedium realisierbar ist, wird eine Wanddicke der Unterkanäle oder der Schläuche von weniger als 2 mm bevorzugt, dabei ist eine Wanddicke von weniger als 0,6 mm besonders und ganz besonders von weniger als 0,2 mm bevorzugt.
-
Die geringsten Druckverluste und eine effiziente Kondensatbildung treten durch das erfindungsgemäße Abgassystem dann auf, wenn das Abgas beim Durchströmen der Vielzahl der Unterkanäle eine laminare Strömung aufweist. Die laminare Strömung ist über Anzahl, Länge und Durchmesser der Unterkanäle in der Abkühlphase, über den Durchmesser und die Länge der Aufwärmzone und die Gasdurchlässigkeit des endständigen hydrophoben Sterilfilters in Abhängigkeit vom Gasdruck im Bioreaktorbehälter einstellbar.
-
Um sich einer Maximierung in der Betriebsweise des erfindungsgemäßen Abgassystems anzunähern, soll die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in den Unterkanälen der Abkühlzone mindestens 0,1 m/s, vorzugsweise mehr als 5 m/s betragen bei Einhaltung einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Aufwärmzone von weniger als 2 m/s, vorzugsweise von weniger als 0,05 m/s.
-
Die Erfindung soll nun an Hand einer Figur und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
-
Dabei zeigt die Figur schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform des Abgassystems mit einem Bioreaktorbehälter.
-
Das Abgassytem 1 ist über einen Gasabführungskanal 2 mit dem Gaspolster eines Bioreaktorbehälters 3 zum Austrag von Abgas aus dem Bioreaktorbehälter 3 verbunden. Vor der Öffnung 4 des Gasabführungskanals 2 zur Umgebung hin ist ein hydrophober Sterilfilter 5 angeordnet mit einem davor liegenden Wärmetauscher 6. Dabei ist der Gasabführungskanal 2 in einer Abkühlzone 7 des Wärmetauschers in eine Vielzahl von Unterkanälen 2' aufgeteilt, von denen in der Figur lediglich zwei Unterkanäle schematisch dargestellt sind. In einer Aufwärmzone 8 des Wärmetauschers 6 ist der Gasabführungskanal 2 zu einer Beruhigungszone für das Abgas erweitert. Die Abkühl- und Aufwärmzonen 7, 8 werden durch ein Boden- und Kopfelement 9, 10 gehalten und sind beabstandet zueinander angeordnet. Dabei stehen die Abkühl- und Aufwärmzonen 7, 8 nur über das Bodenelement 9 kommunizierend mit einander in Verbindung, während sie in dem Kopfelement 10 getrennt sind. In der gezeigten Ausführungsform der Figur befindet sich unterhalb des Bodenelements 9 des Wärmetauschers 6 ein Kondensatsammelbehälter 11, welcher die in der Abkühlzone 7 und gegebenenfalls noch in der Aufwärmzone 8 aus den Abgasdämpfen niedergeschlagene Flüssigkeit aufnimmt. Mittels einer Pumpe 15 (hier Schlauchpumpe) kann die Flüssigkeit wieder dem Bioreaktorbehälter 3 zugeführt werden. Das die Vielzahl der Unterkanäle 2' umgebende Kühlmedium wird entweder direkt in der Abkühlzone 7 beispielsweise mittels eines Peltierelements 13 temperiert oder über eine Kreislaufpumpe 16 in einem Kreislauf 12 mittels einer Wärmepumpe 14 temperiert.
