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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und die wesentlichen Merkmale der
Ausrüstung
an einem Bioreaktor (Fermenter), durch die die Probenahme und Zudosierung
von prozessnotwendigen Stoffen möglich
ist, ohne dass die Probe oder die Zudosierstoffe durch die Hitze
der unmittelbar zuvor mit Dampf sterilisierten Anlagenteile geschädigt werden.
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Bei
biotechnischen Anlagen besteht die Problematik, dass während eines
laufenden Prozesses wiederkehrend Proben gezogen werden müssen, oder
Behältnisse
mit notwendigen Zudosierstoffen an- und abgekoppelt werden müssen.
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Um
jedoch keine Kontaminationen zu verursachen, müssen nach dem Ankoppelvorgang,
die Leitungswege in geeigneter Weise mit Dampf bei typischerweise
mindestens 121 °C
sterilisiert werden.
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Nach
der Sterilisation sind dadurch die Leitungsabschnitte und Ventile
noch heiß,
so dass bei unmittelbar folgender Probenahme oder Zudosierung die
Probe selbst bzw. das Zudosiermedium geschädigt würde. Dies wäre z.B. sehr problematisch
bei Probenahmen, aus denen die Anzahl an lebenden und abgestorbenen
Zellen ermittelt wird. Ebenso gibt es Zudosiermedien, die hitzeempfindlich
sind.
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Gängige Praxis
ist, dass man nach der Sterilisation die natürliche Abkühlung an die Umgebung abwartet.
Dies dauert allerdings aufgrund der Materialanhäufung an den Edelstahlventilen
und dem schlechten Wärmeübergang
an die Umgebung ca. 1 Stunde oder länger bis die prozesstypische
Temperatur von ca. 37 °C
erreicht ist.
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Dadurch
ist einerseits der Arbeitsfluss gehemmt und andererseits können ggf.
notwendige Korrekturmaßnahmen
am Prozess nicht rechtzeitig eingeleitet werden.
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Man
kann sich auch vorstellen, den Abkühlvorgang mittels Durchblasen
von steriler Luft zu beschleunigen, jedoch ist auch hier der Wärmeübergang
noch recht schlecht, so dass dadurch die Kühlzeit bestenfalls halbiert
werden könnte.
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Anblasen
der Leitungswege und Ventile durch Luft von außen könnte zwar die Kühlung ebenfalls
wieder unterstützen,
allerdings werden Fermenter üblicherweise
in Reinräumen
betrieben, wo es unerwünscht
ist, freie Luftströmungen
zu erzeugen.
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Eine
weitere Maßnahme
zur schnelleren Abkühlung
wurde von der Firma B.Braun vorgestellt, in Form eines Probenahmeventils
mit Doppelmantel (
DE
102 52 217 A1 ). Wobei der Doppelmantel den zylindrischen
Teil des Probeventils umschließt
und von Kühlwasser
durchströmt
wird. Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass nur das Probeventil selbst,
aber nicht die nachfolgenden Leitungswege und sonstigen Ventile
gekühlt
werden, die innerhalb einer solchen Anordnung nötig sind. Die Patentschriften
DE 32 49 528 C2 und
US 5 948 998 beziehen sich auch
auf sterile Probenahmen, aber erheben und erfüllen nicht den Anspruch der
Kühlung
der Probenahmeeinrichtungen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren
zu definieren, mit dem es möglich
ist, die Leitungswege und Ventile im Bereich von Probenahme- oder
Zudosierstellen wirksam und kurzfristig abzukühlen.
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Dies
wird erreicht durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und
4, durch die ein zuverlässig
steriles, hochreines und kaltes Wasser erzeugt wird, das nach Durchführung der
Dampfsterilisation an der entsprechenden Probenahme- oder Zudosierstrecke
durch die heißen
Rohrabschnitte und Ventile geleitet wird und diese Komponenten dadurch aktiv
und schnell abkühlt,
ohne sie wieder unsteril zu machen oder mit unsauberem Medium zu
kontaminieren. Vorteilhafte Ausführungen
sind in den Unteransprüchen
angegeben. Die Erfindung wird beispielhaft anhand der 1 erläutert.
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1 zeigt
schematisch die im hier beschriebenen Zusammenhang wichtigen Komponenten
eines herkömmlich
gebauten Fermenters.
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Beispielhaft
ist in 1 ein Anschluss zur Zugabe von prozessnotwendigem
Medium dargestellt. In der Praxis können dies Nährlösungen sein, Antischaummittel,
Lauge oder Säure,
Glucose usw. Die Zugabemedien werden üblicherweise in Behältnissen 1 bereitgestellt,
die mit der Füllung
sterilisiert wurden oder unter aseptischen Bedingungen abgefüllt wurden.
