DE102018204477A1

DE102018204477A1 - Vorrichtung und verfahren zur sterilen probenahme

Info

Publication number: DE102018204477A1
Application number: DE102018204477.5A
Authority: DE
Inventors: Bernd-Ulrich Wilhelm; Jan Millauer; Ronnie Wilhelm
Original assignee: BBI Biotech GmbH
Current assignee: BBI Biotech GmbH
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-09-26
Also published as: WO2019180098A1; US20210130763A1; EP3768817A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Probenahme aus Bioreaktoren, mit einer mit einem Bioreaktor verbindbaren Steigleitung (1), einer Stichleitung (2) und einer Entnahmeleitung (3), die mit einer T-artigen Verbindung verbunden sind. Die Entnahmeleitung (3) weist ein erstes Absperrventil (4) auf, die Stichleitung (2) ist mit einer Überdruckquelle (5) verbunden und die Entnahmeleitung (3) ist mit einer Pumpe (7) verbunden. Bei der Vorrichtung zur Probenahme sind die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) über eine Kontrolleinheit (13) automatisiert steuerbar. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Probenahme.

Description

Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Probenahme sowie ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Probenahme von Kulturlösungen wie Mikroorganismen oder Zellen aus beispielsweise Bioreaktoren, wie autoklavierbaren Kulturgefäßen, Fermentern oder anderen Kultivierungssystemen bekannt. Die EP 2305790 zeigt eine solche Vorrichtung, wobei mit einer sterilen Spritze mit sogenanntem Luer-Lock-Konus über eine Verbindung aus autoklavierbaren Kulturgefäßen eine Probe manuell entnommen werden kann. Dabei umfasst die Vorrichtung ein beim Aufsetzen der Spritze selbsttätig öffnendes und beim Abnehmen selbsttätig schließendes Automatikventil. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Automatikventil und der Verbindung ein zum Automatikventil hin schließendes Rückschlagventil vorgesehen ist. Die Vorrichtung aus der EP 2305790 zeigt ferner eine Stichleitung mit einem Luftfilter und einem Rückschlagventil, die über ein T-Stück mit einer Durchgangsleitung zwischen dem Automatikventil und der Verbindung verbunden ist. Zum Spülen der Vorrichtung wird nach der EP 2305790 eine Spritze an die Stichleitung angeschlossen und der Kolben so oft herausgedrückt bis die Kulturlösung aus den Leitungen in das Kulturgefäß vollständig zurückverdrängt ist.
Die Bedienung von Hand erfordert ein regelmäßiges Eingreifen von außen. Besonders bei längeren Versuchen ist eine manuelle Bedienung aufwändig und kostenintensiv. Ferner kann es bei einer Fehlbedienung zu einer Kontamination des Bioreaktors oder der Probe kommen.
Der gegenwärtigen Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Probenahme zu entwickeln, bei der eine Kontamination der Probe oder des Bioreaktors vermieden wird und die so konzipiert ist, dass sie voll automatisiert eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung weist eine mit einem Bioreaktor verbindbare Steigleitung, eine Stichleitung und eine Entnahmeleitung auf. Die Steigleitung, die Stichleitung und die Entnahmeleitung sind dabei mittels einer T-artigen Verbindung verbunden.
Die Entnahmeleitung weist ein erstes Absperrventil auf. Die Stichleitung ist optional mit einer Überdruckquelle verbunden bzw. verbindbar und die Entnahmeleitung mit einer Pumpe.
Ferner weist die Vorrichtung eine Kontrolleinheit zur Steuerung der Überdruckquelle, der Pumpe und des ersten Absperrventils auf.
Durch diese Anordnung können die Überdruckquelle, die Pumpe und das erste Absperrventil automatisch gesteuert werden, indem die einzelnen Komponenten in einer festgelegten Reihenfolge von der Kontrolleinheit aktiviert bzw. betätigt werden. So können ohne menschliches Eingreifen Proben entnommen bzw. Messungen im geförderten Medium durchgeführt werden. Dafür können die Ventile, die Überdruckquelle und die Pumpe bzw. weitere mögliche Bauteile der Vorrichtung entsprechende Aktuatoren und/oder Motoren aufweisen und/oder mit solchen verbunden sein, um eine derartige durch die Kontrolleinheit ausgelöste Aktivierung oder Betätigung zu ermöglichen. Aktivierung bzw. Betätigung bedeutet im Falle von Ventilen beispielsweise ein Öffnen und Schließen. Im Falle der Pumpe und der Überdruckquelle sind darunter ein Ein- und Ausschalten zu verstehen. Generell kann darunter beispielsweise eine Änderung eines Betriebszustands verstanden werden, die im vorliegenden Fall vorzugsweise ohne menschliches Eingreifen und durch die Kontrolleinheit gesteuert vorgenommen werden kann.
Dadurch wird es insbesondere vereinfacht, mehrere Probenahmen und/oder Messungen über einen längeren Zeitraum auszuführen. Es ist dann zum Beispiel nicht erforderlich, dass eine Person während der Probenahme zugegen ist, um diese manuell auszulösen oder durchzuführen.
Als T-artige Verbindung, über die die Steigleitung, die Stichleitung und die Entnahmeleitung miteinander verbunden sind, sind dabei alle Verbindungen zu verstehen, die eine Verbindung von drei Leitungen ermöglichen, also beispielsweise auch Verbindungen die von ihrer Geometrie eher eine Y-artige Verbindung darstellen. Der Einsatz eines genormten und/oder handelsüblichen T-Stücks stellt eine mögliche Ausführung dar, ist im Sinne der Anmeldung aber nicht zwingend.
Die Leitungen können beispielsweise als Schläuche ausgebildet sein.
Die Überdruckquelle kann beispielsweise als Spritze oder spritzenähnlich ausgebildet sein. Es kann sich also beispielsweise um einen Behälter mit einem beweglichen Bolzen handeln, der ähnlich wie bei einer Spritze gesenkt werden kann zur Erzeugung eines Überdrucks. Die Überdruckquelle kann auch als Prozessgasquelle oder als sterile Gasquelle ausgebildet sein, beispielsweise als Gasleitung oder unter Druck stehender Behälter. Das Prozessgas ist dabei vorzugsweise ein Gas, das den biologischen Prozess im Inneren des Reaktors nicht beeinflusst oder nicht negativ beeinflusst. Als Überdruckgas kann beispielsweise Stickstoff zum Einsatz kommen. Die Prozessgasquelle oder sterile Gasquelle kann in Form eines entsprechend angeschlossenen beispielsweise austauschbaren Gastanks oder in Form einer Gasleitung bereitgestellt werden. Die Überdruckquelle kann auch eine Pumpe zum Erzeugen eines Drucks aufweisen. Vorzugsweise ist die Überdruckquelle automatisiert steuerbar, verfügt also über einen Mechanismus, der elektronisch ansteuerbar den Überdruck zur Verfügung stellt, ohne dass menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Die Pumpe, die mit der Entnahmeleitung verbunden ist, kann beispielsweise als Schlauchpumpe wie zum Beispiel als Schlauchquetschpumpe bzw. Rollenpumpe ausgestaltet sein. Hierfür ist die Entnahmeleitung zumindest im Bereich der Pumpe vorzugsweise als flexibler Schlauch ausgebildet. Die Pumpe dient zur Erzeugung eines Unterdrucks. Durch den Unterdruck kann die Probe aus dem mit der Vorrichtung verbindbaren Kulturgefäß gesaugt werden, beispielsweise in ein mit der Entnahmeleitung verbindbares Probengefäß. Das Probengefäß ist beispielsweise aus Kunststoff oder Edelstahl gefertigt.
Durch die Anordnung des ersten Absperrventils in der Entnahmeleitung kann die Entnahmeleitung verschlossen werden und mittels der Überdruckquelle, die an die Stichleitung anschließbar ist, die Steigleitung durchgepustet werden. Das geförderte Medium kann so aus der Steigleitung herausgedrückt werden. Im Gegensatz zu Anordnungen, bei denen die Entnahmeleitung nicht verschließbar ist, kann das durchzupustende Leitungsvolumen, das mittels der Überdruckquelle leergepustet werden muss, hier verringert werden, wodurch eine einfachere, schnellere und zuverlässigere Reinigung oder Spülung ermöglicht wird. Ferner wird bei einem Durchpustvorgang die Gefahr einer Kontamination verringert, weil Gas, Prozessgas, Außenluft, Probenmaterial oder Fremdkörper nicht in die von dem ersten Absperrventil verschlossenen Leitungen gelangen kann.
