DE102010012162A1

DE102010012162A1 - Verfahren zum Überwachen des Prozeßablaufs in einem Bioreaktor und Überwachungsvorrichtung dafür

Info

Publication number: DE102010012162A1
Application number: DE201010012162
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: PRO DESIGN GES fur PRODUKTENTWICKLUNG MBH; Pro Design Gesellschaft fur Produktentwicklung Mbh
Current assignee: PRO DESIGN GES fur PRODUKTENTWICKLUNG MBH; Pro Design Gesellschaft fur Produktentwicklung Mbh
Priority date: 2010-03-20
Filing date: 2010-03-20
Publication date: 2011-09-22

Abstract

Der Bioreaktor hat auf der Höhe einer Grenzschicht zwischen einem Flüssigkeitraum und einem Gasraum ein seitliches Fenster (8). Davor liegen eine Beleuchtungseinrichtung (4), die durch das Fenster (8) in den Bioreaktor hineinleuchtet, und eine Kamera (1), die durch das Fenster (8) in den Bioreaktor hineinblickt. Das von der Kamera (1) aufgenommene Bild wird einer automatischen online Bildverarbeitungseinheit überstellt, die das prozeßschädliche Auftreten von Schaum erkennt und daraufhin ein Signal liefert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen des Prozeßablaufs in einem Bioreaktor und eine Überwachungsvorrichtung dafür.
Aus der Praxis sind Bioreaktoren kleiner und mittlerer Größe bekannt, die auf der Höhe einer Grenzschicht zwischen einem Flüssigkeitsraum und einem Gasraum ein seitliches Fenster haben. Exemplarisch seien Labor- und Technikumsfermenter mit einem langen Schauglas nach DIN 7081 sowie Einweg-Bioreaktoren genannt. Ein Beobachter kann durch das Fenster das Prozeßgeschehen in dem Grenzbereich von Flüssigkeit und Gas verfolgen und insbesondere Änderungen im Trübungsgrad der Flüssigkeit, Farbänderungen der Flüssigkeit und eine Schaumbildung an der Grenzschicht von Flüssigkeit und Gas erkennen.
Eine besonders kritische Prozeßkenngröße ist die Schaumbildung. Während eine dünne Schicht Schaumbläschen an der Grenzschicht von Flüssigkeit und Gas bei vielen Prozessen auftritt und unschädlich ist, deutet eine massive Schaumbildung darauf hin, daß der Prozeß umkippt oder sonstwie aus dem Ruder läuft. Oft tritt der Störfall so schnell ein, daß ein korrigierender Eingriff in den Prozeß nicht mehr möglich ist. Die Konsequenzen sind bitter. Die in dem Bioreaktor enthaltene Charge ist im allgemeinen verloren. Der Bioreaktor muß sehr sorgfältig gereinigt und autoklaviert werden, bevor er wieder in Betrieb genommen werden kann. Das kostet Zeit und Geld. Es kommt vor, daß ein Bioreaktor regelrecht überschäumt und austretender Schaum an anderer Stelle Störungen verursacht bzw. weiteren Reinigungsbedarf nach sich zieht.
Zur Überwachung der Schaumbildung in einem Bioreaktor sind Tauchsonden bekannt, die von oben in den Gasraum des Bioreaktor ragen. Die Tauchsonden haben zwei Elektroden, zwischen denen der aufsteigende Schaum einen Stromkreis schließen soll, um ein Alarmsignal auszulösen. Die Handhabung dieser Tauchsonden ist umständlich. Sie müssen regelmäßig gereinigt werden. Auch läßt die Betriebssicherheit der Tauchsonden zu wünschen übrig. Flüssigkeitsspritzer, Verdunstungsniederschlag o. ä. können einen Fehlalarm auslösen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Prozeßablaufs in einem Bioreaktor der genannten Art zu schaffen, mit denen sich das prozeßschädliche Auftreten von Schaum unaufwendiger, schneller und sicherer erkennen und effektiv bekämpfen läßt.
Zur Lösung dieser Aufgabe liegen vor dem seitlichen Fenster des Bioreaktors eine Beleuchtungseinrichtung, die durch das Fenster in den Bioreaktor hineinleuchtet, und eine Kamera, die durch das Fenster in den Bioreaktor hineinblickt. Das von der Kamera aufgenommene Bild wird einer automatischen online Bildverarbeitungseinheit überstellt, die das prozeßschädliche Auftreten von Schaum erkennt und daraufhin ein Signal liefert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera eine Farbbildkamera. Mit der Bildverarbeitungseinheit wird eine Farbänderung der Flüssigkeit erfaßt. Oft, wenn auch nicht immer geht eine solche Farbänderung dem prozeßschädlichen Auftreten von Schaum voraus.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird mit der Bildverarbeitungseinheit überdies eine Änderung des Trübungsgrads der Flüssigkeit erfaßt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird auf das Signal der Bildverarbeitungseinheit hin ein Alarm ausgelöst.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das Signal der Bildverarbeitungseinheit dazu herangezogen, automatisch in den Prozeßablauf einzugreifen, um die Schaumbildung zu verringern. Der Erfolg des Eingriffs wird anhand eines mit der Kamera aufgenommenen Folgebilds von der Bildverarbeitungseinheit kontrolliert.
Der Eingriff in den Prozeßablauf kann beispielsweise in einem Zudosieren von Antischaummittel, einer Drosselung der Begasung, einer Reduzierung der Drehzahl eines Rührers bestehen. Ziel ist, den aus dem Ruder laufenden Prozeß wieder einzufangen und zu stabilisieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das mit der Kamera aufgenommene Bild an einem Display dargestellt. Das Bild am Display dient dem Beobachter als Ersatz für den direkten Blick durch das Fenster. Es ist überdies bei der Justierung der Überwachungsvorrichtung von Vorteil.
