DE102009056967A1

DE102009056967A1 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE102009056967A1
Application number: DE102009056967A
Authority: DE
Inventors: Maik Jornitz
Original assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-08
Also published as: DE202010014799U1; DE102009056967B4

Abstract

Mischvorrichtung für Bioreaktoren, die insbesondere als Einwegbehälter mit flexiblen Wänden ausgebildet sind, mit einem in einem Behälterinnenraum an einem Rührerschaft angeordneten Rührer, der von einem Fluid antreibbar ist, wobei der Rührerschaft oberhalb eines zu mischenden Mediums ein Antriebsrad mit radial zur Schaftachse angeordneten Aufprallflächen aufweist, und wobei dem Antriebsrad benachbart ein Düsenkopf mit einer Austrittsdüse vorgelagert ist, über die aus einer Druckleitung zugeführtes Fluid auf die Aufprallflächen auftreffend ausstoßbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für Bioreaktoren, die insbesondere als Einwegbehälter mit flexiblen Wänden ausgebildet sind, mit einem in einem Behälterinnenraum an einem rotierenden Rührerschaft angeordneten Rührer, der von einem Fluid antreibbar ist.
Rührer sind ein wesentlicher Teil von Bioreaktoren zum Homogenisieren von Temperatur- und Konzentrationsunterschieden. Außerdem verhindern die Rührer eine Zellabsetzung in Bioreaktoren und dispergieren die Luft bzw. Gase in begasten Bioreaktoren.
Stand der Technik
Aus der US 2007/0091716 A1 ist eine Mischvorrichtung für Bioreaktoren bekannt, mit einem in einem Behälterinnenraum an einem rotierbaren Rührerschaft in einem in vertikaler Richtung verschiebbaren Gestell aufgehängten Propeller, der von einem durch aufsteigende Gasblasen verursachten Druck antreibbar ist. Das Gas wird dabei dem Behälterinnenraum in vertikaler Richtung unten über eine Zuleitung zugeführt und steigt in dem im Behälterinnenraum angeordneten zu mischenden Medium auf.
Nachteilig bei der bekannten Mischvorrichtung ist, dass der Propeller, der zugleich Antrieb und Rührer bildet, komplett in dem zu mischenden Medium eingetaucht sein muss. Weiterhin nachteilig ist, dass die bekannte Mischvorrichtung relativ aufwendig ausgebildet sein muss und damit wenig geeignet als Einwegvorrichtung ist.
Nach einem weiteren aus der US 2007/0091716 A1 bekannten Ausführungsbeispiel ist die Mischvorrichtung als eine in dem Behälterinnenraum in dem Medium angeordnete zylindrische Walze, die sich um eine in horizontaler Richtung angeordnete Achse dreht, ausgebildet. Dabei weist die Walze in ihrem Inneren radial angeordnete Rührblätter und an ihrem Umfang ebenfalls radial angeordnete Antriebsschaufeln auf, die von einem durch aufsteigende Gasblasen verursachten Druck antreibbar sind.
Auch dieses bekannte Ausführungsbeispiel weist die obigen Nachteile auf.
Weiterhin ist aus der DE 24 19 305 C2 eine Mischvorrichtung für Bioreaktoren bekannt, die einen in einem Behälterinnenraum an einem rotierenden Rührerschaft angeordneten Rührer aufweist.
Nachteilig dabei ist, dass der Rührerschaft von einem mechanisch relativ aufwendig ausgebildeten Hydraulikmotor angetrieben wird, der auch bei Einbau in den Behälterinnenraum von einer außerhalb angeordneten Hydraulikpumpe angetrieben wird, die ihrerseits von einer Kraftmaschine angetrieben werden muss.
Weiterhin ist aus der DE 20 2009 006 889 U1 eine Mischvorrichtung für einen als Einwegbehälter ausgebildeten Bioreaktor bekannt, der einen in einem Behälterinnenraum an einem rotierenden Rührerschaft angeordneten Rührer aufweist.