Das erste Absperrventil und weitere Ventile, die anmeldungsgemäß in die Vorrichtung eingebaut werden können, sind in einer Ausführung als elektrisch oder pneumatisch steuerbare Ventile ausgestaltet, um eine Automatisierung des Probenahmeprozesses zu erlauben. Die Ventile sind vorzugsweise nicht medienberührend ausgestaltet bzw. angeordnet, zum Beispiel als Schlauchquetschventile.
Die beschriebene Vorrichtung erlaubt, wie erwähnt, eine automatisierte Probenahme, beispielsweise durch eine vorab programmierte Ausführung von Schritten, in denen die Pumpe oder die Überdruckquelle ein- oder ausgeschaltet werden und das erste Absperrventil und mögliche weitere Absperrventile geöffnet oder geschlossen werden. Diese Schritte können beispielsweise zeitgesteuert, in vorprogrammierten Intervallen ausgeführt und wiederholt werden. Mögliche weitere Komponenten der Vorrichtung können ebenfalls in Kommunikation mit der Kontrolleinheit stehen und Kontrollsignale von der Kontrolleinheit empfangen und in manchen Ausführungen auch Signale bzw. Daten an die Kontrolleinheit senden. Mögliche Ausgestaltungen, die weitere Komponenten umfassen sowie mögliche Interaktionen der Komponenten mit der Kontrolleinheit sind nachfolgend beschrieben.
Ein System gemäß dieser Anmeldung umfasst beispielsweise eine Vorrichtung wie in der Anmeldung beschrieben oder eine Vorrichtung nach einem der Patentansprüche und einen mit der Steigleitung verbundenen Bioreaktor. Der Bioreaktor kann beispielsweise ein autoklavierbares oder mit Dampf sterilisierbares oder anderweitig sterilisierbares Gefäß sein.
In einer Ausführungsform weist die Stichleitung zwischen der Pumpe und der T-artigen Verbindung einen Sterilfilter auf, so dass bei Verwendung einer nicht sterilen Überdruckquelle die Leitungen weiterhin steril gehalten werden. Um eine Verblockung des Sterilfilters oder der Überdruckquelle zu vermeiden, kann weiterhin ein optionales Rückschlagventil in der Stichleitung vorgesehen sein. Dieses ist bei einer Kombination mit einem Sterilfilter zwischen dem Sterilfilter und der T-artigen Verbindung so angeordnet, dass es für einen Fluidfluss in Richtung der T-artigen Verbindung geöffnet und in die entgegengesetzte Richtung geschlossen ist.
Ein weiteres optionales Rückschlagventil kann in der Entnahmeleitung angeordnet sein. Es ist so gerichtet, dass ein Fluidfluss von der T-artigen Verbindung in Richtung der Pumpe ermöglicht und der Fluss in die entgegengesetzte Richtung verhindert wird.
Die Vorrichtung kann weiterhin ein zweites Absperrventil aufweisen welches in der Steigleitung angeordnet ist, vorzugsweise als elektrisch steuerbares Ventil ausgebildet und mit der Kontrolleinheit verbindbar, so dass auch Funktionen die dieses zweite Absperrventil betreffen, automatisierbar sind.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine oder mehrere Sensoreinheiten aufweisen, beispielsweise angeordnet in der Steigleitung und/oder in der Entnahmeleitung. Jede der einen oder mehreren Sensoreinheiten kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, die dazu dienen, einen oder mehrere Messwerte zu erfassen, die einen Zustand oder eine Eigenschaft der Probe beschreiben. Ferner kann auch eine Sensoreinheit in dem Bioreaktor angeordnet sein, um Messwerte der noch in dem Bioreaktor befindlichen Probe zu messen. Beispielsweise kann ein im Bioreaktor angeordnetes Thermometer die Temperatur im Reaktor ständig überwachen.
In einer Ausführung ist zumindest eine der Sensoreinheiten mit der Kontrolleinheit verbunden und dazu eingerichtet, Messwerte an die Kontrolleinheit zu senden und/oder dazu eingerichtet, von der Kontrolleinheit gesteuert zu werden.
Mit der Kontrolleinheit verbundene Sensoren können durch ein an die Kontrolleinheit übermitteltes Signal eine vorprogrammierte Schrittfolge zur Probenahme oder für weitere Messungen auslösen.
Eine Probenahme oder Messung kann beispielsweise durch einen vom Sensor gemessenen Wert, der einen voreingestellten Grenzwert beispielsweise überschreitet oder unterschreitet, ausgelöst werden. Die Probe wird also dann genommen, wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt. Die vorprogrammierten Schritte zur Probenahme können also in diesem Sinne ereignisgesteuert sein, d.h. durch die Messung eines bestimmten Wertes durch einen Sensor ausgelöst werden. Der Messwert wird dabei von dem Sensor an die Kontrolleinheit übermittelt, die dann wiederum die entsprechenden Signale zur Probenahme an die zur Probenahme benötigten Einheiten, wie Pumpen, Absperrventile und Überdruckquellen gibt.
Neben der ereignisgesteuerten Probenahme, gibt es, wie oben beschrieben, die Möglichkeit der zeitgesteuerten Probenahme, welche zu vorab festgelegten Zeiten automatisch, durch die Kontrolleinheit gesteuert, erfolgt, wobei beispielsweise ein Startzeitpunkt und Zeitintervalle durch einen Benutzer festgelegt werden. Die zeitgesteuerte und die ereignisgesteuerte Probenahme können als Alternativen oder in Kombination verwendet werden. Ebenso ist es möglich, dass die Zeitsteuerung und die Ereignissteuerung miteinander in Wechselwirkung stehen und Randbedingungen füreinander darstellen. Beispielsweise kann eine Probenahme zu einer bestimmten Zeit unter der Voraussetzung ausgeführt werden, dass ein bestimmtes Sensorsignal vorliegt oder eine Probenahme bei einem bestimmten Sensorsignal unter der Voraussetzung ausgeführt werden, dass seit der letzten Probenahme mindestens eine festgelegte Zeitspanne verstrichen ist.
Nachfolgend sind einige weitere mögliche Beispiele für Sensoren und deren Anordnung bzw. Verwendung erwähnt, wobei ein Fachmann je nach Probe oder Anwendung entsprechend auch andere Sensoren oder Anordnungen wählen kann.
Als Sensoren können verschiedene physikalische, chemische oder biologische Sensoren verwendet werden.
Beispiele hierfür sind mechanische, elektrische, optische oder mikroelektromechanische Sensoren, elektrochemische Sensoren, Enzymsensoren oder Bioarray- bzw. Biochip-Sensoren.
Beispielsweise können optische Sensoren für eine Spektralanalyse bzw. zur Messung einer optischen Dichte verwendet werden. Weiterhin können chemische Sensoren zur pH-Messung oder zur Sauerstoffmessung dienen. Enzymsensoren können verwendet werden um die Reaktion eines Enzyms proportional zur bestimmenden Konzentration eines Substrates, wie Glucose, Lactat, Glutamat, Glutaminen usw. detektieren.
Die Sensoren können, je nachdem welche Messgröße erfasst werden soll, als berührungslose Sensoren oder medienberührende Sensoren ausgebildet sein.
Es stellt eine weitere Aufgabe der Erfindung dar, die Sensoren so anzuordnen und zu verwenden, dass eine messungsbedingte Beeinflussung oder Kontamination der Probe möglichst vermieden wird oder nur dann erfolgt, wenn sie unvermeidbar ist. Insbesondere im Zusammenhang mit medienberührenden Sensoren entsteht eine solche Problematik.
Beispielsweise führt eine Messung mittels eines medienberührenden Sensors in der Regel dazu, dass die Probe danach nicht wieder in den Bioreaktor zurückgepumpt werden kann, da sie durch die Messung, beispielsweise durch eine chemische Reaktion oder einen biologischen Prozess verbraucht oder so verändert wird, dass sie das übrige Material im Bioreaktor kontaminieren würde.
Mit verschiedenen hier gezeigten Anordnungen kann vermieden werden, dass durch derartige Messungen unnötig Probenmaterial verschwendet wird, weil mehr Material als nötig entnommen wird, oder weil das Material zu früh entnommen wird. Dadurch wird in einer Ausführung einer solchen medienberührenden Messung eine berührungslose Messung vorgeschaltet, die dazu geeignet ist, zu bestimmen, ob das im Bioreaktor befindliche Probenmaterial bereits einen Zustand erreicht hat, in dem die medienberührende Messung sinnvoll ist. Beispielsweise kann durch eine vorgeschaltete optische Analyse bestimmt werden, ob eine Reaktion im Bioreaktor weit genug fortgeschritten ist, um eine medienberührende Messung durchzuführen. Auf Basis einer solchen vorgeschalteten berührungslosen Messung kann auch bestimmt werden, ob eine Probenahme erfolgen soll. Die in der Leitung vorgeschalteten berührungslosen Sensoren erfassen also beispielsweise Messwerte, die eine Entscheidung darüber ermöglichen, ob eine weitere Messung durchgeführt wird und/oder eine Probe entnommen wird.
