DE3328712C2 - Folienfermenter - Google Patents
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Abstract
Folienfermenter für die Anzucht von Mikroorganismen oder von Zell- bzw. Gewebekulturen, ausgeführt als Folienschlauch, der beidseitig verschlossen und aufgehängt ist und der an jedem Ende durch einen kreisrunden Deckel abgeschlossen ist, so daß sich ein zylindrischer Raum bildet. Dem Folienschlauch ist ein genau angepaßter Stahlmantel zugeordnet, der bei der "in-situ"-Sterilisation an den zylindrischen Schlauch anlegbar ist und damit den Schlauch stützt.
Description
Die Erfindung betrifft einen Folienfermenter für die
Anzucht von Mikroorganismen oder von Zeil- bzw. Gewebekulturen. Derartige Fermenter werden üblicherweise
aus Edelstahl hergestellt. Die Festigkeit des Behälters hat sich dabei nach den Sterilisationsbedingungeni.(Sattdampf
Wasser 121°C, 1,2 bar Überdruck, 0,5 h)zü richten. Aus Sicherheitsgründen empfiehlt die
DECHEMA-Betreibernorm (»Arbeitsmethoden für die Biotechnologie«, November 1982) die Auslegungstemperatur
von 1430C und den Auslegungsdruck von 4 bar.
Die Innenflächen sind möglichst reinigungsfreundlich auszubilden und auf Korn 240 zu bearbeiten.
Für Laborzwecke werden auch sogenannte »Glasfermenter«
(übliche Reaktorgrößen 2 bis 200 1) eingesetzt. Hier wird ein serienmäßig erhältliches Glasrohr mit
einem Boden und einem Deckel aus Edelstahl versehen. Alle Antriebselemente, Meßinstrumente sowie
Zu- und Abführungsleitungen werden durch diese Stahlteile geführt. Verglichen mit Ganzstahlfermentern
haben Glasfermenter den Vorteil der visuellen Beobachtungsmöglichkeit Darüber hinaus können Glasfermenter
auch für die Anzucht photosynthetischei Kulturen eingesetzt werden, da der Reaktorinhalt von außen
leicht zu beleuchten ist Nachteilig ist ein hohes Sicherheitsrisiko bei der »in situ«-Sterilisation (ohne Autoklaven
bei gefülltem Fennenter), da ein bei 1210C mit
Innendruck belasteter Glasbehälter schon bei geringfügigen Verletzungen des Glasmantels bersten kann. Die
heute angebotenen Berstschutzmäntel, die fur die Sterilisation verwendet werden, bieten aber keinen ausreichenden
Schutz gegen freiwerdende Glassplittcr sowie den Heißdampf.
Für biologische Reaktionen, die langsam ablaufen und die deshalb einen nur geringen Gasbedarf (Sauerstoff
bei aeroben, CO2 bei photosynthetischen Organismen) haben, sind Rührorgane in den Fermentern nicht
notwendig. Solche langsam wachsenden Kulturen sind beispielsweise Pflanzenzellkulturen. Wegen der niedri-"
gen Wachstumsgeschwindigkeit ist bei diesen Kulturen ein großes Reaktiom-yolumen notwendig, dessen volumenbezogene
Kosten möglichst niedrig sein sollen. Für diesen Zweck ist nun (vgl. »Algae Biomass«, G. Shelef
and C. J. Soeder, Editors, 1980, Elsevier/North-Holland
Biomedical Press, S. 307 bis 313, insbesondere S. 308) ein Fermenter entwickelt worden (Fig. 1), der aus
einem Folienschlauch (Polyäthylen) mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Länge von 1 bis 2 m
besteht. Die Wandstärke des Folienschlauches beträgt 0.3 mm beim kleineren und 0,6 mm beim größeren
Behälter (Doppelfolie). Der Folienschlauch ist durch Zusammendrücken längs einer geraden Linie verschlossen
und wird an der oberen Verschlußkl -mme über ein Seil an der Raumdecke aufgehängt. Im jeweils oberen bzw.
