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Reaktor für biotische~Reaktionen
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Apparate zur Durchführung
biotischer Reaktionen, wie Biosynthesen und betrifft insbesondere eine verbesserte
Konstruktion der Apparatur eines solchen Bioreaktors, wodurch dieser einen biotischenProzeß
unter strengsten aseptischen Bedingungen durchzuführen ermöglicht.
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Derartige Bioreaktoren sind Apparate für die Herstellung biotischer
Massen, Antibiotika, Vakzine und anderer biochemischer Erzeugnisse, wobei als Katalysatoren
Bakterien, Hefen, Schi;mmelpilze, Viren, Bakteriophagen, Algen, pflanzlische und
tierische Gewebezellen und/oder Enzyme dienen. Die Hauptfunktionen eines solchen
Bioreaktors bestehen darin, optimale Reaktionsbedingungen zu ermöglichen und die
Reaktionsumgebung keimfrei, d.h. biologisch rein, zu bewahren! Asepsis ist kein
unschwer definierbarer
Begriff nach errechenbaren Normen, trotzdem
wird ein solcher verwendet z.B. bei der Konstruktion von Vorrichtungen zum Sterilisieren
von Luft und von anderen Medien. Asepsis ist mehr eine Reihe von verschiedenen Konstruktionsnormen,
durch die das Eindringen von Fremdmikroben in ein biologisch definiertes Fermentationssystem
ausgeschlossen werden kann. Kontaminierende Mikroben verursachen normalerweise Störungen
des Verfahrens, die ggf. zu einem Zusammenbruch des ganzen Verfahrens führen. Es
ist deshalb von großer Bedeutung, absolute Keimfreiheit während des gesamten Fermentationsverlaufes
aufrechtzuerhalten. Die Gefahr, daß Mikroben vom Fermentator in die Umgebung ausgesprüht
werden, muß auch berücksichtigt werden. Nichtbeachtung insofern kann zur Entstehung
ernsthafter Gesundheitsprobleme Anlaß geben.
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Die vorliegende Erfindung erbringt demgemäß zunächst Sicherheit gegenüber
unerwünschten' Keimen,und zwar nicht nur in Bezug auf die im Verfahren befangenen
Mikroben, sondern auch für die Apparatebedienung. Während der letzt vergangenen
Jahre ist die Entwicklung von Verfahrenskontrollsystemen für derartige Bioreaktoren
enorm fortgeschritten aufgrund eingehender Arbeiten auf diesem Gebiet. Verfahrenskomputer
können nun gekuppelt werden mit Bioreaktoren, wodurch eine verbesserte Leistung
erzielt wird. Andererseits aber hat man überraschenderweise geringe Beachtung der
Weiterentwicklung hinsichtlich strengstens aseptischer Apparate für Bioreaktionen
geschenkt. Bis ins Einzelne gehend überlegte Systeme für automatische Sterilisierung
von Bioreaktoreinheiten sind auch entwickelt worden. Bedauerlicherweise
hat
man ganz erheblich weniger sich bemüht, in mechanischer Hinsicht Konstruktionen
zu schaffen, durch die der Bioreaktor keimfrei gehalten werden kann während der
Verfahrensverläufe von langer Dauer oder bei ununterbrochenem Betrieb. Das hat sich
ausgewirkt auf die zur Zeit industriell geübten Fermentationsverfahren, von denen
die überwiegende Mehrheit chargenweise ausgeführt wird. Halb kontinuierliche qder
kontinuierlich verlaufende Verfahren könnten jedoch durchaus anwendbare Alternativen
darstellen, wenn es möglich wäre, dauerhaft aseptische Einheiten erhältlich zu machen.
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Die vorliegende Erfindung ist ausgegangen von einer kritischen Untersuchung
der bisher zur Verfügung stehenden Bioreaktoren.
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Als Ergebnis dieser Prüfung wurde ermittelt, daß eine Keimverseuchung
aufgrund eines oder mehrerer der nachstehend schematisch angegebenen Gründe statthat:
- Die Anlage des Reaktionsapparates und/oder das Beschickungsmaterial sind unzureichend
sterilisiert, - verseuchende Mikroben drogen mit dem Materialstrom während des Fermentationsprozesses
in die Anlage ein, - verseuchende Mikroben wandern oder wachsen in den Fermentator
ein, und zwar durch Grenzbereiche hindurch zwischen keimfreien und keimbefallenen
Umgebungen, - Betriebsstörungen oder Fehler beim Arbeiten mit der Apparatur verursachen
die Verseuchung.