In einem möglichen Aufbau gemäß der Anmeldung werden also beispielsweise eine erste Sensoreinheit mit einem berührungslosen Sensor und eine zweite Sensoreinheit mit einem medienberührenden Sensor nacheinander angeordnet, wobei vorzugsweise mindestens ein Absperrventil zwischen den beiden Sensoreinheiten angeordnet ist. Das erlaubt eine vorgeschaltete Messung mittels des berührungslosen Sensors, woraufhin, basierend auf den von dem berührungslosen Sensor ermittelten Messwerten, die vorzugsweise an die Kontrolleinheit übermittelt werden, vorzugsweise automatisiert, beispielsweise durch einen Abgleich mit benutzerdefinierten Werten, darüber entschieden wird, ob die Probe entweder wieder zurück in den Bioreaktor gepumpt wird, oder ob die Probe weitergepumpt wird, um von dem medienberührenden Sensor analysiert und/oder entnommen zu werden.
Sofern eine erste Sensoreinheit in der Steigleitung vorhanden ist, kann diese beispielsweise auf der dem Bioreaktor zugewandten Seite des zweiten Absperrventils sein. In einer Ausführung ist diese erste Sensoreinheit nur mit berührungslosen Sensoren ausgestattet.
Es kann in unterschiedlichen Ausführungen auch nur die erste oder nur die zweite Sensoreinheit vorliegen.
Die zweite Sensoreinheit kann zwischen dem ersten Absperrventil und der Pumpe angeordnet sein. Der eine oder die mehreren Sensoren der zweiten Sensoreinheit können als medienberührende Sensoren oder als berührungslose Sensoren ausgebildet sein.
Nach der Messung durch einen medienberührenden Sensoren der ersten und/oder der zweiten Sensoreinheit kann die Probe dann verworfen, gelagert oder für andere Messverfahren zur Verfügung gestellt werden. Das Weiterpumpen und/oder Zurückpumpen wird dabei durch in der Anmeldung vorgeschlagene Pumpen- und Ventilanordnungen ermöglicht.
Beispielsweise kann eine Signalabschwächung bei einer Absorptionsmessung, die mittels eines Sensors der ersten Sensoreinheit durchgeführt wird, auf einen Anstieg der Biomasse, also eine erhöhte Zellenanzahl, hindeuten. Beispielsweise muss ab einer gewissen Biomasse ein Substrat (z.B. Glucose) gefördert werden, dessen Konzentration dann über eine medienberührende Messung in einem Enzymsensor der zweiten Sensoreinheit gemessen wird. Die zweite Messung mit dem Enzymsensor ist teuer und der Sensor ist typischerweise in der Zahl der Messzyklen beschränkt. Daher wird die Messung mit dem Sensor der zweiten Sensoreinheit erst begonnen, wenn der Sensor der ersten Sensoreinheit auf eine hinreichende Zellkonzentration hingewiesen hat.
Die Substratkonzentration soll in einer Ausführung beispielsweise trotz Zellkonzentrationszunahme konstant gehalten werden, was über eine automatische Rückkopplung zu einer möglichen Substratpumpe gewährleistet werden kann, die ebenfalls mit der Kontrolleinheit gekoppelt und durch diese steuerbar ist. Hierfür werden Messungen der Substratkonzentration mittels der ersten Sensoreinheit zeitlich engmaschig durchgeführt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die praktische Handhabung der Probenahmevorrichtung. Das umfasst zum Beispiel auch vorbereitende Schritte, die notwendig sind, um einen sicheren und kontaminationsfreien Reaktionsvorgang und sichere und kontaminationsfreie Sensormessungen und Probenahmen zu ermöglichen.
Neben den beschriebenen Anordnungen von Ventilen und Sensoren kann eine sichere und kontaminationsfreie Handhabung durch eine Vorrichtung gemäß der Anmeldung weiterhin durch eine oder mehrere Sterilkupplungen erleichtert werden, die eine Sterilisation einzelner Komponenten oder Abschnitte der Vorrichtung ermöglichen und außerdem einen Austausch von Sensoren oder anderen Komponenten, in manchen Ausführungen auch während des Reaktionsprozesses, erlauben.
Die Sterilkupplungen sind beispielsweise wie nachfolgend oder in den Figuren dieser Anmeldung beschrieben bzw. gezeigt in die Leitungen integriert.
Insbesondere die Sterilisation der medienberührenden Sensoren der Sensoreinheiten stellt für den Fachmann häufig eine Herausforderung dar, da diese aufgrund ihres direkten Kontakts mit der Probe in manchen Fällen steril sein müssen, aber oft nicht mit dem Bioreaktor zusammen sterilisiert werden können, da sie beispielsweise nicht temperaturfest und somit nicht autoklavierbar oder dampfsterilisierbar sind. Während der Bioreaktor vorzugsweise durch Autoklavierung bzw. Dampfsterilisation sterilisiert wird, sind beispielsweise die medienberührenden Sensoren für diese Arten der Sterilisation nicht geeignet und müssen stattdessen beispielsweise durch Gammasterilisation, Elektronenstrahlsterilisation, Plasmasterilisation oder mittels Ethylenoxid-Sterilisation sterilisiert werden. Das kann gleichermaßen auch auf andere Komponenten der Vorrichtung zutreffen, so dass die hier vorgestellte Lösung dieses Problems für weitere Komponenten analog anwendbar ist.
In manchen Fällen können die medienberührenden Sensoren auch unsteril sein und sind gemäß der Anmeldung Sterilkupplungen von einem sterilen Teil der Vorrichtung getrennt bzw. trennbar angeordnet.
Die berührungslosen Sensoren sind, anders als die medienberührenden Sensoren typischerweise leicht in die Vorrichtung integrierbar, da sie keinen direkten Kontakt zu der Probe haben und vor der Sterilisation abgenommen werden können. Bei der Anordnung der berührungslosen Sensoren ergeben sich dementsprechend zusätzliche Möglichkeiten, die in den beschriebenen Anordnungen ausgenutzt werden. Der gleiche Sachverhalt kann beispielsweise auf die verwendeten Absperrventile zutreffen, wenn diese beispielsweise als Schlauchquetschventile ausgestaltet sind.
Die verwendeten Sterilkupplungen umfassen beispielsweise zwei zusammenfügbare Stutzen. Diese werden an zwei Leitungsenden, die miteinander verbindbar sein sollen, bereitgestellt. Zum Verbinden der Leitungsenden können die Stutzen flüssigkeitsdicht aufeinandergesetzt werden und zum Trennen der Leitungsenden wieder auseinandergezogen werden. In getrenntem Zustand werden die getrennten Leitungsenden vorzugsweise durch die Sterilkupplung abgedichtet. In einer Ausführung sind die Leitungsenden zumindest bevor sie ein erstes Mal aufeinandergesetzt werden durch die Sterilkupplung flüssigkeitsdicht abgedichtet.
Beispielsweise können die Stutzen als zwei komplementäre Plastikstutzen ausgebildet sein, wobei jeder der Stutzen eine Membran aufweisen kann, die das jeweilige Leitungsende abdichtet und die nach Befestigung bzw. Kupplung der beiden Plastikstutzen herausgezogen werden kann, um einen Fluidpfad durch die Sterilkupplung freizugeben. Weiterhin kommen beispielsweise auch Nadel-Membran-Kupplungssysteme in Frage.
Eine Ausführungsform sieht die Verwendung von gammasterilisierbaren Einweg-Kupplungen aus Plastik vor. Ebenso ist die Verwendung von Stahl-Stahl oder Stahl-Plastik-Kupplungen vorgesehen, wobei im letzteren Fall vorzugsweise ein Stahlkupplungsstutzen auf der Seite des Bioreaktors und ein Plastikkupplungsstutzen auf der Seite des Sensors angeordnet ist.
Die eine oder die mehreren Sterilkupplung können beispielsweise in der Steigleitung und/oder in der Entnahmeleitung angeordnet sein und ein Trennen und Verbinden eines Leitungsabschnitts und der daran befindlichen Komponenten von der restlichen Vorrichtung ermöglichen.