Die Mischvorrichtung, die sich grundsätzlich bewährt hat, weist einen gekapselten Antrieb auf, der nach Gebrauch zusammen mit dem Mischerschaft und dem Einwegbehälter entsorgbar ist.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Mischvorrichtung mit einem einfachen und kostengünstigen Antrieb zur Verfügung zu stellen, die insbesondere mit dem als Einwegbehälter ausgebildeten Bioreaktor entsorgt werden kann.
Darstellung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass der Rührerschaft oberhalb eines zu mischenden Mediums ein Antriebsrad mit radial zur Schaftachse angeordneten Aufprallflächen aufweist, und dass dem Antriebsrad benachbart ein Düsenkopf mit einer Austrittsdüse vorgelagert ist, über die aus einer Druckleitung zugeführtes Fluid auf die Aufprallflächen auftreffend ausstoßbar ist
Durch die Anordnung des Antriebsrades außerhalb des zu mischenden Mediums in einem Gasraum entsteht ein direkter Antrieb dessen Schubkraft F unabhängig von dem zu mischenden flüssigen Medium direkt von dem Düsenkopf auf die Aufprallflächen des Antriebsrades übertragen wird. Im optimalen Fall folgt die Schubkraft F der Raketengrundformel und beträgt in erster Näherung F = m_p·v_e, wobei m_p der Durchflussrate des Fluids durch den Düsenkopf und v_e der effektiven Fließgeschwindigkeit des Fluids entspricht. In einer zweiten Näherung kann die Schubkraft F nach der Formel F = m_p·v_e + (p_D – p_U)A_D berechnet werden, wobei p_D dem Ausgangsdruck des Düsenkopfes, p_U dem Umgebungsdruck des Antriebsrades und A_D der Austrittsfläche der Austrittsdüse des Düsenkopfes entspricht. Eine derartige Mischvorrichtung kann einfach und kostengünstig ausgebildet und mit dem Bioreaktor entsorgt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rührerschaft mit seinem in vertikaler Richtung unteren Ende in einer am Behälterboden angeordneten unteren Lagerbuchse und mit seinem in vertikaler Richtung oberen Ende in einer an der Behälterdecke angeordneten oberen Lagerbuchse drehbar gelagert, wobei das Antriebsrad im Behälterinnenraum zwischen der Behälterdecke und dem maximalen Füllstand des Mediums im Behälterinnenraum angeordnet ist.
Durch die Anordnung des Antriebsrades im Behälterinnenraum ist eine Durchführung des Rührerschaftes durch die Wandung des Bioreaktorraumes nicht notwendig, so dass keine mit der Rotation des Rührerschaftes möglichen Dichtprobleme im Zusammenhang mit der Wanddurchführung auftreten können.
Das Fluid kann aus einem Vorratsbehälter über eine Pumpe oder einen Kompressor der Druckleitung mit vorgebbarem Druck zugeführt werden. Das Fluid kann aber auch in Form des zu mischenden Mediums aus dem Behälterinnenraum über eine Abflussleitung abgeleitet und über eine Pumpe oder einen Kompressor der Druckleitung mit erhöhtem Druck zugeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist aus dem Behälterinnenraum über eine Abflussleitung oberhalb des zu mischenden Mediums Gas ableitbar und über eine Pumpe oder einen Kompressor der Druckleitung mit erhöhtem Druck zuführbar. Dies hat den Vorteil, dass das zu mischende Medium nicht direkt einem erhöhten Druck ausgesetzt werden muss.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, ohnehin in den Behälter einzuleitendes Fluid direkt über die Druckleitung und den Düsenkopf dem Antriebsrad zuzuführen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Pumpe aus einem mit dem Fluid in Berührung kommenden Einwegteil und aus einem wiederverwendbaren Antriebsteil. Damit kann das Einwegteil besonders kostengünstig hergestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rührerschaft mit seinem in vertikaler Richtung unteren Ende in einer am Behälterboden angeordneten unteren Lagerbuchse und mit seinem in vertikaler Richtung oberen Ende in einer an der Behälterdecke angeordneten oberen Lagerbuchse drehbar gelagert, wobei der Rührerschaft im Bereich der oberen Lagerbuchse die Behälterdecke durchdringt, und wobei das Antriebsrad außerhalb des Behälterinnenraumes am freien Ende des Rührerschaftes angeordnet ist.
