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Die
Erfindung betrifft ein Abgassystem für Bioreaktoren mit
einem endständigen, hydrophoben Sterilfilter und einem
Wärmetauscher, welcher den Sterilfilter in besonderer Weise
vor Verblockung durch flüssige Medien schützt.
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Beim
Begasen eines Bioreaktors nimmt das Gas beim Durchströmen
eines flüssigen Mediums Flüssigkeitsdämpfe
auf, die bei unkontrolliertem Austritt aus dem Bioreaktor in unerwünschter
Weise ausgeschleppt würden. Der gleiche Effekt träte
bei biotechnologischen Prozessen ein, in denen Gase als Stoffwechselprodukte
gebildet und aus dem Bioreaktor abgeführt werden. Zur Vermeidung
von Kontaminationen ist es üblich, die Öffnung
eines Bioreaktors zur Gasabführung mit einem Sterilfilter
zu versehen. Gemäß der unveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 10 2008
025 968.3 der Patentanmelderin soll durch den Einsatz eines
im Gasabführungskanal befindlichen Kondensators unter turbulenter
Strömung des Abgases verhindert werden, dass der Sterilfilter durch
kondensierende Flüssigkeiten verblockt und dass die Abgase
einen Teil des flüssigen Kulturmediums austragen. Nachteilig
ist, dass durch die turbulente Strömung eine starke Druckabnahme
im Gasabführungskanal auftritt. Dadurch sind die Bioreaktoren
mit relativ hohen Drücken im Gasraum zu betreiben, was
für manche Reaktionsführungen und insbesondere
bei solchen Bioreaktoren aus flexiblen Kunststoffbeuteln wegen der
Gefahr des Entstehens von Undichtigkeiten unerwünscht ist.
Außerdem besteht die Gefahr, dass Flüssigkeitströpfchen
bis zum Sterilfilter mitgerissen oder noch an diesem ausgeschieden
werden und ihn verblocken.
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Aus
der
US 5 443 985 A ist
ein Biorektor mit einem Behälter bekannt, der an seinem
in vertikaler Richtung oberen Ende einen Gasabführungskanal zum
Gasaustrag aufweist. Zwischen dem Behälter und einem Abgasfilter
ist ein wassergekühlter Kondensator angeordnet. Die den
Gasabführungskanal umschließende Innenwandung
bildet die Kondensationsfläche des Kondensators. Nachteilig
dabei ist, dass bei zu großem Gasdurchsatz zumindest ein
teilweises Verblocken des Abluftfilters durch Kondensat eintritt.
Das ist selbst mit einem relativ langen Kondensator zur Kühlung
der Abgase nicht ausgeschlossen. Bei zu großer Verblockung
des Abgasfilters müsste die Begasung und damit der Kulturprozess abgebrochen
werden.
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Aus
der
US 6 133 021 A ist
ebenfalls ein Bioreaktor mit einem wassergekühlten Kondensator
im Gasabführungskanal bekannt, wobei nachteilig ist, dass
das Abgas ohne Filter in die Umgebung gelangt und der Bioreaktor
nicht über eine Sterilbarriere geschützt ist.