Beispielsweise kann in einer Vorrichtung, in der die erste Sensoreinheit in der Steigleitung und/oder die zweite Sensoreinheit in der Entnahmeleitung vorhanden sind und zumindest eine der Sensoreinheiten einen medienberührenden Sensor aufweist, eine Sterilkupplung in der Steigleitung als erstes Bauteil nach dem Bioreaktor angeordnet sein. Dadurch ist in dieser möglichen Ausführung die Probenahmevorrichtung mit allen Absperrventilen, Rückschlagventilen, Sensoreinheiten und möglichen weitern Bauteilen sowie einem ersten Kupplungsstutzen von dem Bioreaktor trennbar. An dem Bioreaktor selbst verbleiben ein Abschnitt der Steigleitung sowie ein zweiter Kupplungsstutzen.
Der Bioreaktor mit dem Abschnitt der Steigleitung und dem zweiten Kupplungsstutzen werden vor einem Zusammenkuppeln der Kupplungsstutzen autoklaviert. Der übrige Teil der Vorrichtung kann dann beispielsweise mittels Gammasterilisation oder mittels eines anderen Verfahrens, für das die verwendeten Sensoren ausgelegt sind, sterilisiert werden.
Liegt ein medienberührender Sensor nur in der zweiten Sensoreinheit in der Entnahmeleitung vor, während die erste Sensoreinheit nur berührungslose Sensoren aufweist oder auf die erste Sensoreinheit komplett verzichtet wird, kann eine Sterilkupplung beispielsweise zwischen dem ersten Absperrventil und der zweiten Sensoreinheit angeordnet sein. Dann liegen der Bioreaktor und das erste und das zweite Absperrventil auf der Seite des ersten Kupplungsstutzens und die zweite Sensoreinheit liegt, zusammen mit möglichen weiteren Bauteilen, wie zum Beispiel Spülleitungen und/oder Mischkammern, auf der Seite des zweiten Kupplungsstutzens.
Eine solche Anordnung ermöglicht ein vorbereitendes Sterilisieren des den Bioreaktor umfassenden Abschnitts mit dem ersten Kupplungsstutzen. Dieser Abschnitt umfasst typischerweise auch die Stichleitung mit Rückschlagventil und Sterilfilter. Der Abschnitt auf der Seite des zweiten Kupplungsstutzens, der die zweite Sensoreinheit mit dem medienberührenden Sensor umfasst, kann dabei auch unsteril sein oder er kann beispielsweise gammasterilisiert werden. Der medienberührende Sensor kann zum Beispiel ein Glucosesensor oder ein enzymatischer Sensor sein. Durch die Anordnung kann verhindert werden, dass eine Probe, die das zweite Absperrventil passiert und somit zwangsläufig in den möglicherweise unsterilen Bereich gelangt, den Bioreaktor kontaminiert. Diese Anordnung der Sterilkupplung ermöglicht ein Austauschen der zweiten Sensoreinheit während des laufenden Betriebs durch Trennen der Sterilkupplung. Der sterile Teil der Vorrichtung, der den Bioreaktor und das erste und das zweite Absperrventil umfasst, bleibt von dem Austausch unberührt. So können sogar während die zweite Sensoreinheit abgekoppelt ist, weiterhin berührungslose Messungen mit der möglichen ersten Sensoreinheit durchgeführt werden. Dadurch wird ein Problem, das den Langzeitbetrieb solcher Bioreaktoren betrifft, gelöst. Typischerweise ist die Laufzeit von beispielsweise enzymatischen Sensoren auf wenige Wochen begrenzt. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung wird eine Messung über einen längeren Zeitraum ermöglicht, da der Sensor, dessen Lebenszeit abgelaufen ist, während des Betriebs abgekoppelt werden kann und dann ein neuer Sensor wieder angekoppelt werden kann.
In einer Ausführungsform ist ein System im Sinne der Anmeldung so ausgebildet, dass die Vorrichtung zur Probenahme in den Bioreaktor integriert ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Probenahme in eine Außenplatte wie zum Beispiel eine Frontplatte oder Seitenplatte des Bioreaktors eingebaut sein. Eine solche Anordnung ist besonders platzsparend und erlaubt ein einfaches Bereitstellen des Probenahmesystems. In einer Ausführung bleibt dem Benutzer ein kompliziertes Montieren, Zusammenstecken von Schläuchen und Überprüfen der Verbindungen erspart. Er muss lediglich beispielsweise die mit dem Probenahmesystem ausgestattete Außenplatte an dem Bioreaktor montieren.
Eine solche kompakte Anordnung bzw. Integration erlaubt eine schnelle Analyse, wobei außerdem für eine Sensormessung mittels eines Sensors der ersten und/oder der zweiten Sensoreinheit jeweils nur ein geringes Medienvolumen aus dem Bioreaktor entnommen werden muss.
Die Verwendung eines anmeldungsgemäßen Systems umfasst beispielsweise mindestens einen Schritt zur Probenahme, bei dem das erste und das zweite Absperrventil geöffnet sind und die Probe mittels der Pumpe aus dem Bioreaktor gesaugt wird. Weiterhin kann sie mindestens einen Schritt zum Durchpusten der Entnahmeleitung umfassen, wobei mittels der Überdruckquelle ein Überdruck an der Stichleitung angelegt wird, bei gleichzeitigem Betrieb der Pumpe und geöffnetem ersten Absperrventil und geschlossenem zweiten Absperrventil. Weiterhin kann sie mindestens einen Schritt zum Durchpusten der Steigleitung durch Anlegen eines Überdrucks mittels der Überdruckquelle bei geöffnetem zweiten Absperrventil und geschlossenem ersten Absperrventil umfassen.
Die Dauer der einzelnen Schritte kann dabei vorab einprogrammiert werden. Je nach Dauer wird dabei eine bestimmte Wirkung erzielt. Beispielsweise wird bei einem länger Andauernden Schritt zur Probenahme eine größere Probenmenge entnommen. Die Schritte zum Durchpusten können beispielsweise so lang sein, dass in der Durchpustzeit, entsprechend der Größe des durch die Überdruckquelle bereitgestellten Überdrucks, etwas so viel Luft in das durchzupustende Rohr eingeleitet wird wie in dem durchzupustenden Rohr Platz hat, um einerseits dafür zu sorgen dass das Rohr komplett freigepustet wird, aber kein unnötig hoher Druck aufgebaut wird und/oder nicht übermäßig viel Prozessgas oder sonstiges zum Durchpusten verwendetes Gas in beispielsweise den Bioreaktor oder das Probengefäß eingeleitet wird.
Durch ein derartiges Verfahren werden in der Steigleitung verbliebene Organismen zurück in den Bioreaktor gedrängt und in der Entnahmeleitung verbliebene Organismen der Probe wieder zugeführt. Somit kann ein Totvolumen in allen Leitungen praktisch auf null reduziert werden, da kein Medium mit Zellen verloren geht, sondern das gesamte Material entweder der Probe oder wieder dem Bioreaktor zugeführt werden kann. Ein Mindestprobevolumen kann damit auf wenige Milliliter reduziert werden, zum Beispiel auf 5 Milliliter.
Die genannten Schritte können bei einer einzigen Probenahme einmalig oder mehrfach ausgeführt werden. Vorzugsweise wird das Steigrohr vor und nach der Probenahme freigepustet. Vorzugsweise werden weitere Schritte zum Anfahren der Pumpe und/oder zum Druckaufbau bzw. Druckabbau ausgeführt.
Die Schritte können von Hand oder programmiert und vollautomatisch ausgeführt werden. Die Ausführung der Schritte kann beispielsweise zeitgesteuert oder ereignisgesteuert, zum Beispiel auf Basis eines von einem Sensor gemessenen Wertes, automatisch ausgelöst werden. Bei einer zeitgesteuerten Abfolge kann die Auswahl auf einen Startzeitpunkt, ein Intervall zwischen den Probennahmen und eine Anzahl Probennahmen beschränkt werden.
Soll die Probenahme ereignisgesteuert durch einen von einem in der Steigleitung angeordneten Sensor gemessenen Wert ausgelöst werden, so kann beispielsweise folgendes Verfahren angewendet werden: Zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise einem vorab einprogrammierten Zeitpunkt oder ausgelöst durch eine Eingabe vom Benutzer, wird, bei geöffneten Absperrventilen, mittels der Pumpe ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck ist jedoch nur so stark, dass Organismen in die Steigleitung gesaugt werden und bis auf Höhe des Sensors gelangen aber vorzugsweise nicht bis zu der T-artigen Verbindung oder in die Entnahmeleitung. Der Sensor führt dann eine Messung durch. Basierend auf dem Ergebnis der Messung, welches beispielsweise oberhalb oder unterhalb eines festgelegten Grenzwertes liegen kann, wird eine Probenahme dann entweder durchgeführt oder nicht. Falls der Messwert so ist, dass eine Probenahme gewünscht ist wird weiter Unterdruck in der Pumpe erzeugt und Organismen werden durch die Entnahmeleitung in ein Probengefäß geleitet und nachfolgend die Leitungen wie oben beschrieben durchgepustet. Ist der Messwert so, dass zu dem Zeitpunkt keine Probenahme durchgeführt werden soll, beispielsweise weil der Prozess in dem Bioreaktor noch nicht weit genug fortgeschritten ist, so kann das erste Absperrventil automatisch wieder verschlossen werden und bei geöffnetem zweitem Absperrventil ein Überdruck mittels der Überdruckquelle bereitgestellt werden und die in der Steigleitung befindlichen Organismen wieder in den Bioreaktor zurückgeführt werden. Nach einem festgelegten Zeitintervall kann dann eine neuerliche Messung mittels des Sensors in der Steigleitung, wie eben beschrieben, durchgeführt werden und erneut darüber entschieden werden ob die Probe entnommen werden soll oder nicht. Gemäß der Anmeldung können unterschiedliche Verfahren zur Probennahme, ereignisgesteuert und zeitgesteuert, miteinander kombiniert werden.