Der Zuleitungsschlauch 2 und das Flaschenventil 3 sind
während
der Sterilisation oder aseptischen Abfüllung bereits mit dem Behältnis 1 verbunden. Über die
Kupplungen 4 (Verschraubungen o.ä.) wird die Verbindung zum
Fermenter hergestellt. Durch diesen Vorgang sind allerdings die
zwischenzeitlich offenen Rohrabschnitte als unsteril zu betrachten.
Zur Sterilisation dieses Rohrabschnittes bedient man sich meist
der 4-Ventil-Anordnung, bestehend aus dem Flaschenventil 3,
dem Kondensatventil 5, dem Reindampfventil 6 und
dem endständig zum
Fermenterinhalt befindlichen Einströmventil 7.
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Nach
erfolgtem Kuppelvorgang wird das Reindampfventil 6 und
das Kondensatventil 5 geöffnet, während das Einströmventil 7 und
das Flaschenventil 3 noch geschlossen bleiben. Nach ausreichender
Zeit auf Sterilisationstemperatur kann der Anschluss als steril
angesehen werden und die Zudosierung ist möglich. Dabei sind die Ventile 5 und 6 zu, 3 und 7 können geöffnet werden.
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Beispielhaft
ist in 1 auch ein Anschluss für die Produkt-Probenahme dargestellt.
Die Vorbereitung des Probebehältnisses,
der Anschluss an den Fermenter und die Sterilisation läuft analog
ab, wie beim Zugabemedium. Lediglich das eigentliche Probenahmeventil 8 ist
unmittelbar an den Fermenterbehälter 9 angebaut,
ohne Leitungsstück
dazwischen.
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Um
die Kühlung
der Zugabe- und Probenahmeanschlüsse
im Sinne der Erfindung zu realisieren, wird der Fermenter mit einem
Reindampfkondensationsbehälter 10 ausgestattet.
Diesem wird über
das Reindampfventil 11 Dampf zugeleitet. Durch Kühlung mittels
Kühlwasser über einen
Doppelmantel 12 oder sonstige Wärmetauschflächen, z.B. einen innen liegende
Rohrwendel, wird der Reindampf zur Kondensation gebracht und auf
die gewünschte
Temperatur unterkühlt.
Vorzugsweise bleibt das Reindampfventil 11 stetig offen,
so dass sich der Reindampfkondensationsbehälters 10 komplett
füllt.
Das Volumen des Reindampfkondensationsbehälters 10 wird auf
die jeweils gegebenen Verhältnisse
abgestimmt, d.h. Anzahl der Anschlussstellen am Fermenter und Häufigkeit
der Wechsel. Alternativ kann die entstehende Reindampfmenge durch
den Niveausensor 19 begrenzt werden, d.h. ab einem bestimmten
Niveau schließt
das Reindampfventil 11.
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Da
in den Reindampfkondensationsbehälter 10 steriles
Medium, nämlich
der Reindampf, geleitet wird, ist auch das Kondensat steril. Voraussetzung
ist lediglich, dass von Zeit zu Zeit, z.B. im Rahmen der Sterilisation
des gesamten Fermenters, der Reindampfkondensationsbehälter 10 bei
abgeschalteter Kühlung
sterilisiert wird. Hierzu wird bei geöffnetem Ventil 16 und
geöffnetem
Ventil 17 das entstehende Kondensat über das Ventil 14 und
den Kondensatableiter 15 ausgeschleust. Die Sterilitätsbedingung kann über den
Temperatursensor 18 kontrolliert werden.
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Der
Vorgang des Neuankoppelns wird nachfolgend am Beispiel des Zugabemediums
erläutert.
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Nach
Neuankoppeln des Flaschenventils 3 des Zugabemediums muss
dieser Leitungsweg sterilisiert werden. Dazu wird das Ventil 13 geöffnet, sowie
die Ventile 6 und 5. Zur Ableitung des Kondensats
muss auch noch ein Kondensatabgang vorhanden sein, wie hier beispielhaft
mit dem Ventil 14 und dem Kondensatableiter 15 gezeigt.
Die Ventile 3 und 7 bleiben geschlossen. Nach
ausreichender Sterilisierzeit beginnt die Kühlung.
