DE19810901C1 - Bioreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Versorgung, Ver­ mehrung und Ernte von Mikroorganismen, Insekten-, Pflanzen- und Säugerzellen und/oder deren Stoffwechselprodukte.

Aus der DE 42 30 194 C2 ist eine Stoffaustauschvorrichtung für insbesondere den Bereich eines extrakorporalen Leberun­ terstützungssystems bekannt. Die Vorrichtung besteht aus ei­ nem dreidimensionalen Körper, der aus einem Außengehäuse und einem inneren Bereich besteht, wobei im inneren Bereich ein in Schichten dicht gepacktes räumliches Netzwerk aus drei, mindestens aber aus zwei unabhängigen und sich kreuzenden Hohlfaser-Membransystemen für den Mediumzufluß und für die Versorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff bzw. die Ent­ sorgung von Kohlendioxid vorgesehen ist. Ein weiteres unab­ hängiges Membransystem in Form von auswechselbare Flachmem­ branen oder Kapillarmembranen ist für den Medienabfluß vor­ gesehen. In weiterer Ausgestaltung weist der Reaktor einen Zugang auf, um Mikroorganismen, speziell Leberzellen zur Verstoffwechselung von Blutbestandteilen, in den Reaktor einzufüllen. Hierzu ist die Gehäusewand entsprechend durch­ bohrt, wobei sich der Zugang in nicht näher offenbarter Wei­ se auch als perforierte Röhre bis in den Reaktor hinein fortsetzen lassen soll. Die Vorrichtung ist sowohl für Kon­ vektionsbetrieb als auch Diffusionsbetrieb gedacht. Das Ge­ häuse kann durch eine Ausgußmasse gebildet sein.

Der sehr komplizierte Aufbau der Vorrichtung wird dem An­ spruch, vermehrungsunfähige Zellen, insbesondere Leberzel­ len, über eine längere Zeit zu erhalten und vermehren, ge­ recht.

Für eine schnelle Vermehrung von Mikroorganismen, Insekten-, Pflanzen- und Säugerzellen eignet sich die Vorrichtung nicht optimal, weil zwischen den einzelnen Membranen kaum Raum zur signifikanten Zunahme von Biomasse bleibt. Letztlich ist auch das Einfüllen der Mikroorganismen nicht optimal gelöst, weil aufgrund der hohen Packungsdichte und der unzureichen­ den Einfülltiefe nur eine ungenügende Verteilung der Zellen über den Zugang erfolgt. Für eine effektive Ernte von Mi­ kroorganismen fehlen in der Vorrichtung entsprechende Vor­ aussetzungen. Das verbrauchte Zellmaterial muß mitsamt dem Bioreaktor als Sondermüll entsorgt werden.

Aufgabe der Erfindung ist eine Anordnung zur optimalen Ver­ sorgung mit Nährstoffen und Gasen, zur optimalen Vermehrung und zur optimalen Ernte von Mikroorganismen und/oder deren Stoffwechselprodukte in einem Bioreaktor zu entwickeln, wo­ bei dieser selbst druckstabil, einfach, kompakt und kosten­ günstig im Aufbau sein soll sowie über eine lange Zeit ohne Leistungseinbuße arbeiten soll.

Die Aufgabe wird durch die im ersten Anspruch angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen geben die begleitenden Unteransprüche an.

Um den Stoffaustausch sowie die Wachstumsbedingungen der Mi­ kroorganismen zu maximieren und das Einbringen und Ernten des Gutes, insbesondere Zellgutes, schonend zu bewerkstelli­ gen, dürfen die Membranen von Lage zu Lage nicht unmittelbar aufeinander liegen. Dieser Zustand ist jedoch bei einem dicht gepackten Netzwerk nach der DE 42 30 194 C2 vorhanden. Die Hohlfasern liegen aufeinander, wodurch es an hinreichend Raum zur Ausbreitung des Zuchtgutes fehlt und sich die wirk­ same Stoffaustauschfläche erheblich verkleinert.

