DE19726524A1 - Kupplung für die Verbindung von zwei Rohrleitungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung für die Verbindung von zwei Rohrleitungen, die insbesondere im Labor- und Technikumsmaßstab zum Einsatz kommen.

Die Handhabung von sterilen Flüssigkeiten ist wesentli­ cher Bestandteil von Prozessen und Verfahren in der Biotechnologie. Sterilisiere Nährmedien werden zur Bil­ dung und Versorgung der Biomasse in die entsprechenden Fermentationssysteme hineingepumpt. Die Produkte werden meist in gelöster oder suspendierter Form aus dem Fer­ mentationssystem wieder herausgeleitet. Um Verunreini­ gungen der Anlagen und Produkte mit unerwünschten Mi­ kroorganismen zu verhindern, muß der gesamte Prozeß un­ ter sterilen Bedingungen ablaufen. Die Anforderungen an die Steriltechnik erstrecken sich auf alle Komponenten einer entsprechenden Anlage. Die Schnittstellen einer geschlossenen Fermentationsanlage zur Außenwelt, wie beispielsweise zum Austausch von Frischmedien- oder Produktgefäßen stellen hierbei besonders kritische Ele­ mente dar. Diese Schnittstellen werden nach dem Stand der Technik durch Kupplungen hergestellt, die verschie­ denartig ausgebildet sein können.

So sind beispielsweise Kupplungssysteme bekannt, die Anstichsepten aufweisen, bei denen eine Verbindung zwi­ schen zwei Leitungen hergestellt wird, indem ein Roh­ rende in ein Septum eingestochen wird, welches an der Öffnung eines anderen Rohrendes angebracht ist. Weiter­ hin sind mechanische Stecksysteme bekannt, bei denen Rohrenden über Clip-Mechanismen oder Stecksysteme ver­ bunden werden.

Diese Verbindungsteile weisen für die Anwendung im Ste­ rilbereich erhebliche Mängel auf. So müssen die An­ stichsepten manuell montiert werden wodurch Kontamina­ tionsgefahr besteht. Weiterhin sind sie mechanisch nicht belastbar und stellen Fehlerquellen dar, wenn beispielsweise bei Versuchen im Labor- und Techni­ kumsmaßstab Erschütterungen aufkommen. Bei den Stecksy­ stemen können beim Öffnen und Schließen Substrat- oder Organismenteile verschleppt werde, die sich im Steck- oder Clip-Mechanismus festsetzen. Bei dem Einsatz in Folgeversuchen stellen diese Reste eine Kontaminations­ quelle dar. Bei der Montage werden diese Steckverbin­ dungen durch Abflammen mit einem Bunsenbrenner sterili­ siert. Bei allen bisher bekannten Kupplungsteilen tritt das Problem auf, daß zwei baulich füreinander vorgese­ hene Hälften zusammengefügt werden müssen. Im Labor- und Technikumsbetrieb werden jedoch häufig Einzelteile schnell gegeneinander ausgetauscht, insbesondere dann, wenn kurzfristig ausprobiert werden soll, welcher Ver­ suchsaufbau am günstigsten ist. Hierbei sind zueinander passende Zeile nicht immer gleichzeitig verfügbar. Die Zahl der verfügbaren Kupplungsteile ist oft begrenzt, da es sich um teure Fertigungsteile handelt, die nur in begrenzter Menge zu Verfügung gestellt werden. Somit wird die Wahrscheinlichkeit, zueinander passende Teile zu finden nochmals begrenzt.

Im industriellen Maßstab werden vollständig und durch­ gehend fest verrohrte Anlagen standardmäßig eingesetzt. Dabei sind alle Ventile, gleichgültig ob es sich um Ein- oder Mehrwegventile handelt, mit Heißdampf in si­ tu-sterilisierbar. Derartige Anlagen sind für den La­ bor- und Technikumsbetrieb nicht geeignet, da sie nicht wechselnden konstruktiven Bedingungen angepaßt werden können.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung Kupplungsteile zur Verfügung zu stellen, die zum einen in der Ferti­ gung preiswert sind und zum anderen das Auffinden zwei­ er zueinander passenden Kupplungsgegenstücke erleich­ tern.

Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Auf­ gabe erfindungsgemäß gelöst mit dem im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegebenen Merkmal.