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Weiterhin
ist aus der
DD 260 837
A3 ein Fermenter mit einem Behälter bekannt, der
einen Gasabführungskanal zum Gasaustrag aufweist. Die Öffnung
des Gasabführungskanals zur Umgebung hin ist mit einem
nicht näher beschriebenen Abluftfilter versehen. Die Abluft
durchströmt entweder einen Abluftkondensator und das entstandene
Kondensat tropft in den Fermenter zurück, oder sie durchströmt einen
Abluftkühler und das Kondensat wird in einem Kondensatbehälter
gesammelt. Auch dieses Abgassystem weist die oben genannten Nachteile
auf und ist für einen Bioreaktor mit einem hydrophoben
Sterilfilter als Abgasfilter ungeeignet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein effektives Abgassystem
für Bioreaktoren vorzuschlagen, welches eine hohe Sicherheit
beim Betreiben des Bioreaktors gewährleistet.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Abgassystem für
Bioreaktoren mindestens bestehend aus wenigstens einem Gasabführungskanal
zum Austrag von Abgas aus einem Bioreaktorbehälter, wobei
vor der Öffnung des wenigstens einen Gasabführungskanals
zur Umgebung hin ein hydrophober Sterilfilter angeordnet ist mit
einem davor liegenden Wärmetauscher. Dabei ist der wenigstens
eine Gasabführungskanal in wenigstens einer Abkühlzone
des Wärmetauschers in eine Vielzahl von Unterkanälen
aufgeteilt, und in wenigstens einer Aufwärmzone des Wärmetauschers
ist der wenigstens eine Gasabführungskanal zu einer Beruhigungszone
für das Abgas erweitert. Durch die Aufteilung des Gasabführungskanals
in eine Vielzahl von Unterkanälen in der Abkühlzone
des Wärmetauschers steht eine wesentlich größere
Oberfläche für die Abfuhr von Wärme aus dem
Abgas über die Unterkanälen zur Verfügung,
so dass selbst bei laminarer Strömung des Abgases durch
die Unterkanäle eine hohe Effizienz der Abscheidung von
Flüssigkeiten aus dem Abgas erreichbar ist. In der sich
für das Abgas anschließenden Aufwärmzone,
in der sich der Gasabführungskanal zu einer Beruhigungszone
für das Abgas erweitert, kann sich das Abgas durch die
verminderte Strömungsgeschwindigkeit bis zur Erreichung
des hydrophoben Sterilfilters durch Aufnahme von Wärme
aus der Umgebung wieder so weit erwärmen, dass die relativen Dampfgehalte
unter 100% liegen und ein Abscheiden von Flüssigkeiten
aus Restdämpfen am oder im hydrophoben Sterilfilter ausgeschlossen
ist. Dadurch wird der hydrophobe Sterilfilter sicher vor einer Verblockung
durch Flüssigkeiten geschützt.
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Zur
Realisierung einer kompakten, Platz sparenden Bauform sind die in
Reihe geschalteten Abkühl- und die Aufwärmzonen
des Wärmetauschers bevorzugt parallel oder in einem Winkel
kleiner 180° und größer 0° zueinander
angeordnet.
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Vorteilhafterweise
sind dabei die Abkühl- und die Aufwärmzonen des
Wärmetauschers über ein Bodenelement kommunizierend
verbunden und in einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich über ein
Kopfelement zur Stabilitätserhöhung zusammengehalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind
die Abkühl- und die Aufwärmzonen des Wärmetauschers
beabstandet zu einander angeordnet. Zumindest sollte die Berührungsfläche
zwischen ihnen so gering wie möglich sein. Das hat den Vorteil,
dass zwischen ihnen kaum ein Wärmeübergang stattfindet
und die wenigstens eine Aufwärmzone ungestört
Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann, ohne von der wenigstens
einen Abkühlzone beeinträchtigt zu werden. In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind wenigstens
die Abkühlzonen des Wärmetauschers über
das Bodenelement kommunizierend mit einem darunter angeordneten Kondensatsammelbehälter
verbunden. Eine noch kompaktere Bauweise wird erreicht, in dem das
Bodenelement als Teil des Kondensatsammelbehälters ausgebildet
ist. Dadurch ist es möglich, das Abgassystem zum Beispiel
seitlich oder unterhalb des Bioreaktorbehälters anzuordnen.