Weitere Schritte, die im Rahmen eines anmeldungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden können, sind beispielsweise Schritte zur Vorbereitung einer Messung, wie etwa Spülschritte, in denen eine Pufferlösung in das Schlauchsystem gepumpt wird, Schritte zur Verdünnung oder Druckfiltration oder zur anderweitigen Vorbehandlung der Probe. Zur Vorbehandlung der Probe kann ferner eine Mischkammer in das Leitungssystem integriert werden, vorzugsweise nach dem ersten Absperrventil.
Die Kontrolleinheit kann beispielsweise Teil einer Bioreaktorsteuerung sein oder in diese integriert sein. So können die Ventile, die Pumpe und die Überdruckquelle beispielsweise mit der Bioreaktorsteuerung verbunden und über die Bioreaktorsteuerung steuerbar sein, beispielsweise über die Steuerung eines xCUBIO-Reaktors.
Im Folgenden wird die Vorrichtung zur Probenahme anhand einiger Ausführungsbeispiele genauer erläutert.
Es zeigen:

1 ein Bioreaktorsystem, einen Bioreaktor und eine Vorrichtung zur Probenahme umfassend, mit einer ersten Sensoranordnung;
2 das Bioreaktorsystem mit einer zweiten Sensoranordnung;
3 das Bioreaktorsystem mit einer dritten Sensoranordnung;
4 das Bioreaktorsystem aus 3 mit einer Spülleitung;
5 das Bioreaktorsystem mit der ersten Sensoranordnung und einer Sterilkupplung;
6 das Bioreaktorsystem mit der zweiten Sensoranordnung und der Sterilkupplung;
7 das Bioreaktorsystem mit der dritten Sensoranordnung und der Sterilkupplung;
8 das Bioreaktorsystem aus 6 mit einer alternativen Anordnung der Sterilkupplung;
9 das Bioreaktorsystem aus 6, zusätzlich eine Mischkammer umfassend;
10 eine tabellarische Auflistung einer Schrittfolge zur Verwendung des Bioreaktorsystems.

In 1 ist ein Bioreaktorsystem gezeigt, wobei ein Bioreaktor 11, der beispielsweise als autoklavierbares oder als mit Dampf sterilisierbares Gefäß ausgebildet ist, mit einer Steigleitung 1 einer Vorrichtung zur Probenahme verbunden ist. Die Steigleitung 1 ist auf der dem Bioreaktor 11 abgewandten Seite mit einer Stichleitung 2 und einer Entnahmeleitung 3 T-artig verbunden, beispielsweise mittels eines T-Stücks. Die Entnahmeleitung weist eine Pumpe 7, beispielsweise eine Rollenpumpe oder Peristaltikpumpe, auf mit welcher ein Unterdruck in der Entnahmeleitung 3 erzeugt werden kann. Ferner weist die Entnahmeleitung 3 ein erstes Absperrventil 4 auf. Die Steigleitung 1 weist ein zweites Absperrventil 8 auf mit welchem die Steigleitung 1 verschlossen werden kann. Auf der dem Bioreaktor 11 zugewandten Seite des zweiten Absperrventils 8 befindet sich eine erste Sensoreinheit 10, die mit einem oder mehreren Sensoren ausgestattet ist. In dieser Ausführung ist die erste Sensoreinheit vorzugsweise mit berührungslosen Sensoren, z.B. mit optischen Sensoren, ausgestattet. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung ist nicht dahingehend eingeschränkt, dass ein oder mehrere Sensoren in einer einzigen ersten Sensoreinheit 10 bereitgestellt werden müssen. Es können auch mehrere Sensoren auf mehrere Sensoreinheiten verteilt werden. Die Stichleitung 2 weist an der der T-artigen Verbindung abgewandten Seite eine Überdruckquelle 5 zur Erzeugung eines Überdrucks in der Stichleitung 2 auf. Eine solche Überdruckquelle 5 kann als einfache Spritze oder andere Gasquelle ausgebildet sein, wie zum Beispiel ein unter Druck stehender Gasbehälter oder ein Behälter mit einem beweglichen Bolzen, der durch vorzugsweise automatisch steuerbares Senken des Bolzens, ähnlich wie eine Spritze, unter Druck gesetzt werden kann. Dabei kann das zur Überdruckerzeugung verwendete Gas beispielsweise ein Prozessgas, Stickstoff oder Luft. Es kann beispielsweise einer sterilen Gasquelle entstammen. Das aus der Überdruckquelle 5 stammende Gas kann durch einen zusätzlichen möglichen Sterilfilter 6, der in der Stichleitung angeordnet ist, gefiltert werden, bevor es mit den in dem Bioreaktor 11 oder in den übrigen Leitungen 1, 2 befindlichen Organismen in Kontakt tritt. Zum Schutz des Sterilfilters 6 ist ein Rückschlagventil 9 vorgesehen, das auf der der T-artigen Verbindung zugewandten Seite des Sterilfilters 6 in der Stichleitung 2 angeordnet ist. Dieses Rückschlagventil dient als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, allerdings kann auch darauf verzichtet werden, da in der Stichleitung vorzugsweise kein Unterdruck entsteht, der dazu führt dass Organismen in die Stichleitung gelangen, sondern in der Stichleitung 2 vorzugsweise Überdruck zum Durchpusten erzeugt wird, während Unterdruck vorzugsweise nur in der Entnahmeleitung 3 erzeugt wird. Die Entnahmeleitung 3 weist eine Pumpe 7 zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Entnahmeleitung 3, insbesondere gegenüber der Steigleitung 1 und gegenüber dem Bioreaktor 11, auf. Weiterhin weist die Entnahmeleitung 3 ein erstes Absperrventil 4 auf. Optional kann die Entnahmeleitung 3 weiterhin ein nicht gezeigtes Rückschlagventil aufweisen, das einen Fluidfluss nur von der T-artigen Verbindung in Richtung der Pumpe 7 ermöglicht, nicht aber in die Gegenrichtung.
Vorzugsweise ist eine Sterilisation der Leitungen zusammen mit dem Bioreaktor 11 möglich. Beispielsweise kann der Bioreaktor 11 zusammen mit den als Schläuche ausgebildeten Leitungen 1, 2, 3 autoklaviert werden, wobei Schlauchenden vorzugsweise geschlossen gehalten werden, um eine Kontamination nach der Sterilisation zu verhindern. Auch die Sterilkupplung 6 trägt dazu bei, die Kontamination zu verhindern. Nach der Sterilisation können die Absperrventile 4, 8 montiert werden. Auch die erste Sensoreinheit 10 kann vorzugsweise außen an der als Schlauch ausgebildeten Steigleitung 1 angebracht werden und beispielsweise eine optische Dichte durch den Schlauch messen.
Nach der Sterilisation kann die Vorrichtung wie oben beschrieben aufgebaut und eine Reaktion in dem Bioreaktor gestartet werden.
Mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung sind dann während der Reaktion verschiedene Verfahren zur Probenahme durchführbar, bei denen die einzelnen Elemente der Vorrichtung, wie beispielsweise die Absperrventile 4, 8, die Pumpe 7 und die Überdruckquelle 5 nach einem bestimmten Schema aktiviert beziehungsweise geöffnet und/oder geschlossen werden.