unteren Bereich des Kulturbehälteis kann über einen eingeklebten Polyäthylenschlauch dem Behälterinnenraum
wahlweise Flüssigkeit oder Gas zugeführt bzw. entnommen werden. Weitere Einbauten sind nicht
vorgesehen. Die angegebenen Kulturbehälter dienen der nichtsterilen Anzucht photoautotropher Mikroalgen
bzw. von Rädertierchen (rotifers). Dieser Folienschlauch hat aber den entscheidenden Nachteil, daß er
nicht »in situ« steri(isierbar ist, da die Folie den dabei auftretenden Innendruck nicht aufnehmen kann. Die
Anordnung kann deshalb nur für die Anzucht von mit rpin anorganischer Nährlösung versorgten Algen herangezogen
werden, bei denen eine Sterilisation nicht notwendig ist. Bei Pflanzenzellkulturen werden jedoch
in der Regel organische Nährlösungsbestandteile eingesetzt. Die Sterilisation ist dann nicht zu umgehen.
Außerdem besteht bei diesem bekannten Folienfermenter keine Möglichkeit, die bei üblichen Fermentern
vorgesehenen Einbauten, z. B. eine pH-Sonde, unterzubringen. Durch die US-PS 40 27 427 ist ein Verfahren
und, eine Vorrichtung für die Produktion von !Mikroorganismen bekannt geworden. Es handelt sich ä
um einen Plastiksack, dessen einzige Öffnung durch eine gasdurchlässige, kreisförmige Filterscheibe verschlossen
ist. Die Verbindung des auswechselbaren Filters mit'der Plastikfolie wird durch eine kragenlormige
Verschraubung bewerkstelligt. Diese Vorrichtung
ι ist für die Produktion kleiner Mengen von Mikroorganismen
vorgesehen. Die Installation der bei Fermenlern üblichen Einbauten wie Meßsonden, Zu- und
Abführleitungen sowie einer Gasverteileinrichtung ist
nicht vorstellbar. Die Vorrichtung kann im übrigen nicht »in situ« sterilisiert werden.
Weiterhin ist durch die GB-PS 8 55 644 ein tonnenförmiger
Behälter bekannt, eier mit einer Plastikfolie ausgekleidet
wird. Der die Auskleidung bildende Plastiksack ist mit einer verschraubbaren öffnung versehen,
durch die der Behälter gefüllt oder entleert werden kann. Ebenfalls bekannt, durch die CH-PS 5 Yi 105, ist ein stapelbarer
Kunststoffbehälter mit Plastiksackeinlage, die einen verschließbaren Stutzen besitzt. Die beiden zuletzt
angesprochenen Patentschriften beschreiben also Plastiksäcke, deren Form durch einen äußerem Stützbehälter
vorgegeben wird. Die einen Fermenter betreffende Problematik, z. B. der Druckaufnahme während
der Sterilisation, wird darin nicht angesprochen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Foüenfermenter zu schaffen, der »in situ« sterilisierbar
ist und die Verwendung genormter Meßy-mden
und anderer Einbauten ermöglicht. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen
gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.
Aufden beigefügten Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 einen dem Stand der Technik entsprechenden
Folienfermenter,
F i g. 2 einen erfindungsgemäßen Folienfermenter im Schnitt,
Fig. 3 den zugehörigen Siützmantel,
Fig. 4 die Anwendung als Blasensäule,
Fig. 5 die Anwendung als Schlaufenreaktor,
Fig. 6 ein Produktionsbeispiel, Fig. 7 einen Deckel mit den O-Ringen,
Fig. 8 den Stützmantel, vergrößert.
Gemäß Fig. 2 ist ein Folienfermenter als Folienschlauch
1 ausgebildet, der mit Hilfe elastischer Gummiringe (O-Ringe 2, Material beispielsweise
Viton) mit einem entsprechend ausgebildeten Stahl-Uodcn
4 bzw. Stahl-Deckel 3 fest verbunden ist.