Die erfindungsgemäße Kupplung ermöglicht somit ein schnelleres Auffinden zueinander passender Kupplungs­ teile, sowie eine beliebige Wiederholung von in-situ Sterilisierungen, die ohne jegliche Kontaminationsge­ fahr vorgenommen werden können.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung an­ hand von Zeichnungen schematisch dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer anderen Einstellung,

Fig. 3 eine detaillierte Ausgestaltung der Vorrichtung,

Fig. 4, 4a eine Konstruktionszeichnung in Sei­ tenansicht,

Fig. 5, 5a eine Konstruktionszeichnung im Schnittbild,

Fig. 6 die Zentrierhülse,

Fig. 7 den Spannstift im Detail.

Fig. 1 zeigt eine Kupplung 1, bei der zwei erfindungs­ gemäße Kupplungselemente 2 und 3 miteinander verbunden sind. Sie werden von den Rohrleitungen 4, 5, 6 und 7 durchlaufen, welche einen Kanal für heißen Sterilisati­ onsdampf bilden. Weiterhin weisen die Kupplungselemente 2 und 3 Rohrleitungen 8 und 9 auf. Die Rohrleitungen 4, 5 und 8 sowie 6, 7 und 9 sind mit Dreiwegehähnen 10 und 11 ausgestattet. An den Rohrleitungen 4 und 7 be­ finden sich Hähne 12 und 13 sowie Schnellkupplungen 14 und 15. Innenseitig ist der Querschnitt eines O-Ringes 16 als Dichtung wiedergegeben. Die gestrichelten Linien 17 und 18 zeigen den Verlauf einer Inbusschraube, die als Befestigungsmittel für die Blöcke 19 und 20 dient, in denen die Rohrleitungen sowie die Dreiwegehähne 10 und 11 integriert sind.

In Fig. 2 sind den gleichen Vorrichtungsmerkmalen die selben Bezugszeichen zugeordnet. Die Dreiwegehähne 10 und 11 befinden sich jedoch in einer anderen Stellung, so daß eine offene Rohrleitungeverbindung entlang den Rohrleitungsstücken 8, 5, 6 und 9 entsteht.

In Fig. 3 ist eine zerlegte erfindungsgemäße Vorrich­ tung wiedergegeben, in der die gleichen Nummern die selben Vorrichtungsmerkmale bedeuten. Zwischen den Kupplungselementen 2 und 3 ist eine Hülse 21 angeord­ net, welche in die Durchtrittsenden 22 und 23 einge­ schoben wird. An den Durchtrittsenden 22 und 23 sind die Querschnitte 24 und 25 der Rohrleitungen 5 und 6 aufgeweitet um den O-Ring 16 aufzunehmen. Weiterhin be­ finden sich in den Rohrleitungsstücken 5 und 6 Quer­ schnittsaufweitungen 26 und 27 um die Hülse 21 aufzu­ nehmen.

In den Fig. 4 bis 7 sind den gleichen Vorrichtunge­ merkmalen die selben Bezugszeichen zugeordnet. Alle Zeichnungen haben den gleichen Maßstab. Als Bezugsgröße weist die Öffnung für die Imbusschraube einen Quer­ schnitt von 11 mm auf.

Bei Betrieb wird die Vorrichtung wie in Fig. 1 angege­ ben montiert und die Dreiwegehähne 10 und 11 in die an­ gegebene Stellung gebracht. Hierzu werden die Blöcke 19 und 20 über die Hülse 21 mit dem O-Ring 16 zusammenge­ führt und mit den Inbusschrauben, die entlang den ge­ strichelten Linien 17 und 18 verlaufen miteinander be­ festigt. Der O-Ring 16 übernimmt hierbei die Abdich­ tungsarbeit, während die Hülse 21 zur sicheren Führung und Zentrierung des O-Rings 16 bei der Montage zwischen den beiden Metallblöcken dient. An die Rohrleitung 4 ist eine Heißdampfquelle, und an Rohrleitung 7 ein Kon­ densator über die Schnellkupplungen 14 und 15 ange­ schlossen, welche in der Figur nicht dargestellt sind. An die Rohrleitung 8 wird ein Fermenter und an Rohrlei­ tung 9 ein Vorratsbehälter für den Fermenter ange­ bracht, welche den Fermenter mit Substrat versorgt. Von dem Begriffen Rohrleitung 8 oder 9 soll erfindungsgemäß auch eine Öffnung umfaßt sein, welche sich beispiels­ weise in einem Behälter befindet und die den Durchfluß von verschiedenen Medien erlaubt. Sowohl der Fermenter als auch der Vorratsbehälter werden in an die Kupplung angeschlossenem Zustand sterilisiert. In den Blöcken 19 und 20 sind die Dreiwegehähne 10 und 11 eingelassen, die zur Regelung des Dampfstromes und zum Öffnen und Schließen der Medienverbindung dienen. Da die Dreiwege­ hähne 10 und 11 den Fermenter sowie den Vorratsbehälter in der beschriebenen Einstellung schließen, werden die beiden Behälter unabhängig voneinander sterilisiert, wobei die Rohrleitungsstücke 8 und 9 vor den Sterilisa­ tion mitumfaßt werden.