Über eine Kontrolleinheit 13 können die Pumpe 7, die Überdruckquelle 5, sowie das erste und das zweite Absperrventil 4, 8 angesteuert werden. Die Kommunikationsverbindung der einzelnen Bauteile mit der Kontrolleinheit 13 ist in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Kontrolleinheit 13 kann beispielsweise so programmiert werden, dass der Entnahmevorgang in festgelegten Zeitabständen durchgeführt wird. Hierzu kann vom Nutzer beispielsweise ein Startzeitpunkt, ein Intervall zwischen den Probennahmen und eine Anzahl Probennahmen vorgegeben werden. Die Kontrolleinheit 13 kann aber auch in Kommunikation mit dem Sensor 10 stehen, so dass eine Probenahme mittels einer vorprogrammierten Schrittabfolge, die unten detailliert erläutert wird, dann ausgelöst wird, wenn ein von dem Sensor der ersten Sensoreinheit 10 gemessener Messwert ein festgelegtes Kriterium erfüllt. Es ist auch möglich, dass eine zu einem festgelegten Zeitpunkt vorgesehene Probenahme nur dann ausgeführt wird, wenn der gemessene Messwert ein solches Kriterium erfüllt. So kann beispielsweise eine Probenahme zu einem festgelegten Zeitpunkt gestartet werden, wobei Probenmaterial aus dem Bioreaktor 11 in die Steigleitung zumindest bis zu der ersten Sensoreinheit 10 gepumpt wird. Basierend auf den von dem Sensor der ersten Sensoreinheit 10 erfassten Messwerten wird die Probe entweder weiter gepumpt und entnommen oder wieder zurück in den Bioreaktor gepumpt.
Dadurch wird es insbesondere ermöglicht, mehrere Probenahmen oder Messungen über einen längeren Zeitraum verteilt auszuführen und die Notwendigkeit menschlicher Interaktion so gering wie möglich zu halten.
Im Folgenden werden mögliche Schritte zur Probenahme beziehungsweise Erhebung von Messwerten erläutert, die für die Verwendung der gezeigten Probenahme vorteilhaft sind.
Die Ausführung aller Schritte wird dabei über die Kontrolleinheit 13 gesteuert, die Signale von den einzelnen Komponenten empfängt bzw. an die einzelnen Komponenten sendet.
Bei einer Probenahme kann vorbereitend mittels der Überdruckquelle, in Verbindung mit dem Sterilfilter 6, sterile Druckluft in die Stichleitung 2 eingeleitet werden, wobei das erste Absperrventil vorzugsweise geschlossen gehalten wird, während das zweite Absperrventil geöffnet wird. Dadurch wird in der mit der Stichleitung 2 verbundenen Steigleitung 1 verbliebenes Probenmaterial in den Bioreaktor zurückgedrängt. Das zweite Absperrventil kann daraufhin geschlossen werden.
Anschließend wird die Pumpe 7 angefahren, wobei das erste Absperrventil 4 vorzugsweise vorerst geschlossen gehalten wird. Dann wird das erste Absperrventil 4 geöffnet und das zweite Absperrventil 8 geschlossen gehalten um einen Unterdruck in der Entnahmeleitung 3 zu erzeugen, bzw. einen Überdruck in dem Bioreaktor 11 und zumindest einem Teil der Steigleitung 1 im Vergleich zur Entnahmeleitung 3 herzustellen. In einem späteren Schritt wird dann auch das zweite Absperrventil 8 geöffnet und somit bei Weiterbetrieb der Pumpe 7 eine festgelegte Menge der in dem Bioreaktor 11 befindlichen Organismen aus dem Bioreaktor 11 in die Steigleitung 1 gepumpt bzw. gesaugt. Diese Organismen passieren die in der Steigleitung 1 angeordnete erste Sensoreinheit 10 und werden mittels des einen Sensors oder mittels zumindest eines der mehreren Sensoren der ersten Sensoreinheit 10 vermessen und die Messwerte werden an die Kontrolleinheit 13 übermittelt.
Die Organismen können dann, beispielsweise abhängig von den so erfassten Messwerten, die beispielsweise in der Kontrolleinheit 13 mit benutzerdefinierten Schwellwerten abgeglichen werden, wieder in den Bioreaktor 11 zurückgedrängt werden, indem durch die Kontrolleinheit 13 das erste Absperrventil 4 geschlossen wird und die Überdruckquelle 5 aktiviert wird. Nachdem die Probe in den Bioreaktor zurückgedrängt wurde, können beide Absperrventile 4, 8 geschlossen werden. Die Schritte, die das Zurückdrängen der Probe nach der Messung betreffen sind in den anmeldungsgemäßen Vorrichtungen, bei denen ein oder mehrere Sensoren in der Steigleitung 1 angeordnet sind, vorgesehen. Wie nachfolgend, im Zusammenhang mit anderen Figuren, erläutert wird, sehen nicht alle Vorrichtungen Sensoren in der Steigleitung 1 vor, so dass die Schritte zum Zurückdrängen in Verfahren zur Verwendung von Vorrichtungen ohne Sensoren in der Steigleitung 1 typischerweise keine Anwendung finden.
Alternativ kann, abhängig von dem Ergebnis des Abgleichens der Messwerte mit den Schwellwerten die Probe entnommen werden, indem sie, nachdem sie die erste Sensoreinheit 10 passiert hat, durch Weiterbetrieb der Pumpe 7 bei geöffneten Absperrventilen 4, 8 in die Entnahmeleitung 3 und durch die Entnahmeleitung 3, beispielsweise in ein Probengefäß (nicht gezeigt) gepumpt wird.
Zum Spülen des Pumpweges wird anschließend das zweite Absperrventil 8 wieder geschlossen und durch die Überdruckquelle 5 ein Überdruck in der Stichleitung erzeugt. Bei gleichzeitigem Weiterbetrieb der Pumpe 7 sowie Offenhalten des ersten Absperrventils 4 wird die Entnahmeleitung durchgepustet. Daraufhin kann das erste Absperrventil 4 geschlossen werden und das zweite Absperrventil 8 geöffnet werden, während die Überdruckquelle 5 eingeschaltet bleibt. Die Pumpe 7 kann dabei ausgeschaltet werden. So wird die Steigleitung 1 durchgepustet. Die Dauer dieses Durchpustschritts der Steigleitung 1 kann so gewählt werden, dass nur eine geringe Menge Gas in den Bioreaktor eingebracht wird. Die Schritte zum Durchpusten der Entnahmeleitung 3 und der Steigleitung 1 können, um eine Kontamination zu vermeiden, nicht nur nach, sondern auch vor einer Probenahme durchgeführt werden.
2 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei anstatt der in 1 gezeigten ersten Sensoreinheit 10 eine zweite Sensoreinheit 10' in der Entnahmeleitung 3 angeordnet ist. Die zweite Sensoreinheit 10' kann dabei berührungslose und/oder medienberührende Sensoren umfassen, sofern die medienberührenden Sensoren dazu geeignet sind, zusammen mit dem Bioreaktor sterilisiert zu werden. In dieser Konfiguration werden die Schritte zur Probenahme ähnlich wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben ausgeführt, wobei es hier aber keine Möglichkeit gibt, die Probe, nach der Messung in den Reaktor zurück zu pumpen. Wie oben erwähnt werden also typischerweise keine Schritte zum Zurückdrängen der Probe ausgeführt. Stattdessen wird die Probe wie oben beschrieben entnommen, wobei beim Entnehmen Messwerte erhoben werden, die der entnommenen Probe zugeordnet werden können. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die zweite Sensoreinheit 10' durch die Absperrventile 4, 8 von dem Bioreaktor trennbar ist, so dass die Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10', durch Durchpusten der Entnahmeleitung 3 gereinigt werden können und ein ungewollter Kontakt der Sensoren mit den Organismen aus dem Bioreaktor zwischen den Messungen vermieden werden kann.
3 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Vorrichtung zur Probenahme als Kombination der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungen sowohl die erste Sensoreinheit 10 als auch die zweite Sensoreinheit 10' umfasst. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorteile beider Vorrichtungen kombiniert. Die Vorrichtung kann dementsprechend wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben betrieben werden. Es ergeben sich aber aus der Kombination der ersten Sensoreinheit 10 und der zweiten Sensoreinheit 10' noch zusätzliche Vorteile. So kann beispielsweise die zweite Sensoreinheit 10' dazu eingerichtet sein, ein Signal an die Kontrolleinheit 13 zu senden, wenn die Probe während des Probenahmevorgangs an der zweiten Sensoreinheit 10' ankommt oder diese passiert. Dann kann die Probenahme beispielsweise beendet werden sobald die Probe an der zweiten Sensoreinheit 10' ankommt, indem beispielsweise das zweite Absperrventil 8 durch die Kontrolleinheit geschlossen wird. Dadurch kann das Volumen der entnommenen Proben kontrolliert werden. Es kann beispielsweise gewährleistet werden, dass jede Probe das gleiche Volumen oder ungefähr das gleiche Volumen aufweist. Das Volumen der Probe entspricht in einem möglichen Verfahren, in dem das zweite Absperrventil geschlossen wird, sobald die Probe die zweite Sensoreinheit 10' erreicht, ungefähr einem Leitungsvolumen des zwischen dem T-Stück und der zweiten Sensoreinheit 10' liegenden Abschnitts der Entnahmeleitung 3. In manchen Fällen ist eine derartige Volumenkontrolle einer Zeitsteuerung vorzuziehen, insbesondere wenn die Viskosität der Probe oder die Druckverhältnisse in dem Bioreaktorsystem nicht konstant sind und sich beispielsweise während der Reaktion oder während der Entnahme ändern. Eine Kombination der beschriebenen Volumenkontrolle mit einer Zeitsteuerung ist ebenfalls möglich.