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Die beiden Letztenannten Ursachen lassen sich durch Verbesserung
der
Sterilisationsmittel ausschalten. Das Risiko eines Fehlers beim Arbeiten kann zwar
verringert, jedoch nicht gänzlich ausgeschlossen werden durch Verbesserung der Vorschriften
und der Kontrollmittel. Die Untersuchung ergab, daß die Grenzschichten der Apparatur
sehr oft übersehen werden beim Aufsuchen von Verseuchungsquellen.
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Verseuchungen durch die Grenzbereiche kann auf verschiedenem Wege
auftreten. Mikroben können z.B. eindringen bzw. einwuchern in das Fermentationssystem
durch laminare Beläge an den Innenwandungen von Rohrleitungen und Ventilen. Sie
können auch durch feinste Löcher oder Spalten an mechanischen Verbindungsstellen,
wie z.B. am Deckel des Reaktionsgefäßes, an Schaugläsern, an Rohrflanschen und Ventilen
eindringen.
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Eine nähere Betrachtung des Verhaltens dieser Mikroben an den verschiedenen
Arten derartiger Grenzschichten, wobei die Mikrobe wechselnden Bedingungen ausgesetzt
ist, konzentrierte schließlich das Problem auf acht Kriterien von Keimfreiheit.
Diese Kriterien sind: 1. Eine Mikrobe durchdringt kein homogenes, festes Material;
2. eine Mikrobe wandert nicht oder wuchert nicht durch eine Öffnung in festem Material,
sofern die Abmessung der Mikrobe die Maße der betreffenden Öffnungen mit Sicherheit
überschreiten;
3. eine Mikrobe wandert nicht entgegen einem Materialfluß;
4. eine Mikrobe wandert bzw. wuchert nicht entlang einer trockenen Unterlage, sofern
nicht eine äußere Kraft einwirkt; 5.eine Mikrobe wuchert nicht auf einer Unterlage,
deren Temperatur höher liegt als die Maximal-Wachstumstemperatur der Mikrobe selbst;
6. eine Mikrobe wächst nicht durch eine, einem Stoffwechsel nicht unterworfene (nicht
metabolisierbare), hydrophobe und/oder toxische Schicht; 7. eine Mikrobe wächst
nicht in ein keimfreies Gebiet, wenn die für das Wachsen gegebene Zeit im Vergleich
zur doppelten Zeit für die Mikrobe kurz ist und der benötigte Wachstumsabstand lang
ist im Vergleich zu den Abmessungen der Mikrobe; 8. eine Mikrobe kann unwirksam
gemacht werden durch Sterilisierung, z.B. mittels Dampf, chemischen Giften, durch
Abt flammen oder durch Bestrahlung.
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In den meisten Anlagenteilen ist eine Kombination von mehreren Kriterien
für Keimfreiheit in Rechnung zu setzen. Dazu gibt im einzelnen ausführlich die folgende
Beschreibung eine Erläuterung.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es danach, eine neue Apparatur
zu schaffen und Mittel für die Durchführung von biotischen Prozessen unter strengsten
Voraussetzungen für Keimfreiheit und zugleich unter Ausschaltung der Gefahr einer
Keimverseuchung
der Reaktionslösung, wie auch der Umgebung der
Apparatur.
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Die Erfindung erbringt ferner dabei eine neue Art von Labyrinthdichtung
für die Durchführung der Rührvorrichtung in den Reaktionsbehälter, wobei für die
Dichtung zudem auch ein keimfreies Arbeiten ermöglicht wird.
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Weiterhin ist mit der Erfindung eine neue Abdichtungsweise verbunden
mit der Anordnung einer hydrophoben oder toxischen Sperre zwischen keimfreien und
nicht keimfreien Bereichen, z.B. an den Probenahmeanschlüssen.
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Die Erfindung betrifft auch eine neue Ausbildung des Apparates hinsichtlich
des keimfreien Abziehens aus dem Bioreaktor mittels einem am Kopfteil beheizten
sog. Schichtbrecherbehälters, in dem keimfreie Luft zugeführt wird und für ein kontinuierliches
Ausfließen aus dem Behälter gesoryt ist.
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Diese und weitere besondere Erfindungseinzelheiten und damit verbundene,
neue Vorteile ergeben sich aus nachstehender Beschreibung anhand der Zeichnung,
in welcher Fig. 1 schematisch ein Bioreaktor für keimfreies Arbeiten in Gesamtdarstellung
ist und in folgenden Figuren in eingehenderen Detaildarstellungen behandelt wird;
Fig.