Bisweilen ist der Inhalt des Bioreaktors sehr lichtempfindlich. Es empfiehlt sich dann eine stroboskopartige Beleuchtung, mit der die Bildaufzeichnung der Kamera synchron getaktet ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beleuchtungseinrichtung aus zwei LED-Zeilen oberhalb und unterhalb der Kamera. Die LED-Zeilen lassen sich vorzugsweise unabhängig voneinander in der Helligkeit verstellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Kamera ein Weitwinkelobjektiv.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera geeignet, eine Skala an der dem Fenster gegenüberliegenden Innenwand des Bioreaktors zu erfassen. Das ermöglicht es, den Füllstand des Bioreaktors zu kontrollieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kamera eine Videokamera.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Beleuchtungseinrichtung und die Kamera in einem lichtdichten Gehäuse untergebracht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bildverarbeitungseinheit ein programmierbarer Prozeßrechner.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fenster des Bioreaktors länglich-oval mit Haupterstreckung in der Vertikalen. Die Überwachungsvorrichtung läßt sich vor dem Fenster in der Höhe verstellen und festlegen.
Durch die Höhenverstellung der Überwachungsvorrichtung kann das Blickfeld der Kamera in dem interessierenden Grenzbereich von Flüssigkeit und Gas an den Flüssigkeitspegel in dem Bioreaktor angepaßt werden. Ausnahmsweise besteht auch die Möglichkeit, nur den Gasraum des Bioreaktors zu überwachen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Überwachungsvorrichtung eine handbetätigbare Klemmhalterung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform läßt sich die Überwachungsvorrichtung motorisch in der Höhe verstellen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die motorische Höhenverstellung der Überwachungsvorrichtung von der Bildverarbeitungseinheit automatisch gesteuert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Überwachungsvorrichtung für die Verbindung mit der Bildverarbeitungseinheit einen USB-Anschluß. Der USB-Anschluß dient zur elektrischen Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung, zur Übertragung der Kamera-Bildinformation und zur Übertragung von Steuersignalen der Bildverarbeitungseinheit.
Die Überwachungsvorrichtung kommt vorzugsweise an einem Labor- oder Technikumsfermenter aus Edelstahl zum Einsatz, der als Fenster ein Schauglas hat.
Alternativ bevorzugt ist ein Einsatz der Überwachungsvorrichtung an einem Einweg-Bioreaktor mit einem Außenbehälter vorzugsweise aus Edelstahl und einem darin eingelassenen Kunststoffbeutel. Der Außenbehälter ist mit einem als Fenster dienenden Langloch versehen. Die Beleuchtungseinrichtung leuchtet durch den Kunststoffbeutel hindurch. Die Kamera blickt durch den Kunststoffbeutel hindurch.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 die Vorderansicht einer Überwachungsvorrichtung, die vor dem Fenster eines Bioreaktors angebracht ist;
2 einen Längsschnitt nach A-A von 1; und
3 einen Querschnitt nach B-B von 1.
Die Überwachungsvorrichtung ist außen vor dem seitlichen Fenster 8 eines Bioreaktors angebracht. Das Fenster 8 besteht aus einem länglich-ovalen Schauglas mit Haupterstreckung in der Vertikalen. Es sitzt zwischen den einander gegenüberliegenden Wänden einer Schauglasarmatur 9.
Die Überwachungsvorrichtung hat außen eine lichtdichte Gehäuseabdeckung 6, in der eine Beleuchtungseinrichtung 4 und eine Kamera 1 untergebracht sind. Letztere sind durch die Gehäuseabdeckung 6 vor Fremdlicht und Verschmutzung von außen geschützt.
Die Beleuchtungseinrichtung 4 besteht aus zwei Leiterplatten, die oberhalb und unterhalb der Kamera 1 angeordnet sind und je eine Zeile mit drei LED's tragen. Es handelt sich um lichtstarke LED's mit einem spektralen Emissionsbereich um 400 nm. Die Helligkeit der LED's läßt sich von Zeile zu Zeile unabhängig verstellen. Die LED's emittieren ihr Licht durch das Schauglas 8 in den Bioreaktor hinein.
Der Blick der Kamera 1 ist durch das Schauglas in den Bioreaktor hinein gerichtet. Die Kamera 1 hat ein Weitwinkelobjektiv 2 und eine Bildsensorik auf einer Leiterplatte 3.
Die Beleuchtungseinrichtung 4 und die Kamera 1 sind in fester räumlicher Zuordnung an einer gemeinsamen Halterung 7 angebracht. Die Halterung 7 und die Gehäuseabdeckung 6 sitzen an einem Schauglasadapter 10, der mit einer Klemmhalterung 11 an der Außenwand der Schauglasarmatur 9 festgeklemmt ist.
Die Überwachungsvorrichtung hat einen USB-Anschluß 5, über den die Bilddaten der Kamera 1 einer online Bildverarbeitungseinheit überstellt werden. Der USB-Anschluß 5 dient zugleich zur elektrischen Energieversorgung der Überwachungsvorrichtung und zur Übertragung von Steuerdaten für die Helligkeit der LED's, die Verschlußzeit der Kamera u. a. m.
Bezugszeichenliste