Dies hat den Vorteil, dass der Düsenkopf mit der Druckleitung wieder verwendet werden kann, da er nicht mit dem Reaktorinhalt in Berührung kommt.
Dabei kann der Druckleitung über einen Kompressor Gas aus der Umgebung mit vorgebbarem Druck zugeführt werden. Es ist aber auch möglich, der Druckleitung aus einem Vorratsbehälter Gas mit vorgebbarem Druck zuzuführen.
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 im Schnitt einer in einem Bioreaktor angeordneten Mischvorrichtung, mit einem im Behälterinnenraum angeordneten Antriebsrad,
2: eine Seitenansicht im Schnitt einer weiteren in einem Bioreaktor angeordneten Mischvorrichtung, mit einem außerhalb des Behälterinnenraumes angeordneten Antriebsrad,
3: eine Seitenansicht im Schnitt einer weiteren in einem Bioreaktor angeordneten Mischvorrichtung, mit einem im Behälterinnenraum angeordneten Antriebsrad,
4: eine Seitenansicht im Schnitt einer weiteren in einem Bioreaktor angeordneten Mischvorrichtung, mit einem im Behälterinnenraum angeordneten Antriebsrad mit einer in einen Einwegteil und in einen Antriebsteil aufgeteilten Pumpe und
5: eine vergrößerte räumliche Darstellung eines Antriebsrades.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Mischvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Rührerschaft 2, einem Rührer 3, einem Antriebsrad 4 und einem Düsenkopf 5.
Der Rührerschaft 2 ist in einem Behälterinnenraum 6 eines Bioreaktors 7, der als ein Einwegbehälter ausgebildet ist, angeordnet. Mit seinem in vertikaler Richtung unteren Ende 8 ist der Rührerschaft 2 in einer am Behälterboden 9 des Bioreaktors 7 angeordneten unteren Lagerbuchse 10 und mit seinem in vertikaler Richtung oberen Ende 11 in einer an der Behälterdecke 12 des Bioreaktors 7 angeordneten oberen Lagerbuchse 13 drehbar gelagert
Gemäß den Ausführungsbeispielen der 1, 3 und 4 ist das Antriebsrad 4 im Behälterinnenraum 6 zwischen der Behälterdecke 12 und dem maximalen Füllstand 14 eines zu mischenden Mediums 15 angeordnet. Das Antriebsrad 4 weist radial von dem Rührerschaft 2 weggerichtete Aufprallflächen 17 auf. Dabei ist dem Antriebsrad 4 der Düsenkopf 5 mit seiner Austrittsdüse 16 vorgelagert. Die Austrittsdüse 16 ist auf die Aufprallflächen 17 gerichtet.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 wird über eine Abflussleitung 18 zu mischendes Medium 15 abgeleitet und über eine Pumpe 19 und eine Druckleitung 20 mit erhöhtem Druck dem Düsenkopf 5 als Fluid zugeführt. Das Fluid wird durch die Austrittsdüse 16 gedrückt und prallt bzw. stößt gegen die jeweilige Aufprallfläche 17 des Antriebsrades 4, was zu dessen Rotation und damit zur Rotation des Rührerschaftes 2 und des mit diesem verbunden Rührers 3 führt.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 3 wird aus dem Behälterinnenraum 6 über die Abflussleitung 18' oberhalb des zu mischenden Mediums 15 gasförmiges Fluid abgeleitet und über einen Kompressor 21' der Druckleitung 20' mit erhöhtem Druck zugeführt und über den Düsenkopf 5 ausgestoßen.
Das Ausführungsbeispiel der 4 zeigt eine Pumpe 22, die aus einem mit dem Fluid in Berührung kommenden Einwegteil 23 und aus einem wiederverwendbaren Antriebsteil 24 besteht.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 durchdringt der Rührerschaft 2'' im Bereich der oberen Lagerbuchse 13'' die Behälterdecke 12'', wobei das Antriebsrad 4'' außerhalb des Behälterinnenraumes 6'' am freien Ende 25 des Rührerschaftes 2'' angeordnet ist. Dabei wird der Druckleitung 20'' über einen Kompressor 21'' Gas aus der Umgebung mit vorgebbarem Druck zugeführt.