In dem oberen Deckel 3 können Meßsonden (pH-Sonde, Redox-Sonde, po,-Sonde, Turbidostatsonde),
die Animpfstutzen, pH-Regulationsstutzen, Abluftkühler und eventuell ein Überdruckventil untergebracht
sein. Der untere Deckel-Boden 4 kann die Zuführeinrichtung 5 für die Begasung, Kühleinrichtung,
Heizeinrichtung, Temperaturmeßfühler, Ablaßventil und, wenn notwendig, ein Probeentnahmeventil
enthalten. Zu den Deckel-Einbauten zählen beispielsweise auch di: Gasverteileiririchtung bzw. das Einsteckrohr
(vgl. Fig. 5).
Der auf diese Weise gebildete Folienschlauch stellt ein exakt zylinderförmiges Gebilde dar, das bei der Sterilisation
mit Hilfe eines Stützmantels 6 (Fig. 3) gestützt wird. Eingesetzt wird eine durchsichtige PA-Folie
(Schmelztemperatur 170 bis 2200C). Die Foliendicke kann nach einer nachstehend noch angegebenen
Auslegungsgleichung bestimmt werden. Die Instruimcnticrung
kann, wie bei Glasfermentern, durchge-[ führt werden. Es ist ein Betrieb als Blasensäule 7
l-'ig. 4) bzw. Schlaufenreaktor 8 (F i g. 5) vorgesehen. In
Jen Fällen erfolgt die Gaszufuhr über einen Gaskompressor
9, ein Sterilfilter 10 und einen Gasverteiler |ll. Oben entweicht die Abluft 12. Bei dem Schlaufenreaktor
gemäß Fig. 5 ist nocis sin Einsteckrohr 13 zur Er- ; ziclüng einer definierten Umlaufströmung vorgesehen.
Die Sterilisation erfolgt in der Regel mit Hilfe des ohnehin in jedem Fermenter eingebauten Temperaturregelsystems.
Voraussetzung ist, daß die eingesetzten Heizelemente entsprechend stark ausgelegt sind, um
ein Hochheizer, des Fermenterinhaltes auf 121°C im
Zeitraum von etwa 30 Minuten zu ermöglichen. Die Sterilisationstemperatur von 121°C wird über einen
Zeitraum von 30 Minuten gehalten. Anschließend wird der Fermenterinhalt auf Betriebsbedingungen abgekühlt.
Es ist hierbei nützlich, wenn im unteren Deckel (Boden) des Fermenters eine Kühlmöglichkeit vorgese ·
hen ist. Steht kein Temperaturregler zur Verfugung, so genügt auch eine Heizeinrichtung in Verbindung mit
einem am oberen Deckel angebrachten Sicherheitsventil, das auf einen Überdruck von 1,2 bar eingestellt ist
(Dampfkochtopfprinzip).
Folienfermenter können als Laborrenktoren eingesetzt werden, da sie ähnlich wie Glasreaktoren den Vorteil
der durchsichtigen Außenwand haben. Besonders günstig ist jedoch - wegen der geringer -Olumenbezogenen
Fermenterkosten - der F.insat? ·η der technischen Produktion, etwa nach dem in Fig. 6 angegebenen
Schema. Danach ist eine größere Anzahl von Folienfermentern 22 in einem klimatisierten Raum 24
untergebracht, so daß eine Thermostatisierung des einzelnen
Fermenters entfallen kann. Die einzelnen Fermenter sind an der Decke an einem Transportband aufgehängt
und können von der Position Pos. 21 zur Position Pos. 23 transportiert werden. Die Transportzeit entspricht
der notwendigen Kulturzeit. Die Folienfermenter werden in der Position Pos. 21 sterilisiert. In der
Position Pos. 23 erfolgt die Ernte und danach die Aufarbeitung. Nach Abernten werden die verbrauchten
Folien einer Verwertung 26 zugeführt, die Deckel und Böden werden in 25 gereinigt, über 27 in die Ausgangsposition
Pos. 21 gebracht und zusammen mit einer neuen Folie 28 zu einem neuen Folienfermenter zusammengeführt.