Oftmals wird der Platz oberhalb eines Bioreaktorbehälters
für Armaturen, wie Zufuhrleitungen und Rühreranschlüsse
benötigt. Es hat sich auch als günstig erwiesen,
wenn der Kondensatsammelbehälter mit dem Bioreaktorbehälter und/oder
zusätzlich mit der wenigstens einen Aufwärmzone
des Wärmetauschers, beispielsweise über das Bodenelement,
verbunden ist. Dadurch kann in die Aufwärmzone eingeschlepptes
Kondensat in den Kondensatsammelbehälter tropfen. Es ist möglich,
das Kondensat in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen
definiert aus dem Kondensatsammelbehälter in den Bioreaktorbehälter über
Ventile oder Pumpen, insbesondere Dosierpumpen zurück zu
führen. In einer Ausführungsform der Erfindung
ist die Pumpe vorzugsweise als Schlauchpumpe (Peristaltikpumpe)
ausgeführt. Der Vorteil besteht darin, dass nur der Schlauch
Medienkontakt hat und nach seiner Einmalverwendung in Einwegsystemen (Disposable-Systemen)
verworfen werden kann. Die Schlauchpumpe hingegen ist wieder verwendbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung durchströmt
das Abgas nach der Abkühlzone eine Kondensatabscheiderpackung,
welche beispielsweise in dem Bodenelement des Wärmetauschers
integriert ist. Diese Kondensatabscheiderpackung kann aus einem
hochporösem Vlies bestehen oder aus Füllkörpern
(z. B. aus Raschigringen) welche eine hohe Oberfläche bei
einem gleichzeitig sehr geringen Strömungswiderstand besitzen. Die
Vliese oder Füllkörper können beispielsweise
in einem Schlauch eingeschlossen sein, in welchem das Kondensat
aufnehmbar ist. Der Schlauch kann sich unterhalb des Bodenelements
befinden und verbindet die Abkühlzone und die Aufwärmzone,
wobei das Bodenelement keinen direkten Abgasfluß von der
Abkühlzone in die Aufwärmzone zulässt.
Diese vorstehend beschriebenen Varianten führen zu einer weiteren
kompakteren Bauweise des Abgassystems. Die Kondensatabscheiderpackung
kann mit dem Kondensatabscheiderbehälter oder direkt mit
einer Pumpe verbunden sein.
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In
Abhängigkeit vom Taupunkt der Flüssigkeitsdämpfe
im Abgas ist die Vielzahl der Unterkanäle von einem Kühlmedium
umgeben, dass entsprechend temperiert ist. Die Temperatur des Kühlmediums
soll weniger als +30°C betragen. Bevorzugt ist ein Bereich
zwischen +10 und –10°C, besonders bevorzugt ist
ein Bereich zwischen +2 und +8°C. In einer Variante der
Erfindung ist direkt in das Kühlmedium, vorzugsweise im
Bereich der Abkühlzone, wenigstens ein Peltierelement zum
Kühlen eingebracht. Diese Variante gestattet eine weitere
Kompaktierung des Abgassystems. Bewährt hat sich aber auch
eine Ausführungsform, bei welcher dem Kühlmedium
in einem Kreislauf Wärme entziehbar ist. So ist der Kreislauf
zum Entzug der Wärme beispielsweise mit einer Wärmepumpe
verbunden. Als Wärmepumpen sind Peltierelemente oder Thermostaten
einsetzbar. Eine optimale Abkühlung der Abgase wird erreicht, wenn
das Verhältnis der für die Abgase freie Querschnitt
in der Vielzahl der Unterkanäle zum freien Querschnitt
für das Kühlmedium in der Abkühlzone im
Bereich von 5:100 bis 75:100 liegt, bevorzugt im Bereich von 10:100
bis 50:100
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Im
Interesse einer hohen Sicherheit und Kompaktheit des Abgassystems
ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der
Sterilfilter als hydrophober Sterilfilter ausgebildet und in den
Ausgang der Aufwärmzone des Wärmetauschers integriert.
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Besonders
vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Abgassystem,
welches aus Kunststoff gefertigt ist. Ein derartiges Abgassystem
kann vormontiert zusammen mit dem Bioreaktor, zumindest aber mit dem
Bioreaktorbehälter bereits vom Hersteller sterilisiert
werden und als sterile Einwegeinheit an den Nutzer ausgeliefert
werden. Der Vorteil tritt besonders hervor bei Bioreaktorbehältern
aus flexiblen Kunststoffen, das heißt, wenn das Abgassystem
mit einem Bioreaktorbehälter aus flexiblem Kunststoff betreibbar
ist. Derartige Kombinationen sind zuverlässig durch Bestrahlen
sterilisierbar, wobei das Bestrahlen vorzugsweise durch ionisierendes
Bestrahlen, durch Gamma- oder Elektronenstrahlen durchführbar
ist.