Bezugszeichenliste

1: Mischvorrichtung
2, 2'': Rührerschaft
3: Rührer
4, 4'': Antriebsrad
5: Düsenkopf
6, 6'': Behälterinnenraum
7: Bioreaktor
8: unteres Ende
9: Behälterboden
10: untere Lagerbuchse
11: oberes Ende
12, 12'': Behälterdecke
13, 13'': obere Lagerbuchse
14: max. Füllstand
15: Medium
16: Austrittsdüse
17: Aufprallfläche
18, 18': Abflussleitung
19: Pumpe
20, 20', 20'': Druckleitung
21, 21', 21'': Kompressor
22: Pumpe
23: Einwegteil
24: Antriebsteil
25: freies Ende
26: Schaftachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0091716 A1 [0003, 0005]
DE 2419305 C2 [0007]
DE 202009006889 U1 [0009]

Claims

Mischvorrichtung (1) für Bioreaktoren (7), die insbesondere als Einwegbehälter mit flexiblen Wänden ausgebildet sind, mit einem in einem Behälterinnenraum (6, 6'') an einem rotierenden Rührerschaft (2, 2'') angeordneten Rührer (3), der von einem Fluid antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührerschaft (2, 2'') oberhalb eines zu mischenden Mediums ein Antriebsrad (4, 4'') mit radial zur Schaftachse (26) angeordneten Aufprallflächen (17) aufweist, und dass dem Antriebsrad (4, 4'') benachbart ein Düsenkopf (5) mit einer Austrittsdüse (16) vorgelagert ist, über die aus einer Druckleitung (20, 20', 20'') zugeführtes Fluid auf die Aufprallflächen (17) auftreffend ausstoßbar ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührerschaft (2) mit seinem in vertikaler Richtung unteren Ende (8) in einer am Behälterboden (9) angeordneten unteren Lagerbuchse (10) und mit seinem in vertikaler Richtung oberen Ende (11) in einer an der Behälterdecke (12) angeordneten oberen Lagerbuchse (13) drehbar gelagert ist, und dass das Antriebsrad (4) im Behälterinnenraum (6) zwischen der Behälterdecke (12) und dem maximalen Füllstand (14) im Behälterinnenraum (6) angeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid aus einem Vorratsbehälter über eine Pumpe (19, 22) oder einen Kompressor (21) der Druckleitung (20, 20', 20'') mit vorgebbarem Druck zuführbar ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Behälterinnenraum (6) über eine Abflussleitung (18) zu mischendes Medium (15) ableitbar und über eine Pumpe (19, 22) oder einen Kompressor (21) der Druckleitung (20) mit erhöhtem Druck zuführbar ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Behälterinnenraum (6) über eine Abflussleitung (18') oberhalb des zu mischenden Mediums (15) Gas ableitbar und über eine Pumpe oder einen Kompressor (21') der Druckleitung (20') mit erhöhtem Druck zuführbar ist.
Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (22) aus einem mit dem Fluid in Berührung kommenden Einwegteil (23) und aus einem wiederverwendbaren Antriebsteil (24) besteht.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührerschaft (2'') mit seinem in vertikaler Richtung unteren Ende (8) in einer am Behälterboden (9) angeordneten unteren Lagerbuchse (10) und mit seinem in vertikaler Richtung oberen Ende (11) in einer an der Behälterdecke (12'') angeordneten oberen Lagerbuchse (13'') drehbar gelagert ist, dass der Rührerschaft (2'') im Bereich der oberen Lagerbuchse (13'') die Behälterdecke (12'') durchdringt, und dass das Antriebsrad (4'') außerhalb des Behälterinnenraumes (6'') am freien Ende (25) des Rührerschaftes (2'') angeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckleitung (20'') über einen Kompressor (21'') Gas aus der Umgebung mit vorgebbarem Druck zuführbar ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckleitung (20'') aus einem Vorratsbehälter Gas mit vorgebbarem Druck zuführbar ist.