1: Kamera
2: Weitwinkelobjektiv
3: Leiterplatte
4: Beleuchtungseinrichtung
5: USB-Anschluß
6: Gehäuseabdeckung
7: Halterung
8: Fenster
9: Schauglasarmatur
10: Schauglasadapter
11: Klemmhalterung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 7081 [0002]

Claims

Verfahren zum Überwachen des Prozeßablaufs in einem Bioreaktor, der auf der Höhe einer Grenzschicht zwischen einem Flüssigkeitsraum und einem Gasraum ein seitliches Fenster (8) hat, vor dem eine Beleuchtungseinrichtung (4), die durch das Fenster (8) in den Bioreaktor hineinleuchtet, und eine Kamera (1) liegen, die durch das Fenster (8) in den Bioreaktor hineinblickt, wobei das mit der Kamera (1) aufgenommene Bild einer automatischen online Bildverarbeitungseinheit überstellt wird, die das prozeßschädliche Auftreten von Schaum zu erkennen geeignet ist und daraufhin ein Signal liefert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (1) farbempfindlich, und die Bildverarbeitungseinheit eine Farbänderung der Flüssigkeit zu erfassen geeignet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinheit eine Änderung des Trübungsgrads der Flüssigkeit zu erfassen geeignet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Signal der Bildverarbeitungseinheit hin ein Alarm ausgelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Bildverarbeitungseinheit dazu herangezogen wird, automatisch in den Prozeßablauf einzugreifen, um die Schaumbildung zu verringern, und daß der Erfolg des Eingriffs anhand eines mit der Kamera (1) aufgenommenen Folgebilds von der Bildverarbeitungseinheit kontrolliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Kamera (1) aufgenommene Bild an einem Display dargestellt wird.
Vorrichtung zum Überwachen des Prozeßablaufs in einem Bioreaktor, der auf der Höhe einer Grenzschicht zwischen einem Flüssigkeitsraum und einem Gasraum ein seitliches Fenster (8) hat, vor dem eine Beleuchtungseinrichtung (4), die durch das Fenster (8) in den Bioreaktor hineinleuchtet, und eine Kamera (1) liegen, die durch das Fenster (8) in den Bioreaktor hineinblickt, wobei das mit der Kamera (1) aufgenommene Bild einer automatischen online Bildverarbeitungseinheit überstellbar ist, die das prozeßschädliche Auftreten von Schaum zu erkennen und daraufhin ein Signal zu liefern geeignet ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (4) und die Bildaufzeichnung der Kamera (1) synchron getaktet sind.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (4) aus zwei LED-Zeilen oberhalb und unterhalb der Kamera (1) besteht, die vorzugsweise unabhängig voneinander in der Helligkeit verstellbar sind.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (1) ein Weitwinkelobjektiv (2) hat.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (1) eine Skala an der dem Fenster (8) gegenüberliegenden Innenwand des Bioreaktors zu erfassen geeignet ist.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (1) eine Farbbildkamera ist.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (1) eine Videokamera ist.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (4) und die Kamera (1) in einem lichtdichten Gehäuse untergebracht sind.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinheit ein programmierbarer Prozeßrechner ist.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (8) des Bioreaktors länglich-oval mit Haupterstreckung in der Vertikalen, und die Überwachungsvorrichtung vor dem Fenster (8) in der Höhe verstellbar und festlegbar ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine handbetätigbare Klemmhalterung (11) hat.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie motorisch in der Höhe verstellbar ist.
Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ihre motorische Höhenverstellung von der Bildverarbeitungseinheit automatisch gesteuert ist.
Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie für die Verbindung mit der Bildverarbeitungseinheit einen USB-Anschluß (5) hat.
Verwendung einer Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20 an einem Labor- oder Technikumsfermenter vorzugsweise aus Edelstahl, der als Fenster (8) ein Schauglas hat.
Verwendung einer Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20 an einem Einweg-Bioreaktor mit einem Außenbehälter vorzugsweise aus Edelstahl und einem darin eingelassenen Kunststoffbeutel, wobei der Außenbehälter mit einem als Fenster (8) dienenden Langloch versehen ist, die Beleuchtungseinrichtung (4) durch den Kunststoffbeutel hindurchleuchtet und die Kamera (1) durch den Kunststoffbeutel hindurchblickt.