Die Folienhalterung am Deckel ist in Fig. 7 vergrößert
dargestellt. Die den Fermentationsraum 37 umhüllende Folie 31 muß am oberen und unteren Ende je an
einem Deckel 32 befestigt werden, so daß ein von der Umwelt hermetisch abgeschlossener Raum entsteht. Es
hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Folie durch Einklemmen der Folie zwischen zwei O-Ringe 35 und 36 am
Deckel festzuhalten. Die eigentliche Abdichtung erfolgt am O-Ring 36, da aufgrund des Gewichts des
gefüllten Folienfermenters die Folie 31 an den O-Ring 36 angedrückt wird. Der O-Ring 35 wird durch einen
Haltering 33 auf den O-Ring 36 gedrückt. Hierdurch wird die dazwischenliegende Folie 31 festgehalten. Der
Außendurchmesser des O-Ringes 35 sollte etwas größer sein als der Innendurchmesser des Folienschlauches 31
(im Austührungsbeispiel ist der Innendurchmesser des Folienschlauches 200 mm, der Außendurchmesser des
O-Ringes 205 mm). Auf diese Weise wird der Folienschlauch beim Einbau etwas gedehnt und eine Faltenbildung
der Folie an der Dichtfläche zuverlässig verhindert.
Der Stützmantel für die »in situ«-Sterilisation ist in Fig. 8 vergrößert gezeigt. Bei der »in situ«-SteriIisation
tritt im Inneren des Folienfermenters ein Überdruck von ca. 1,2 bar auf. Deswegen muß während der Sterilisation
die Folie 45 abgestützt werden.
Der Stützmantel bestellt aus zwei Halbschalen 41, die
durch Paßstifte 44 zu einem exakten Zylinderrohr zusammengefügt werden können, so daß sie die Folie 45
eng umschließen. Die beiden Halbschalen 41 werden
durch Halteringe 42 mit jeweils sechs am Umfang verteilten Schrauben 43 zusammengehalten. Die in axialer
Richtung auf die Deckel 40 wirkende Kraft wird durch einen Vorsprung 46 des Stützmantels aufgefangen. Ein
Tür Testzwecke ausgeführter Stahlstützmantel hat z. B. eine Gesamtlänge von 0,6 m, einen Innendurchmesser
von 205 mm für einen Folienschlauch-Durchmesser von 200 mm. Insgesamt sind vier Halteringe 42 angebracht.
Abschließend seien die Vorteile des erfindungsgemäßen Folienfermenters gegenüber herkömmlichen
Fermentern zusammengefaßt:
- Niedriger Herstellungspreis, nur zwei einfache Edelstahlteile sind notwendig; die Kosten für die
Folie können vernachlässigt werden.
Gefahrlose Sterilisation (keine Glassplitter).
- Durchsichtige Außenwand, Einsatzmöglichkeit für photosynthetische Reaktionen.
Einfache Reinigungsmöglichkeit der wiederverwendbaren Teile.
Zur Abschätzung der notwendigen Foliendicke gelten die nachstehenden Überlegungen unter Anwendung
der folgenden Bezeichnungen:
H = Höhe des Folienreaktors, D = Durchmesser des Reaktors,
S = Wandstärke der Folie,
ρ = Dichte des Reaktorinhalis, g = Erdbeschleunigung,
σ = Zugspannung.
Zugspannungen innerhalb der Folie treten in axialer und in tangentialer Richtung auf:
1. Eine Spannung in axialer Richtung entsteht infolge
des RcaktüfgcwichtcS
_H ■ D ■ ρ ■ g
"" AS
Das Gewicht des unteren Deckels ist hier vernachlässigt.
2. Die maximale tangential Zugspannung entsteht am unteren Reaktorende infolge des hydrostatischen
Druckes
_HD-p-g _2
2 S "" so
Daraus berechnet sich die Vergleichsspannung (Gestaltänderungsenergiehypothese):
Setzt man für σ, die Spannung ein, bei der die Folie
reißt und wählt für den Sicherheitsfaktor F einen Wert zwischen 4 und 8, so kann die notwendige Foliendicke abgeschätzt werden.