Zur Sterilisation des Kupplungsteils wird nun über die Rohrleitung 4 über eine Dauer von ca. 60 Minuten Heiß­ dampf eingegeben, der die Wegstrecke der Rohrleitungen 4, 5, 6 und 7 durchläuft. In einem in den Figuren nicht dargestellten Kondensator, welcher an der Rohrleitung 7 angebracht ist, wird der Heißdampf kondensiert. Nach der Sterilisation wird der Hahn 13, der als Zweiwege­ hahn ausgebildet ist, vorzugsweise geschlossen und eine Abkühlung des Rohrleitungssystems abgewartet, damit in den Verrohrungen kein Unterdruck entsteht. Anschließend wird auch der Hahn 14 geschlossen. Anschließend werden die Dreiwegehähne 10 und 11 in die in Fig. 2 darge­ stellte Position gebracht und der Fermenterprozeß kann unter Versorgung mit Substrat aus dem Vorratsbehälter begonnen werden. Mit Hilfe der beiden Dreiwegehähne 10 und 11 kann die Verbindung beliebig oft unter Beibehal­ tung steriler Bedingungen abgesperrt und wieder geöff­ net werden. Um die Verbindung zu trennen, werden beide Dreiwegehähne 10 und 11 in die in Fig. 2 dargestellte Stellung gebracht und die Blöcke 2 und 3 werden ausein­ andergeschraubt. Jeder Dreiwegehahn 10 und 11 bildet mit dem damit verbundenen Gefäß einen sterilen Ver­ schluß.

Der Einsatz der Blöcke 19 und 20 führt zu einer beson­ ders guten Stabilität der Anordnung, jedoch können die Dreiwegehähne auch mit anderen Befestigungsmitteln mit­ einander in Verbindung treten, wobei erfindungsgemäß eine Anschlußstelle zwischen den Rohrleitungstücken 5 und 6 geschaffen wird, die bezüglich ihrer Schnittstel­ le spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Als Rohrleitun­ gen 8, 4, 7 und 9 werden vorzugsweise Edelstahlverrohrun­ gen (1/4 Zoll) mit Einschraubadaptern eingesetzt, die über Schnellkupplungen 14, 15 angebracht werden, diese können jedoch auch durch flexible Wellrohrschläuche oder Kunststoffschläuche ersetzt werden, die gegebenen­ falls auch ohne Schnellkupplungsanschlüsse auskommen. Als Hähne 12 und 13 kommen Zweiwegehähne oder andere Ventile in Betracht. Die Anordnung nach den Fig. 1 bis 3 in denen der Heißdampfeinlaß und der Konden­ satausgang (Rohrleitungen 4 und 7) aufeinander entge­ gengesetzten Seiten der Kupplung angeordnet sind, ist aus ergonomischen Gründen besonders bevorzugt. Da zur Sterilisierung oftmals Vakuumisolierte Schläuche einge­ setzt werden, die einen im Vergleich zu der Größe der Kupplung erheblichen Durchmesser aufweisen ist eine räumliche Verteilung gemäß den Fig. 1 bis 3 günsti­ ger, da man in diesem Fall auch nicht darauf angewiesen ist, Rohrstücke 4 und 7 verschiedener Länge einzubauen, die eine gegenseitige Behinderung der Schnellkupplungen 14 und 15 verhindern, für den Fall daß diese Rohrlei­ tungen in die selbe Richtung ausgerichtet sind. Eine entgegengesetzte Anordnung der Rohrleitungen 4 und 7 war mit Kupplungsbauteilen, die derzeit käuflich zu er­ werben, sind nicht möglich.