Indem nun die Hohlfasermembranen erfindungsgemäß mattenartig auf Abstand geschichtet werden, wobei die Ersteckungsrich­ tung der Hohlfasern von Matte zu Matte um etwa 90° wechselt, entsteht ausreichend Raum zur gleichmäßigen Versorgung und Vermehrung des Zuchtgutes im Extrakapillarraum. Über minde­ stens einen Zu- und einen Abgang ist eine schonende und op­ timal verteilte Zufuhr des Zuchtgutes in den gesamten Extra­ kapillarraum möglich sowie eine schonende und verlustlose Ernte des vermehrten Zuchtgutes durch sanftes Herausspülen gesichert. Als Zu- und Abgänge können in weiterer Ausgestal­ tung der Erfindung durchgehende, makroperforierte Röhren dienen, die optional auf einer Seite, beispielsweise am Bo­ den des Reaktors, dauerhaft verschlossen und auf der anderen Seite verschließbar sind und so parallel zueinander verlau­ fen, daß sie den Reaktorraum gleichmäßig unterteilen. Als abstandsgebende Mittel eignen sich Abstandsmatten oder ge­ gossene Abstandsrahmen, Gitter, Verbindungsbahnen. Diese können so angeordnet werden, daß sie die freie Zu- und Ab­ fuhr von Mikroorganismen (Biomasse) innerhalb einer Ebene gewährleisten.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1: schematisch einen Bioreaktor nach der Erfindung in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2.: Einzelheiten der Membranschichtung einschließlich einer makroperforierte Röhre innerhalb des Biore­ aktors,

Fig. 3: die Draufsicht auf den quergeschnittenen Bioreaktor in stark schematisierter Darstellung und

Fig. 4: einen aus mehreren Modulen zusammengesetzten Biore­ aktor.

In einem gegossenen Gehäuse 1 von im Beispiel quaderförmiger Außengestalt ist eine Vielzahl einlagiger Hohlfasermatten 2, 3, beispielsweise mehrere Hundert, abwechselnd kreuzweise übereinandergeschichtet. Der Begriff Matte soll ein im we­ sentlichen flächiges Gebilde definieren, ohne daß es unbe­ dingt erforderlich wäre, dieses Gebilde mechanisch zu ver­ binden, beispielsweise zu verketten oder zu verkleben. Jede Hohlfasermatte 2, 3 besteht aus einer sehr großen Anzahl paralleler, einlagiger, semipermeabler Hohlfasern 4, 5. Die Enden der Hohlfasern 4, 5 sind in das Vergußmaterial des Ge­ häuses 1, beispielsweise ein bioverträgliches Polyurethan, eingegossen, wobei die Enden der Hohlfasern 4, 5 selbst zwecks Ein- und Auslaß für ein Fluid offen bleiben bzw. im Anschluß an den Verguß freigelegt werden. Das Fluid wird über nicht näher dargestellte, am Gehäuse 1 angesetzte An­ schlußstutzen zu- und abgeleitet. Der Winkel zwischen den kreuzweise geschichteten Lagen beträgt vorzugsweise 90°. Die sich kreuzenden Lagen von Hohlfasermatten 2, 3 sind auf Ab­ stand angeordnet, indem jeweils eine Abstandsmatte 6 aus Dis­ tributionsfäden 7 zwischen jeder Lage von Hohlfasermatten 2, 3 angeordet ist. Hierdurch wird genügend Raum zum Wachsen des Zuchtgutes im Extrakapillarraum des Bioreaktors gewonnen und ein effektiveres und schonenderes Einbringen, Versorgen und Ernten der Zellen und/oder deren Stoffwechselprodukte erreicht. Die Distributionsfäden 7 und die aus ihnen herge­ stellten Abstandsmatten 6 sind vergleichsweise dicker als die Hohlfasern und Hohlfasermatten 2, 3, beispielsweise haben die Distributionsfäden 7 einen Außendurchmesser von größer 0,4 mm. Die Struktur der Abstandsmatten 6 ist relativ frei gestaltbar, vorzugsweise können die Distributionsfäden 7 eine weitmaschige Gitterstruktur bilden, die von noch zu beschreibenden Röhren durchdrungen ist. Es genügen für die Zwecke des Auf-Abstand-Haltens der Hohlfasermatten 2, 3 Ab­ standsmatten 6, die aus nur wenigen Distributionsfäden 7 be­ stehen.