4 zeigt das Bioreaktorsystem aus 3, wobei in der Entnahmeleitung 3, zwischen dem ersten Absperrventil 4 und der zweiten Sensoreinheit 10' eine Spülleitung 14 vorgesehen ist. Über die Spülleitung 14 können beispielsweise steriles Gas und/oder Flüssigkeiten in die Entnahmeleitung 3 eingeströmt werden. Das kann beispielsweise zur Reinigung der Entnahmeleitung 3 selbst dienen, in welchem Fall die zweite Sensoreinheit 10' nicht in der Probenahmevorrichtung enthalten sein muss. Es kann aber auch zur Reinigung der Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10' dienen oder für die Verwendung der Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10' erforderlich sein, wenn beispielsweise Puffer, die eingesetzt werden um enzymatische Sensoren zu schonen, bzw. deren Lebensdauer zu verlängern, über die Spülleitung 14 in die Entnahmeleitung gespeist werden. Weiterhin können Lösungen zur Kalibrierung der Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10' eingeströmt werden. Zum Einströmen solcher Lösungen werden diese beispielsweise zwischen zwei Entnahmevorgängen über die Spülleitung 14 zugeführt und anschließend wird, bei geöffnetem erstem Absperrventil 4 und geschlossenem zweiten Absperrventil 8, die Entnahmeleitung mit Hilfe der Überdruckquelle 5 mit sterilem Gas durchgeblasen, um bei der nachfolgenden Messung möglichst keine Rückstände der eingeströmten Lösung zu haben, die eine Messung negativ beeinflussen könnten. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, die die Spülleitung betreffen können auch bei modifizierten Vorrichtungen durchgeführt werden, beispielsweise ist hierfür auch keine erste Sensoreinheit 10 erforderlich.
5 zeigt das Bioreaktorsystem wie in 1, wobei zusätzlich eine optionale Spülleitung 14 an der Entnahmeleitung angeordnet ist und zwischen der ersten Sensoreinheit 10 und dem Bioreaktor 11 eine Sterilkupplung vorgesehen ist. Die Sterilkupplung umfasst zwei Kupplungsstutzen 12.1, 12.2, die miteinander verbunden werden können, um eine nach außen dichte Fluidverbindung zwischen zwei Schlauch- oder Leitungsenden, an denen die Kupplungsstutzen angeordnet sind, herzustellen. Ein erster Kupplungsstutzen 12.1 ist dabei in der Steigleitung 1 auf der Seite der ersten Sensoreinheit 10 angeordnet und ein zweiter Kupplungsstutzen 12.2 in der Steigleitung auf der Seite des Bioreaktors 11, so dass der Bioreaktor 11 zusammen mit einem Teil der Steigleitung 1 und dem zweiten Kupplungsstutzen 12.2 von den übrigen Komponenten der Probenahmevorrichtung abgetrennt werden kann. Die gezeigte Ausführung mit der Sterilkupplung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Sensor oder einer der Sensoren der ersten Sensoreinheit 10' als medienberührender Sensor ausgebildet ist. Medienberührende Sensoren sind häufig nicht dampfsterilisierbar und können demnach nicht mit dem Bioreaktor zusammen sterilisiert werden. Die in der Figur gezeigte Anordnung der Sterilkupplung erlaubt eine getrennte Sterilisation des den oder die medienberührenden Sensoren umfassenden Abschnitts der Vorrichtung, beispielsweise durch Gammasterilisation, Plasmasterilisation oder mittels Ethylenoxid. Um die beiden Abschnitte der Vorrichtung bzw. des Bioreaktorsystems entsprechend getrennt sterilisieren zu können, sind die jeweils mit den Abschnitten verbundenen Kupplungsstutzen entsprechend sterilisierbar ausgebildet. Beispielsweise kann der auf der Seite der ersten Sensoreinheit 10 liegende erste Kupplungsstutzen 12.1 gammasterilisierbar und aus Plastik oder Stahl ausgebildet sein und der auf der Seite des Bioreaktors 11 liegende zweite Kupplungsstutzen 12.2 dampfsterilisierbar und aus Plastik oder Metall ausgebildet sein.
6 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Sterilkupplung an der gleichen Stelle wie im Beispiel von 5 angeordnet ist, aber, wie auch in 2 gezeigt, anstatt der ersten Sensoreinheit 10 nur die zweite Sensoreinheit 10' vorgesehen ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die zweite Sensoreinheit medienberührende Sensoren umfasst. Einerseits ermöglicht die Spülleitung 14 wie oben beschrieben die Reinigung und/oder Kalibrierung der Sensoren, andererseits wird durch die Sterilkupplung eine getrennte Sterilisation der medienberührenden Sensoren ermöglicht. Die Verwendung eines solchen Systems erfolgt ansonsten wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben.
Wie erwähnt, erlaubt die Sterilkupplung die von dem Bioreaktor 11 getrennte Sterilisation der medienberührenden Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10'. Der Sterilfilter 6 und das Rückschlagventil 9 können dann beispielsweise zusammen mit der zweiten Sensoreinheit 10' gammasterilisiert werden und danach mit dem autoklavierten Bioreaktor 11 verbunden werden. Die Absperrventile 4, 8 können beispielsweise als Schlauchquetschventile ausgestaltet sein und nach der Sterilisation installiert werden.
7 stellt eine Kombination der Ausführungen aus den 5 und 6 dar. Die Sterilkupplung ist weiterhin als erstes Bauteil nach dem Bioreaktor 11 in der Steigleitung 1 angeordnet. Außerdem umfasst die Vorrichtung sowohl die erste Sensoreinheit 10 als auch die zweite Sensoreinheit 10' und eine Spülleitung. So können beide Sensoreinheiten 10, 10' getrennt von dem Bioreaktor sterilisiert werden, beispielsweise wenn beide Sensoreinheiten medienberührende Sensoren aufweisen. Die Verwendung des gezeigten Systems erfolgt ansonsten wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben, wobei zusätzlich die oben beschriebenen Vorteile der Spülleitung ausgenutzt werden können.
8 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Sterilkupplung statt in der Steigleitung 1 in der Entnahmeleitung 3 angeordnet ist. Dabei ist die Sterilkupplung zwischen dem ersten Absperrventil 4 und der Spülleitung 14 positioniert. Der Bioreaktor 11 kann dann beispielsweise zusammen mit dem Rückschlagventil 9 und dem Sterilfilter 6 sowie der Steigleitung 1, der Stichleitung 2, einem Teil der Entnahmeleitung 3 und dem ersten Kupplungsstutzen 12.1 dampfsterilisiert werden, wobei die Absperrventile 4, 8 wieder nach der Sterilisation installiert werden können. Die zweite Sensoreinheit und die Spülleitung 14, sowie der damit verbundene Abschnitt der Entnahmeleitung 3 und der zweite Kupplungsstutzen 12.2 können entweder getrennt sterilisiert werden oder unsteril sein.
Eine derartige Anordnung kann in anderen Ausführungen auch noch eine erste Sensoreinheit 10 und/oder eine wie in den 5 bis 7 angeordnete Sterilkupplung aufweisen.
9 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Sensoren und die Sterilkupplung wie in 6 angeordnet sind, aber zwischen der zweiten Sensoreinheit und dem ersten Absperrventil 4 eine Mischkammer 16 in der Entnahmeleitung 3 vorgesehen ist. Eine Spülleitung 15 ist mit der Mischkammer 16 verbunden und außerdem weißt diese einen Mischkammerabfluss 17 mit einem Ventil auf.
In der Mischkammer 16 kann sich auch ein medienberührender Sensor befinden, wie zum Beispiel ein pH-Sensor.
Bei der Probenahme mittels eines Systems mit einer solchen Mischkammer 16 werden im Wesentlichen die gleichen Schritte ausgeführt wie bei den anderen beschriebenen Systemen. Die entnommene Probe gelangt dabei zuerst in die Mischkammer bevor sie die zweite Sensoreinheit 10' passiert und kann durch entsprechendes kurzzeitiges Abschalten der Pumpe 7 und/oder durch betätigen von Ventilen für einen bestimmten Zeitraum in der Mischkammer 16 belassen werden. Hierfür können in möglichen Ausführungen auch noch weitere Ventile vorgesehen sein. In der Mischkammer kann die Probe vorbehandelt werden, bevor sie weiter entlang der Entnahmeleitung gepumpt wird, um von der zweiten Sensoreinheit 10' vermessen und anschließend entnommen oder verworfen zu werden.