40 N/mm2,
5,
5,
2 m,
200 mm,
1000 kg/m3,
9,81m/s3,
1000 kg/m3,
9,81m/s3,
Beispiel
(Pa-Folie)
(Pa-Folie)
0,21 mm
1
= —fW V°ax + oian + \Otan ~ Oa:
y i-
55
60 Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
σ. | -0,43 | H- | D- | P | ■ g | F |
S | -0,43 | S | ||||
H- | D- | P | ■g | |||
σ. | ||||||
65
Claims (8)
1. Vorrichtung für die Anzucht von Mikroorganismen oder von Zeil- bzw. Gewebekulturen, bestehend
aus einem Folienschlauch, der beidseitig verschlossen und aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Folienschlauch (1) an jedem Ende durch einen kreisrunden Deckel (3, 4, 32) abgeschlossen ist, so daß sich ein zylindrischer
Raum bildet und daß dem Folienschlauch (1) ein genau angepaßter zylindrischer Stützmantel (6)
zugeordnet ist, der bei der »in situ«-Sterilisation an den Schlauch anlegbar ist
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Deckel (3, 4, 32) an seinem
Rand eine Aussparung zur Aufnahme von zwei elastischen Ringen (35,36) aufweist, die übereinander
liegen und zwischen sich unter Einwirkung eines andrückbaren Halteringes (33) den Folienschlauch
(31) dicht mrt dem Deckel verbinden.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des
den Folienschlauch (31) unmittelbar spannenden elastischen Ringes (36) etwas größer ist als der
Innendurchmesser des Folienschlauches, der beim Einbau etwas gedehnt wird und faltenfrei am elastischen
Ring (36) anliegt.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienschlauch (1)
bei einer Sterilisation stabilisierende Stützmantel (6) aus zwei I 'aibschalen (41) besteht, die durch Paß-Stifte
(44) zu einem exakten Zylinderrohr zusammenfügbar sind.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen (41)
durch Halteringe (42) mit Schrauben (43) zusammengehalten sind.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (3) mit
Meßsonden, Animpfstutzen, pH-Regulationsstutzen, Abluftkühler und gegebenenfalls mit einem
Überdruckventil ausgestattet ist und im Deckel (4>
Zulufteinleitung, Kühleinrichtung, Heizeinrichtung, Temperaturmeßfühler, Ablaßventil, eine Gasverteileinrichtung
und gegegebenenfalls ein Probeentnahmeventil und ein Einsteckrohr (13) angebracht
ist.
7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Folienschlauch
ein Polyamid dient.
8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (3, 4) aus Edelstahl
bestehen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833328712 DE3328712C2 (de) | 1983-08-09 | 1983-08-09 | Folienfermenter |
DE19853503468 DE3503468A1 (de) | 1983-08-09 | 1985-02-01 | Folienfermenter |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19833328712 DE3328712C2 (de) | 1983-08-09 | 1983-08-09 | Folienfermenter |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3328712A1 DE3328712A1 (de) | 1985-02-21 |
DE3328712C2 true DE3328712C2 (de) | 1986-04-17 |
Family
ID=6206139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19833328712 Expired DE3328712C2 (de) | 1983-08-09 | 1983-08-09 | Folienfermenter |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Families Citing this family (3)
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---|---|---|---|---|
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FR2799138B1 (fr) * | 1999-10-05 | 2002-02-08 | Opifex | Reacteur pour la realisation de cultures cellulaires ou de micro-organismes ou pour la mise en solution ou en suspension de poudre dans un milieu liquide |
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CH527105A (de) * | 1972-01-13 | 1972-08-31 | Somor Stefan | Stapelbarer Kunststoffbehälter mit Plastiksackeinlage |
US4027427A (en) * | 1976-07-16 | 1977-06-07 | Stoller Benjamin B | Method and apparatus for the production of spawn |
-
1983
- 1983-08-09 DE DE19833328712 patent/DE3328712C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3328712A1 (de) | 1985-02-21 |
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