2 ein keimfrei arbeitendes Beimpfungs- und/oder Musterziehventil; Fig. 3 ein Speisebehälter
zur keimfreien Beschickung mit einem durch Dampf geschützten Einklinkstecker; Fig.
4 Schnitt durch die keimfrei gehaltene Labyrinth-Dichtung zwischen Mischer und Gefäß;
Fig. 5 ein Schauglas im Schnitt, bei dem eine hydrophobe und/ Mer toxische Schicht
als Sperre gegen eine teimverseüchung vorgesehen ist; Fig. 6 ein Schichtbrecherbehälter
mit Kopfbeheizung und einer Zuführung für keimfreie Luft oder Gas zur Aufrechterhaltung
eines zuangsläufig und restlosen Ausfließens, In Fig. 1 ist mit 30 ein im vesentlichen
üblicher Bioreaktor mit einem Rührer 32 und dessen Antrieb 31, einem Luft/Gas 33
Sprudler, einem Wärmeaustauscher 34 dargestellt, vährend die sonst nötigen Hilfseinrichtungen
und die dazu gehörige Instrumentenausstattung weggelassen sind. Der sessel des Reaktors
ist vorzugsweise eine geschweißte tonstruktion.
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Substrat wird kontinuierlich oder chargenveise durch die Leitung 1
und einen Sterilisator lo eingeführt in dem das Substrat z.B. heiß sterilisiert
wird.
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Alternativ werden Substrate und andere Zusätze, wie s.B. Schaumzerstörungsmittel,
Säuren,
Basen, Vorstufen oder Impfmaterial in dem Behalter 30 aus einem unter Druck gebrachten
und durch Einrastung verbindbaren Behältnis 20 zugeführt, das an die Speiseleitung
5 angeschlossen ist durch eine mittels Dampf abgedichtete Dichtung 23, durch die
das Behältnis 20 im Laufe eines Arbeitsvorganges vom Reaktor abgetrennt oder diesem
zugeschaltet werden kann. Das Behältnis 20 mit seiner einrastbaren und mit Dampf
versorgten Kupplung 23 stellt eine neue Ausbildung dar und ist genauer in Fig. 3
gezeigt.
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Dieses Behältnis 20 kann mittels Hitze, z.B. Dampf, sterilisiert werden
oder, wenn es sich um reine Flüssigkeiten handelt, durch Filtersterilisieren; sofern
Keimfreiheit gewahrt ist, kann dieses Vorratsgefäß lange Zeit bereitgehalten werden.
Das ist von großer Bedeutung für die Aufbewahrung z.B. von Impfe in Kühllagerräumen.
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Das Regelventil 21 in der Speiseleitung 5 ist beispielsweise ein Nadelventil
mit angeschweißten Balgenabdichtunger und ist an ein Instrument 22 angeschlossen,
mit dem das Einspeisen über Leitung 5 auch automatisch gesteuert werden kann. Im
Falle von mycellarem Impfstoff oder einem breiartigen Beschickungsmaterial verwendet
man ein mittels Dampf abgedichtetes, durchspültes Ventil 21. Die Bauform dieses
Ventiles im einzelnen ist neu und findet auch Anwendung für das Probenentnahmeventil
in der Leitung 8, wie es im einzelnen
in Fig. 2 dargestellt ist.
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Der Reaktorkessel ist ausreichend mit Wärmeübertragungselementen ausgestattet,
durch welche Wasser zirkuliert, das aus der Leitung 3 zu- und durch Leitung 4 abläuft.
In Fig. 1 sieht man nur einen Wärmeaustauscher 34, in der Praxis jedoch können noch
mehrere Elemente so eingebaut sein, daß sie zugleich als Prallwände wirken.
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Für die Reaktion benötigte Luft oder benötigtes Gas wird dem Reaktorkessel
30 über die Leitung 7 zugeführt und ein Sterilisierfilter, vorzugsweise eine ganz-geschweißte
Konstruktion mit erforderlichen Anschlüssen trocken gehalten oder mit einer hydrophoben
und/oder toxischen Beschichtung versehen. Diese letztgenannte Spielart ist neu und
kann vorzugsweise zum Schutze weiterer Anschlüsse zum Kessel 30 verwendet werden,
wie beispielsweise im Probenahmeanschluß 22 und im Schauglas 36 -näher erläutert
in Fig. 5.