Eine andere Möglichkeit des Auf-Abstand-Haltens besteht da­ rin, ein Gitter oder eine einfache Umrandung aus vorzugswei­ se Vergußmaterial zwischen den Hohlfasermatten 2, 3 vorzu­ sehen. Beispielsweise kann unmittelbar beim Vergießen der Hohlfasermatten 2, 3 und Erzeugen der Gehäusewände solcher­ art Umrandung oder Gitter entsprechend der vorgegebenen Schichtfolge mitgegossen werden. Eine andere Möglichkeit be­ steht darin, Hohlfasermatten 2, 3 vorzufertigen, indem die Hohlfasern 4, 5 mit Bahnen einer Vergußmasse überzogen wer­ den. Die Vergußbahnen dienen dann zugleich als Abstandhal­ ter. Auf diese Weise kann auch der gesamte Matteneinsatz vorgefertigt werden.

Das Vergießen erfolgt bei würfelartigen Reaktoren vorzugs­ weise dadurch, daß die Vergußdüse entsprechend der zu gie­ ßenden Außenkontur automatisch geführt wird, Gehäuse mit zy­ lindrischer Innenform lassen sich durch Einbetten in einer Zentrifuge herstellen.

Alle Hohlfasermatten 2 einer Ausrichtung dienen zur Begasung der Zellen und/oder deren Stoffwechselprodukte im Extraka­ pillarraum, wobei das Gas durch die Membranwände der Hohlfa­ sern 3 blasenfrei diffundiert und bestehen vorzugsweise aus hydrophobem Material. Ihr Innendurchmesser beträgt etwa 0,3 mm. Alle hierzu im Winkel von vorzugsweise 90° angeordeten Hohlfasermatten 3 bestehen aus hydrophilem Material und haben die Aufgabe, die Zellen und/oder deren Stoffwechsel­ produkte mit Nährstoffen zu versorgen, die im gelösten Zu­ stand die Membranwände der Hohlfasern 5 durchdringen können. Ihr Innendurchmesser beträgt etwa 0,2 mm. Die kreuzweise verlegten Hohlfasermatten 2, 3 bilden demnach zwei voneinan­ der unabhängige Membransysteme, nämlich das Nährstoffsystem und das Begasungssystem, jeweils durch Abstandsmatten 6, Guß­ bahnen, Gitter oder Rahmen auf Abstand gehalten. Der mittle­ re Mittenabstand zweier Lagen desselben Mattentyps beträgt vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 5 Millimeter, je nach Zucht­ gut und Volumen des Bioreaktors.

Nach einer besonderen Ausführung kann auch jeweils zwischen zwei kreuzweise dicht gepackten Hohlfasermattenpaaren (2, 3) ein Abstand vorgesehen werden, beispielsweise mittels einer Abstandsmatte 6 aus Distributionsfäden 7 (Fig. 3).