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Hierzu
wird das Ventil 16 geöffnet,
so dass kaltes Reindampfkondensat über die noch heißen Ventile 6, 5 und
die zugehörigen
Leitungswege gelangt und diese abkühlt. Das Abwasserventil 20 ist hierbei
geöffnet.
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Die
treibende Kraft zur Durchströmung
der beschriebenen Wege kommt aus dem Reindampfdruck über das
geöffnete
Ventil 11. Alternativ wäre auch
die Beaufschlagung des Reindampfkondensatbehälters mit sterilfiltrierter
Druckluft möglich,
dies würde
aber zusätzlichen
apparativen Aufwand bedeuten.
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Nach
ausreichender Abkühlung
der Anschlussstelle werden alle Ventile geschlossen und es kann
unmittelbar die Zuführung
des Mediums durch Öffnen
der Ventile 3 und 7 beginnen.
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Die
beschriebene Vorrichtung kann auch für weitere Nutzfunktionen am
Fermenter eingesetzt werden, nämlich:
Vor
dem Abkoppeln von Ventilen eines Mediums ist es häufig erforderlich,
eine Spülung
der Anschlussstelle durchzuführen.
Z.B. aus Gründen
der Arbeitssicherheit, weil das zuvor darin befindliche Medium ätzend oder
giftig ist. Auch hierfür
kann das Reindampfkondensat aus der Vorlage genutzt werden.
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Ein
weiterer Zusatznutzen ergibt sich, wenn Anschlussstellen entkoppelt
werden müssen,
in denen zuvor noch infektiöses
Material war; dies ist häufig
an der Probestrecke der Fall nachdem die Probe gezogen wurde.
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Falls
man hierbei direkt nach der Probenahme mit Dampf auf die Anschlussstelle
einwirkt, werden die Reste in den Leitungsabschnitten an der Wandung
festgebrannt, insbesondere eiweißhaltige Stoffe. Besser ist
es vor der Sterilisation eine Spülung
anzuwenden. Auch hierfür
kann das Reindampfkondensat aus der Vorlage genutzt werden, ohne dass
eine CIP-Anlage
wegen der vergleichsweise geringen Menge anlaufen müsste.
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Durch
die Erfindung wird auch eine weitere Aufgabenstellung, die im Zusammenhang
mit pharmazeutischen Anlagen gegeben ist, vorteilhaft gelöst.
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Es
ist Vorschrift, dass an einer Anlage, die Reindampf in ihrem Prozess
oder zur Sterilisation nutzt, arbeitstäglich Proben des Reindampfes
gezogen werden, die dann hinsichtlich Reinheit, Pyrogenfreiheit
u.ä. untersucht
wird.
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Gängige Praxis
ist, dass aus der Reindampfleitung über ein Ventil Dampf einer
mobilen Kondensationseinrichtung zuströmt, hinter der dann die Kondensatprobe
aufgefangen wird. Gemäß 1 wird bei
der erfindungsmäßigen Vorrichtung
nach Anschluss der Reindampfprobeflasche 21 incl. Flaschenventil 22 zunächst der
Leitungsweg durchdämpft
bei geöffnetem
Ventil 23 und 24. Nach ausreichender Durchdämpfung werden
diese Ventile geschlossen und über
die geöffneten
Ventile 25 und 22 gelangt kaltes Reindampfkondensat
aus dem Reindampfkondensationsbehälter 10 in die Reindampfprobeflasche 21.
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Der
Vorteil hierbei liegt darin, dass keine zusätzliche Kondensationseinrichtung
erforderlich ist. Außerdem
birgt eine mobile Kondensationseinrichtung die Gefahr in sich, dass
Unreinheiten von einer Probestelle zur nächsten verschleppt werden.
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Diese
Problematik besteht bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht.
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Die
Ventile 26, 27 und 28 zeigen die notwendige
Ausstattung an einem Fermenter im Zusammenhang mit der Reinigung
und sind hier nur zur Verdeutlichung des allgemeinen Aufbaus dargestellt.
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Anstelle
des Reindampfkondensationsbehälters 10 wäre auch
ein volumenarmer Durchlaufwärmetauscher
möglich,
der allerdings Nachteile bezüglich
kurzfristiger Verfügbarkeit
des Reindampfkondensats und der kurzfristig erforderlichen Zustrommenge
an Reindampf mit sich bringt.
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In
der beschriebenen Art der Ausführung
in Form eines Pufferbehälters
werden die Zeiten zur Kondensation genutzt, in denen keine Entnahme stattfindet.
Die maximale Leistung, die aus dem Dampfnetz gezogen wird, kann
dadurch klein gehalten werden.