Über die Spülleitung 15 kann ein Medium zugegeben werden, um die Probe zu verdünnen. Es über die Spülleitung 15 aber auch zum Beispiel Chemikalien in die Mischkammer 16 gegeben werden, die eine Sensormessung ermöglichen. Beispielsweise können Säuren oder Laugen zugegeben werden, die den pH-Wert der Probe so verschieben, dass eine Messung mit einem Sensor der zweiten Sensoreinheit 10' möglich ist.
Die Mischkammer kann beispielsweise nach Verwendung über den Mischkammerabfluss 17 geleert werden und mit Hilfe der Spülleitung 15 gereinigt werden.
10 zeigt tabellarisch eine mögliche Schrittfolge zur Verwendung des anmeldungsgemäßen Bioreaktorsystems, die beispielsweise durch die Kontrolleinheit automatisch ausgelöst werden kann. Die Schritte S1 bis S10 werden dabei in der hier aufgeführten Reihenfolge ausgeführt. Eine Dauer eines jeden Schritts beträgt dabei in der Regel einige Sekunden. Der Status der Ventile 4, 8 bzw. der Pumpe 7 und der Überdruckquelle 5 während jedes Schritts wird dabei mit „0“ bzw. „1“ in den entsprechenden Spalten angegeben. Dabei steht „0“ für „geschlossen“ bzw. „aus“ und „1“ für „geöffnet“ bzw. „an“. In einer Ausgangslage S1 sind die Ventile 4, 8 geschlossen und die Pumpe 7 und die Überdruckquelle 5 ausgeschaltet. Zu einem festgelegten Zeitpunkt, zum Beispiel zu einem vorab einprogrammierten Zeitpunkt oder ereignisgesteuert, ausgelöst durch ein Signal, welches aufgrund eines von einem Sensor 10, 10' gemessenen Wertes gegeben wird, wird der Schritt S2 eingeleitet. In S2 wird durch Einschalten der Überdruckquelle 5 Druck auf die Stichleitung 2 gegeben während alle anderen Komponenten in der „0“-Stellung verbleiben. In S3 wird dann zusätzlich zu der eingeschalteten Überdruckquelle 5 das zweite Absperrventil 8 geöffnet und die Steigleitung 1 freigepustet. Daraufhin wird in S4 die Überdruckquelle 5 ausgeschaltet, um den Druck in der Steigleitung 1 bei weiterhin geöffnetem zweitem Absperrventil 8 abzubauen. Im Schritt S5 werden dann wieder alle Ventile 4, 8 geschlossen und die Überdruckquelle 5 in ausgeschaltetem Zustand belassen, während die Pumpe 7 angefahren wird. In S6 wird durch Öffnen des ersten Absperrventils 4 bei gleichzeitigem Pumpenbetrieb ein Überdruck in der Steigleitung 1 gegenüber der Entnahmeleitung 3 erzeugt. Durch ein anschließendes zusätzliches Öffnen des zweiten Absperrventils 8 wird in S7 der komplette Fluidpfad vom Bioreaktor 11 zur Pumpe 7 freigegeben, so dass Organismen entnommen werden können. Die Dauer dieses Entnahmevorgangs S7 variiert je nachdem wie viel Volumen entnommen werden soll. Nach abgeschlossener Entnahme wird in S8 das zweite Absperrventil 8 und somit die Steigleitung 1 wieder geschlossen, so dass die Entnahmeleitung 3 durchgepustet und gesäubert werden kann. Hierzu wird zusätzlich die Überdruckquelle 5 eingeschaltet. Dieser Schrittwird so lange durchgeführt, dass sichergestellt ist, dass die gesamte Probe in das Probegefäß gelangt ist. Anschließend wird in S9 das Steigrohr 1 durchgepustet indem das erste Absperrventil 4 geschlossen und das zweite Absperrventil 8 wieder geöffnet wird, bei Weiterbetrieb der Überdruckquelle 5. Nach Ausführung der Schritte 8 und 9 sind nach dem Entnahmevorgang in der Steigleitung 1 verbliebene Organismen wieder dem Reaktor 11 zugeführt worden und in der Entnahmeleitung verbliebene Organismen der entnommenen Probe zugeführt worden, so dass der Prozess kein oder ein vernachlässigbar kleines Totvolumen aufweist. Anschließend können in der Endlage S10=S1 alle Elemente in die „0“-Stellung zurückgebracht werden bis ein neuerliches Signal zur Probenahme gegeben wird.
Neben den hier genannten Schritten können, je nach Aufbau und angedachter Verwendung des Aufbaus, wie im Zusammenhang mit den anderen Figuren und in der Beschreibung erwähnt, weitere Schritte, beispielsweise zum Zurückdrängen der Probe bzw. zum Erheben von Messwerten mittels der ersten und/oder der zweiten Sensoreinheit sowie zum Spülen der zweiten Sensoreinheit ausgeführt werden, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Die aufgeführten möglichen Schritte stellen also keine abschließende Auflistung der Verwendungsmöglichkeiten einer anmeldungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines anmeldungsgemäßen Bioreaktorsystems dar, sondern bilden vielmehr eine Basis, von der ausgehend sich dem Fachmann zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten, die beispielsweise weitere Schritte umfassen, eröffnen.
Bezugszeichenliste

1: Steigleitung
2: Stichleitung
3: Entnahmeleitung
4: Erstes Absperrventil
5: Überdruckquelle
6: Sterilfilter
7: Pumpe
8: Zweites Absperrventil
9: Rückschlagventil
10: Erste Sensoreinheit
10': Zweite Sensoreinheit
11: Bioreaktor
12.1: Erster Kupplungsstutzen
12.2: Zweiter Kupplungsstutzen
13: Kontrolleinheit
14: Spülleitung
14: Erste Spülleitung
15: Zweite Spülleitung
16: Mischkammer
17: Mischkammerabfluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2305790 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Probenahme aus Bioreaktoren mit einer mit einem Bioreaktor verbindbaren Steigleitung (1), einer Stichleitung (2) und einer Entnahmeleitung (3), die mit einer T-artigen Verbindung verbunden sind, wobei -- die Entnahmeleitung (3) ein erstes Absperrventil (4) aufweist; -- die Stichleitung (2) mit einer Überdruckquelle (5) verbunden ist; -- die Entnahmeleitung (3) mit einer Pumpe (7) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) über eine Kontrolleinheit (13) automatisiert steuerbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichleitung (2) zwischen der Überdruckquelle (5) und der T-artigen Verbindung einen Sterilfilter (6) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung (1) ein zweites Absperrventil (8), das über die Kontrolleinheit (13) automatisiert steuerbar ist, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichleitung (2) ein Rückschlagventil (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung und/oder die Entnahmeleitung eine Sensoreinheit (10, 10') aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung (1) eine erste Sensoreinheit (10) aufweist, die dazu eingerichtet ist, Messwerte an die Kontrolleinheit (13) zu senden.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (10) einen berührungslosen Sensor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (10) einen medienberührenden Sensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (3) eine zweite Sensoreinheit (10') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinheit (10') einen berührungslosen Sensor aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinheit (10') einen medienberührenden Sensor aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigleitung (1) und/oder die Entnahmeleitung (3) eine Sterilkupplung (12) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (3) eine Mischkammer aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu eingerichtet ist, zu benutzerdefinierten Zeiten zumindest die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) steuern.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf den Messwerten der ersten Sensoreinheit (10) zumindest die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) steuern.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: -- Bereitstellen der Vorrichtung an einem mit einer Probe gefüllten Bioreaktor und Verbinden der Steigleitung mit dem Bioreaktor (11); -- Betrieb der Pumpe (7) bei geöffnetem ersten Absperrventil (4) und geöffneten zweiten Absperrventil (8) zur Probenahme; -- Anlegen eines Überdrucks an der Stichleitung (2) mittels der Überdruckquelle (5) bei gleichzeitigem Betrieb der Pumpe (7) und geöffnetem ersten Absperrventil (4) und geschlossenem zweiten Absperrventil (8) zum Durchpusten der Entnahmeleitung (3); -- Anlegen eines Überdrucks mittels der Überdruckquelle (5) bei geöffnetem zweiten Absperrventil (8) und geschlossenem ersten Absperrventil (4) zum Durchpusten der Steigleitung (1).