Die bezüglich des Verbindungsquerschnittes zwischen den Rohrleitungen 5 und 6 erfindungsgemäß geschaffene Spie­ gelsymmetrie der Kontaktstelle zwischen den Blöcken be­ ziehungsweise zwischen den Rohrteilen 5 und 6 führt da­ zu, daß es keine "Männchen" und "Weibchen" unter den Anschlußstellen mehr gibt, von denen nur jeweils für­ einander vorgesehene Hälften, welche verschiedenartig ausgestaltet sind zueinanderpassen. Dies führt dazu, daß insbesondere bei Versuchen im Labor- oder Techni­ kumsmaßstab schneller zwei Kupplungsteile gefunden wer­ den, die aneinander montiert werden können. Die nach dem Stand der Technik verfügbaren Teile sind sehr teu­ er, wodurch deren Anzahl in der Regel auf ein Minimum begrenzt ist. Die erfindungsgemäßen Teile sind an ihrer Schnittstelle identisch ausgestaltet, wodurch die An­ zahl der zusammenpassenden Teile nicht durch Paarbil­ dung verschiedener Teile begrenzt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer sterilisierbaren Verbindung zwischen zwei oder mehreren Gefäßen, Rohrleitungen oder Schlauchleitungen sowie verschiedenen Apparaturen basiert auf einer in situ-Be­ dampftechnik, wie sie auch bei den o.g. Industriean­ lagen verwendet wird. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Sterilkupplung erlaubt einen flexiblen Einsatz dieser Methode auch an Labor- und Pilotfermentern jeder Größe. Da einzelnen Kupplungsteile leichter zu fertigen und baugleich sind, so daß nur ein Teil gefertigt werden muß, sind sie preiswerter, wodurch Kosten gespart wer­ den.

Die Kupplungsteile sind beliebig oft auseinanderbaubar und verwendbar. Ein Vorteil besteht jedoch darin, daß eine Sterilisierung der Kupplung auch in zusammengebau­ tem Zustand erfolgen kann, da die Fertigungsteile keine Nischen aufweisen, in denen sich Rückstände aus Substrat- oder Fermenterinhaltsrückständen festsetzen können. Selbstverständlich können an die Rohrleitungen 8 und 9, auch mehrere Behälter angeschlossen werden.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine auto­ klavierbare, auftrennbare und beliebig oft sterilisier­ bare Verbindung zum Anschluß von sterilen Flüssigkeiten an Apparaturen insbesondere für die Biotechnologie und Medizin geschaffen werden, sie ist jedoch selbstver­ ständlich nicht auf diese Anwendungsgebiete beschränkt.

Claims (7)

1. Kupplung für die Verbindung von einer Rohrleitung (8) mit einer Rohrleitung (9), bei dem an jeder der beiden Rohreleitungen (8) und (9) Kupplungselemente (2) und (3) angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungselemente (2) und (3) an ihrer Ver­ bindungsstelle gleichartig ausgestaltet sind.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungselemente (2) und (3) an ihren Durchtrittsenden (22) und (23) in ihrem Querschnitt gegenüber dem Querschnitt der Rohrleitungen (8) und (9) aufgeweitet sind, so daß zur Dichtung ein O-Ring (16) aufgenommen werden kann.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der O-Ring (16) auf eine Hülse (21) aufgestülpt ist, die in die Durchtrittsenden (22) und (23) der Kupplungselemente (2) und (3) eingebracht wird.

4. Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungselemente (2) und (3) ein Stück ge­ genüber dem Querschnitt der Rohrleitungen (8) und (9) aufgeweitet sind (26, 27), so daß die Hülse (21) eingebracht werden kann.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungselemente (2) und (3) in zwei Blöcke (19) und (20) integriert sind, die über Befesti­ gungsmittel (17, 18) zusammengehalten werden.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsteile Dreiwegehähne (10) und (11) aufweisen, die eine Rohrverbindung über die Weg­ strecke (4, 5, 6, 7), die eine Heißdampfsteri­ lisation ermöglicht, herstellen können.

7. Kupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreiwegehähne (10) und (11) eine Rohrverbin­ dung über die Wegstrecke (8; 5, 6, 9) herstel­ len können, die einen Substratfluß für die Versor­ gung eines Bioreaktors ermöglicht.