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Für
Ausführungen des erfindungsgemäßen Abgassystems
aus Kunststoff besteht die Vielzahl der Unterkanäle in
der Abkühlzone des Wärmetauschers bevorzugt aus
Kunststoffen, wie Polyurethan-, Silikon- oder Polyalkylen. Besonders
bevorzugt ist eine Ausführung, bei der die Unterkanäle
in Form von Schläuchen vorliegen. Damit ein akzeptabler
Wärmeübergang von den Abgasen zu dem Kühlmedium realisierbar
ist, wird eine Wanddicke der Unterkanäle oder der Schläuche
von weniger als 2 mm bevorzugt, dabei ist eine Wanddicke von weniger
als 0,6 mm besonders und ganz besonders von weniger als 0,2 mm bevorzugt.
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Die
geringsten Druckverluste und eine effiziente Kondensatbildung treten
durch das erfindungsgemäße Abgassystem dann auf,
wenn das Abgas beim Durchströmen der Vielzahl der Unterkanäle eine
laminare Strömung aufweist. Die laminare Strömung
ist über Anzahl, Länge und Durchmesser der Unterkanäle
in der Abkühlphase, über den Durchmesser und die
Länge der Aufwärmzone und die Gasdurchlässigkeit
des endständigen hydrophoben Sterilfilters in Abhängigkeit
vom Gasdruck im Bioreaktorbehälter einstellbar.
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Um
sich einer Maximierung in der Betriebsweise des erfindungsgemäßen
Abgassystems anzunähern, soll die Strömungsgeschwindigkeit
des Abgases in den Unterkanälen der Abkühlzone
mindestens 0,1 m/s, vorzugsweise mehr als 5 m/s betragen bei Einhaltung
einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Aufwärmzone
von weniger als 2 m/s, vorzugsweise von weniger als 0,05 m/s.
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Die
Erfindung soll nun an Hand einer Figur und eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Dabei
zeigt die Figur schematisch eine erfindungsgemäße
Ausführungsform des Abgassystems mit einem Bioreaktorbehälter.
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Das
Abgassytem 1 ist über einen Gasabführungskanal 2 mit
dem Gaspolster eines Bioreaktorbehälters 3 zum
Austrag von Abgas aus dem Bioreaktorbehälter 3 verbunden.
Vor der Öffnung 4 des Gasabführungskanals 2 zur
Umgebung hin ist ein hydrophober Sterilfilter 5 angeordnet
mit einem davor liegenden Wärmetauscher 6. Dabei
ist der Gasabführungskanal 2 in einer Abkühlzone 7 des
Wärmetauschers in eine Vielzahl von Unterkanälen 2' aufgeteilt, von
denen in der Figur lediglich zwei Unterkanäle schematisch
dargestellt sind. In einer Aufwärmzone 8 des Wärmetauschers 6 ist
der Gasabführungskanal 2 zu einer Beruhigungszone
für das Abgas erweitert. Die Abkühl- und Aufwärmzonen 7, 8 werden
durch ein Boden- und Kopfelement 9, 10 gehalten
und sind beabstandet zueinander angeordnet. Dabei stehen die Abkühl-
und Aufwärmzonen 7, 8 nur über
das Bodenelement 9 kommunizierend mit einander in Verbindung,
während sie in dem Kopfelement 10 getrennt sind.
In der gezeigten Ausführungsform der Figur befindet sich
unterhalb des Bodenelements 9 des Wärmetauschers 6 ein
Kondensatsammelbehälter 11, welcher die in der
Abkühlzone 7 und gegebenenfalls noch in der Aufwärmzone 8 aus
den Abgasdämpfen niedergeschlagene Flüssigkeit
aufnimmt. Mittels einer Pumpe 15 (hier Schlauchpumpe) kann die
Flüssigkeit wieder dem Bioreaktorbehälter 3 zugeführt
werden. Das die Vielzahl der Unterkanäle 2' umgebende
Kühlmedium wird entweder direkt in der Abkühlzone 7 beispielsweise
mittels eines Peltierelements 13 temperiert oder über
eine Kreislaufpumpe 16 in einem Kreislauf 12 mittels
einer Wärmepumpe 14 temperiert.