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Die Luft oder das Gas wird in den Kessel 30 eingedrückt huber eiren
Sprudelansatz 33 im Unterteil dicht über dem Boden des Kessels. Die Gasableitung
6 kann mit einem beheizten Schichtbrecher und einem Sterilisierfilter gleicher Art,
wie Filter 50, versehen sein. Der Reaktor 30 ist ferner mit einer üblichen Durchmischvorrichtung
ausgestattet, die im wesentlichen aus dem Antrieb 31, der Rührerwele 37 und einem
Läufer bzw. RUhrquirl
32 dicht über dem Sprudelansatz 33 besteht.
Die Welle 37 wird an ihrer Durchgangsstelle in den Kessel keimfrei gehalten durch
die Labyrinthdichtung 35, die mit Dampf oder keimfreiem Gas versorgt wird. Die Beheizung
der Labyrithdichtung kann mittels Dampf oder auch elektrisch erfolgen. Dieser neuartige
Anschluß der Rührvorrichtung an das Gefäß ermöglicht eine reibungsfreie Verbindung
und ist in Einzelheiten näher dargestellt in Fig. 4.
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Der Auslauf 2 aus dem Bioreaktor weist ein keimfreies Ventil 41 und
ein Schichtbrechergefäß 42 von an sich neuer Konstruktion auf, wie im einzelnen
aus Fig. 6 ersehbar. Innerhalb dieses Schichtbrechergefäßes setzt sich die Ausströmleitung
nicht £ort, sondern ist im Gefäß abrupt unterbrochen. Der ausfließende Strom bildet
einen Flüssigkeitsstrahl und kann nicht zu einer Schichtablagerung an der Innenwandung
dieses Behälters führen, wie sie eine Mikrobenwucherung begünstigen könnte. In das
Gefäß wird ferner ein keimfreier Luft oder Gasstrahl eingedrückt, der den ununterbrochenen
Ausfluß aus dem Schichtbrecher unterlagert und damit das Eindringen von Fremdmikroben
in das Gefäß 42 verhindert. Der Oberteil 40 des Gefäßes 42 wird beheizt.
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Fig. 2 zeigt im einzelnen den Aufbau des in die Leitung 8 eingesetzten
Ventiles, mittels dessen eine Probe keimfrei aus dem Reaktionskessel abgezogen werden
kann. In einem Ventilgehäuse 201
verschiebt sich ein Kolben 202
und öffnet damit oder schließt das Ventil. Auf dem Kolbenschaft sitzen drei durch
O-Ringe gedichtete Abschnitte, wodurch, wenn das Ventil geöffnet ist, (wie dargestellt)
die Flüssigkeit aus dem Reaktionskessel durch das Probenziehrohr 203 in einem Probensammelbehälter
ausläuft.
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Gleichzeitig bläst Dampf, der durch 204 ein- und durch 205 austritt-,
zwischen zwei der abdichtenden Abschnitte und bildet dadurch eine keimfreie Abschließung.
Beim Schließen des Ventiles (gestrichelte Linie ) stoppt der erste Dichtungsabschnitt
den Flüssigkeitsstrom, während der zweite Abschnitt den aus 204 nach 203 und 205
fließenden Dampfstrom teilt und gleichzeitig das Probenentnahmerohr 203 reinigt
und einen keimfreien Dampfabschluß bildet. Das Ventil ist mit einem Antrieb 206,
z.B.
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einem pneumatischen Antrieb, v-ersehen, der entweder dn handgesteuert
ist oder mit einem automatischen Probenehmer gekuppelt ist.
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Fig. 3 zeigt im einzelnen den durch Einrasten in die Leitungen 23
zuschaltbaren Zuspeisungsbehälter 23. Der Druckkessel 30 des Reaktors wird mit dem
Zusatzgut über das Ventil 302 gefüllt. Der Zusatzgut enthaltende Behälter 301 ist
in einem Autoklaven sterilisiert und keimfreie Luft wird durch Ventil 302 eingedrückt
und dann das ebengenannte Ventil geschlossen.
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Man kann andererseits aber auch eine Kaltsterilisation anwenden.
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Der Kessel 301 wird dazu vorsterilisiert und die Medien werden
durch
ein Sterilisierfilter eingefüllt.Der Kessel wird, falls erforderlich, dann gekühlt
und an die Speiseleitung zum Reaktor mittels der Dampf-durchspülten Rastenkupplung
303 angeschlossen und durch den Spannring 304 in Stellung gehalten. Die Anschlußkupplung
303 wird fortlaufend von DAmpf durch den Dampfkanal 305 durchspült. Wenn die Speiseleitung
nicht in Betrieb ist, kann man den Kessel 301 ersetzen durch eine separate Abdichtkappe,
die sich in 303 einsetzt und einen ununterb-rochenen Spüldampfstrom aufrechterhält.