-
Beispiel
-
Abgas mit einem Volumenstrom von 23 L/min eines 200 L Biorektorbehälters 3 aus flexiblen Kunststoffwänden (Biostat Cultibag® STR200 L, Sartorius Stedim Biotech GmbH), der von unten mit trockener Luft begast und zu zwei Dritteln mit einem wässrigen Kulturmedium gefüllt ist, wird über den Gasabführungskanal 2 der Abkühlzone 7 des Wärmetauschers 6 gemäß der vorstehend beschriebenen Figur zugeführt. Das Abgas hat eine Temperatur von 34°C und eine relative Feuchtigkeit von 100%. Dies entspricht einer Wasserlast von ca. 35 g Wasser je kg trockener Luft oder einem spezifischen Wassermassenstrom von 0,9 g/min. Das Abgas wird in 50 Unterkanäle 2' verteilt. Jeder der Unterkanäle ist 50 cm lang, hat einen Innendurchmesser von 3 mm und eine Wandstärke von 0,7 mm. Das Material der Unterkanäle besteht aus Polyurethan. Die Unterkanäle 2' werden von Wasser als Kühlmedium mit einem Volumenstrom von 1 L/min und einer Temperatur von 4°C im Gegenstrom umströmt. Das Abgas strömt laminar mit einer Geschwindigkeit von ca. 1 m/s durch die Unterkanäle und wird dabei auf eine Temperatur von 6°C bei einer relativen Feuchtigkeit von 100% abgekühlt. Dies entspricht einer Kühlleistung von 44 W. Das Kühlmedium, welches die abgeführte Wärme aufgenommen hat, wird im Kreislauf 12 durch die Wärmepumpe 14 (Frigomix® S, B. Braun Biotech International) gepumpt, in dieser auf 4°C gekühlt und anschließend wieder der Abkühlzone 7 des Wärmetauschers 6 des Abgassystems 1 zugeführt. Das beim Abkühlen entstandene Kondensat (ca. 0,75 g/min) wird vom Gasstrom getrennt, in dem es durch eine in dem Bodenelement 9 befindliche Kondensatabscheiderpackung aus Raschigringen geleitet wird. Die abgeschiedene Flüssigkeit wird aus dem Bodenelement 9 in den Kondensatsammelbehälter 11 geleitet und von dort mittels einer Schlauchpumpe 15 in den Bioreaktorbehälter 3 zurück geführt. Das gekühlte Abgas wird nun weiter der Aufwärmzone 8 des Wärmetauschers 6 zugeführt. Die Aufwärmzone 8 ist gebildet durch ein Rohr mit einem Durchmesser von 6,5 cm, einer Länge von 50 cm und einer Wandstärke von 3,0 mm. Es besteht aus einem Polyethylentherephtalat-Kunststoff. In diesem strömt das Abgas mit einer Geschwindigkeit von 0,1 m/s von unten nach oben. Eventuell noch verbliebene Kondensattropfen können aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit nicht mitgerissen werden und fließen über das Bodenelement 9 zurück in den Kondensatsammelbehälter 11. Über die Umgebung zugeführte Wärme erwärmt das Abgas und überführt eventuell noch vorhandene kleine Kondensattropfen in die Gasphase. Am Eingang zum hydrophoben Sterilfilter 5 hat das Abgas eine Temperatur von 14°C und eine relative Feuchtigkeit von 59%. Dies entspricht einer Wärmeleistung von 3,5 W. In dem Kondensatsammelbehälter 11 gesammeltes Kondensat wird über eine Schlauchpumpe 15 dem Bioreaktorbehälter 3 wieder zugeführt. Über einen Zeitraum von 67 Stunden konnte kein Verblocken des hydrophoben Sterilfilters festgestellt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Abgassystem
- 2
- Gasabführungskanal
- 2'
- Unterkanäle
- 2''
- Beruhigungszone
- 3
- Bioreaktorbehälter
- 4
- Öffnung
- 5
- hydrophober Sterilfilter
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Abkühlzone
- 8
- Aufwärmzone
- 9
- Bodenelement
- 10
- Kopfelement
- 11
- Kondensatsammelbehälter
- 12
- Kreislauf
- 13
- Peltierelement
- 14
- Wärmepumpe
- 15
- Pumpe
- 16
- Kreislaufpumpe