Der Bioreaktor wird vorzugsweise, wie in Fig. 3 stark sche­ matisiert dargestellt ist, von mindestens zwei Röhren 8 für das Einbringen und Ernten des Zuchtgutes in einer Richtung quer zu den beiden Richtungen der Hohlfasermatten 2 durch­ setzt. Die Röhren 8 haben einen wesentlich größeren Durch­ messer als die Hohlfasern 4, 5, beispielsweise einen um den Faktor 20 größeren Innendurchmesser und können aus dem Ge­ häusematerial hergestellt sein. In ihrer Wandung sind makro­ skopische Perforierungen 9 vorhanden, durch die das Zucht­ gut in den Extrakapillarraum kontrolliert und schonend ein­ gebracht und nahezu verlustlos und schonend nach entspre­ chender Vermehrung durch sanftes Herausspülen aus dem Extra­ kapillarraum geerntet werden kann. Die Röhren 8 gewährlei­ sten eine ausgezeichnete Verteilung der Zuchtgutes beim "Animpfen" im Innenraum des Bioreaktors. Die Röhren 8 ver­ laufen parallel zueinander und unterteilen den Extrakapil­ larraum etwa gleichmäßig. Sie sind an beiden Enden offen, aber verschließbar.

In Fig. 4 ist schematisch dargestellt, wie einzelne Reaktor­ module zwecks Kapazitätserhöhung zu einem größeren Reaktor durch Aufeinandersetzen verbunden werden können. Die Röhren 8 sind an den Verbindungsstellen offen und erlauben so das durchgängige Einbringen des Zuchtgutes bis zum Boden des Bioreaktors.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

,

3

Hohlfasermatte

4

,

5

Hohlfaser

6

Abstandsmatte

7

Distributionsfaden

8

Röhre

9

Perforierung

Claims (13)

1. Bioreaktor zur Versorgung, Vermehrung und Ernte von Mi­ kroorganismen, Insekten-, Pflanzen- und Säugerzellen und/ oder deren Stoffwechselprodukte, mit zwei voneinander unab­ hängigen Hohlfaser-Membransystemen in einem Gehäuse, von de­ nen eines das im Extrakapillarraum befindliche Zuchtgut mit Nährstoffen versorgt und das andere zur Begasung des Zucht­ gutes dient und mit mindestens einem Zugang und einem Ab­ gang, die mit dem Extrakapillarraum kommunizieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlfaser-Membransysteme aus lagen­ weise zueinander auf Abstand gehaltenen und sich kreuzenden Hohlfasermatten (2, 3) gebildet sind.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) von makroperforierten Röhren (8) für das Einbringen und Ernten des Zuchtgutes quer zu den Hohlfaser­ matten (2, 3) durchsetzt ist.

3. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlfasermatten (2, 3) endseitig auf Abstand in den gegossenen Seitenwänden des Gehäuses (1) eingebettet sind.

4. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen zwei Hohlfasermatten (2, 3) jeweils eine Abstandsmatte (6) aus wenigen Distributionsfäden (7) ange­ ordnet ist.

5. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Abstandsmatten (6) endseitig in den gegos­ senen Seitenwänden des Gehäuse (1) eingebettet sind.

6. Bioreaktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlfasern (4, 5) einer Hohlfasermatte (2, 3) mit zugleich definiert abstandsgebenden Vergußbahnen miteinander verbunden sind.

7. Bioreaktor nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß abstandsgebende Rahmen oder Gitter vorhanden sind, die beim Gießen der Seitenwände des Gehäuses (1) mit­ gegossen sind.

8. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ge­ kennzeichnet durch Polyurethan oder Epoxydharz als Gießwerkstoff.

9. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mittenabstand zweier Hohlfasermatten (2, 3) desselben Hohlfasermembransystems 0,5 mm bis 5 mm be­ trägt.

10. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere parallel zueinander und quer zu den Hohlfasermatten (2, 3) angeordnete makroporöse Röhren (8) gleichmäßig im Gehäuse (1) verteilt sind.

11. Bioreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Makroporen (9) einer Röhre (8) einen Durchmesser von 0,1 mm bis 10 mm aufweisen.

12. Bioreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (8) an ihren Ende verschließbar sind.

13. Bioreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei kreuzweise dicht gepackten Hohlfasermattenpaaren (2, 3) ein Abstand vorgesehen ist.