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Beispiel
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Abgas
mit einem Volumenstrom von 23 L/min eines 200 L Biorektorbehälters 3 aus
flexiblen Kunststoffwänden (Biostat Cultibag® STR200L,
Sartorius Stedim Biotech GmbH), der von unten mit trockener Luft
begast und zu zwei Dritteln mit einem wässrigen Kulturmedium
gefüllt ist, wird über den Gasabführungskanal 2 der
Abkühlzone 7 des Wärmetauschers 6 gemäß der
vorstehend beschriebenen Figur zugeführt. Das Abgas hat
eine Temperatur von 34°C und eine relative Feuchtigkeit
von 100%. Dies entspricht einer Wasserlast von ca. 35 g Wasser je
kg trockener Luft oder einem spezifischen Wassermassenstrom von
0,9 g/min. Das Abgas wird in 50 Unterkanäle 2' verteilt.
Jeder der Unterkanäle ist 50 cm lang, hat einen Innendurchmesser
von 3 mm und eine Wandstärke von 0,7 mm. Das Material der
Unterkanäle besteht aus Polyurethan. Die Unterkanäle 2' werden
von Wasser als Kühlmedium mit einem Volumenstrom von 1
L/min und einer Temperatur von 4°C im Gegenstrom umströmt.
Das Abgas strömt laminar mit einer Geschwindigkeit von
ca. 1 m/s durch die Unterkanäle und wird dabei auf eine
Temperatur von 6°C bei einer relativen Feuchtigkeit von
100% abgekühlt. Dies entspricht einer Kühlleistung
von 44 W. Das Kühlmedium, welches die abgeführte
Wärme aufgenommen hat, wird im Kreislauf 12 durch
die Wärmepumpe 14 (Frigomix® S,
B. Braun Biotech International) gepumpt, in dieser auf 4°C
gekühlt und anschließend wieder der Abkühlzone 7 des
Wärmetauschers 6 des Abgassystems 1 zugeführt.
Das beim Abkühlen entstandene Kondensat (ca. 0,75 g/min)
wird vom Gasstrom getrennt, in dem es durch eine in dem Bodenelement 9 befindliche
Kondensatabscheiderpackung aus Raschigringen geleitet wird. Die
abgeschiedene Flüssigkeit wird aus dem Bodenelement 9 in
den Kondensatsammelbehälter 11 geleitet und von
dort mittels einer Schlauchpumpe 15 in den Bioreaktorbehälter 3 zurück
geführt. Das gekühlte Abgas wird nun weiter der
Aufwärmzone 8 des Wärmetauschers 6 zugeführt.
Die Aufwärmzone 8 ist gebildet durch ein Rohr
mit einem Durchmesser von 6,5 cm, einer Länge von 50 cm
und einer Wandstärke von 3,0 mm. Es besteht aus einem Polyethylentherephtalat-Kunststoff.
In diesem strömt das Abgas mit einer Geschwindigkeit von
0,1 m/s von unten nach oben. Eventuell noch verbliebene Kondensattropfen können
aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit nicht mitgerissen
werden und fließen über das Bodenelement 9 zurück
in den Kondensatsammelbehälter 11. Über
die Umgebung zugeführte Wärme erwärmt
das Abgas und überführt eventuell noch vorhandene
kleine Kondensattropfen in die Gasphase. Am Eingang zum hydrophoben
Sterilfilter 5 hat das Abgas eine Temperatur von 14°C
und eine relative Feuchtigkeit von 59%. Dies entspricht einer Wärmeleistung
von 3,5 W. In dem Kondensatsammelbehälter 11 gesammeltes
Kondensat wird über eine Schlauchpumpe 15 dem
Bioreaktorbehälter 3 wieder zugeführt. Über
einen Zeitraum von 67 Stunden konnte kein Verblocken des hydrophoben
Sterilfilters festgestellt werden.
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- 1
- Abgassystem
- 2
- Gasabführungskanal
- 2'
- Unterkanäle
- 2''
- Beruhigungszone
- 3
- Bioreaktorbehälter
- 4
- Öffnung
- 5
- hydrophober
Sterilfilter
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Abkühlzone
- 8
- Aufwärmzone
- 9
- Bodenelement
- 10
- Kopfelement
- 11
- Kondensatsammelbehälter
- 12
- Kreislauf
- 13
- Peltierelement
- 14
- Wärmepumpe
- 15
- Pumpe
- 16
- Kreislaufpumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008025968 [0002]
- - US 5443985 A [0003]
- - US 6133021 A [0004]
- - DD 260837 A3 [0005]