Mit dieser Anordnung ist eine keimfreie Einspeisung von Zusätzen auch in fortlaufendem
Gang möglich gemacht.
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Fig. 4 zeigt die Einzelheiten der reibungsfreien Abdichtung 35 der
Rührerwelle. Sie besteht aus dem mit dem Reaktorkessel verschweißten Lagerstück
401, der Lagerb S$ 402, die mit Bolzen am Kessel fixiert ist, einer Mehrzahl von
Labyrinthdichtungsscheiben 403 und Distanzringen 404, die in die Büchse 402 eingepackt
und verspannt sind durch den Schraubenring 405. Um den Wellendurchstoß keimfrei
zu halten , wird Dampf, sterile Luft oder Gas durch das Rohr 406 zugeführt. Diese
Medien, wie z.B. sterile Luft, schließen auch die Verbindungsstelle zwischen dem
Lagerstück 401 und der Lagerbüchse 403 dicht ab. Die Labyrinthdichtung kann separat,
z.B. elektrisch, beheizt werden.
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Fig. 5 zeigt die besonderen Einzelheiten, wodurch das Schauglas
keimfrei
gemacht wird. Das Glas 501 ist gehalten zwischen den beiden Flanschringen 502 und
503 und gepackt mittels eines hydrophoben oder toxischen Schmierfettes als keimfreiem
Abdichtungsmittel. Diese "Packungn ist an dem Winkelring des Schauglases 504 mit
Klammern zusamengehalten, die leicht gelöst werden können. Diese Verbindung zwischen
503 und 504 wird dichtgehalten durch Dampf, der in den Dampfkanal 505 eintritt.
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Fig. 6 zeigt genauer in Einzelheiten den Grenzschichtenbrecher-Behälter
42, bei welchem das Auslaufrohr wechselt von einem keimfreien zu einem nicht keimfreien
Bereich, und wobei dieser Brecher eine Keimverseuchung durch Mikrobenwucherung in
den Bioreaktorkessel verhindern soll. Der Behälter 42 besteht aus zwei Teilen, und
zwar einem oberen Teil 40 und einem unteren Teil, die beide mit leicht abnehmbaren
Klammern zusammengehalten sind. Die am Boden des Reaktors austretende Leitung 43
setzt sich innerhalb des Behälters 42 ein Stück fort,unmi ein abruptes Brechen der
ausfließenden Medien in dei keimfreien Bereich zu ermöglichen, wobei kein direkter
Kontakt der Medien mit den Behälterwandungen gegeben ist. Der Behälter 42 ist unter
schwachen Druck gesetzt mittels eines Gases oder Luft, die zugeführt werden durch
die Leitung 601. Der Kopf des Kessels ist elektrisch beheizt oder mtitels Dampfschlange
602 , die die Innenwandung dieses Kopfabschnittes des Behälters trocken erhält.
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Um Wärmeverluste zu vermeiden , ist der obere Teil des Kessels
mit
einer Isolierung 603 überdeckt. Wenn dieses ganze System sterilisiert wird, so schließt
man den Zapf anschluß 2 und das Dampfkonzentrat durch das Rohr 604 ab.
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Selbstverständlich dient die vorstehende, ins einzelne gehende Beschreibung
einer Ausführungsform nach der Erfindung nur als Beispiel. Verschiedene Einzelheiten
dieser Ausführung und Konstruktion können verändert werden, ohne vom eigentlichen
Gehalt und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie dargelegt in den anliegenden Ansprüchen.
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So kann das System etwa beispielseise für Ferner titionsprozesse ein
oder auch mehrere beheizte Labyrinthdichtungen für die Abdichtung des Durchgriffes
der Rührerwelle (n) aufweisen, ebenso können auch mehrere, anschließbare Behälter
für die Aufnahme und Zuspeisung von z.B. Empfstoffen oder dergl. an den Reaktionskessel
anschaltbar und auch mehrere keimfrei gehaltene Schichtbrecher anschließbar sein.
Auch übliche Anschlüsse von beispielsweise Instrumenten, wie Thermometern, Manometern,
pH-metern oder dergl. sind natürlich gemäß dem Ziel der Erfindung keimfrei gehalten
mittels hydrophober und/oder für Mikroben toxischer Dichtungszwischenlagen.