DE3445952C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rührvorrichtung für einen Fer­ mentierungs- und Gewebekultivierungsbehälter, der insbeson­ dere als Mikroträger-Kulturenbehälter benutzt wird.

Die Verwendung der Zellenkultivierungstechnik ist allgemein bekannt und notwendig, um den Aufbau von tierischen Zellen zu studieren und wichtige medizinische Stoffe wie beispiels­ weise Hormone, Enzyme, Antikörper, Impfstoffe usw. zu er­ zeugen. Wenn die Gewebe- und Mikroträger-Zellenkultivierungs­ technik benutzt wird, sind die Zellen von Natur aus extrem brüchig, so daß sie während des Wachstums leicht beschädigt werden. Das Kultivieren von verankerungsabhängigen Zellen hat sich als besonders schwierig herausgestellt, so daß für die­ sen Zweck Verfahren entwickelt wurden, bei denen Mikroträger verwandt werden. Bei Mikroträgerkulturen wachsen die Zellen in einer einzigen Schicht auf der Oberfläche der Mikroträger, die im allgemeinen kleine Kugeln sind und ihrerseits durch leichtes Rühren in einem Kultivierungsmedium suspendiert sind. Eine Beschreibung der Mikroträgerzellenkultivierungs-Grundla­ gen und -Verfahren sowie der bekannten Rührsysteme im einzelnen findet sich in "Microcarriers Cell Culture: Principles and Methods", Pharmacia Fine Chemicals, Schweden, Dezember 1981.

Wie es in dem obigen Buch angegeben ist, wird die höchste Ausbeute für Mikroträgerkulturen dann erhalten, wenn die Mikroträger gleichmäßig im Kultivierungsmedium suspendiert sind und die Möglichkeit haben, in passendem Maße Gase mit dem Kultivierungsmedium auszutauschen. Unregelmäßige Rühr- oder Umwälzbewegungen müssen vermieden werden, da diese dazu führen können, daß sich die runden abgeteilten Zellen von den Mikroträgern lösen. Aus diesem Grunde ist es wichtig, zu vermeiden, daß das Kultivierungsmedium und die Mikroträ­ ger Schwingungen ausgesetzt werden. Andererseits ist ein Rühren oder Umwälzen wesentlich, um sicherzustellen, daß die gesamte Außenfläche der Mikroträger für das Zellenwachstum verfügbar ist, eine homogene Kulturumgebung zu schaffen, eine Ansammlung von Mikroträgern zu vermeiden und den Austausch von Gasen zwischen dem Kulturkopfraum und dem Medium zu er­ leichtern.

Um die Mikroträger und die Zellen zu suspendieren und zu be­ lüften, sind bisher viele Techniken einschließlich der Ver­ wendung von Dreh- und Stabrührbehältern, der Verwendung von Rollflaschen, der Verwendung von Rüttelflaschen und der Ver­ wendung von Lufttransport- und Fluidtransport-Kultivierungs­ medium-Systemen benutzt worden. Um das Rühren zu verbessern, ist versucht worden, Rührstäbe mit kugelförmigen Spitzen zu verwenden, die an einem Ende fest angebracht sind und in einem kreisförmigen Weg am anderen Ende um einen Vorsprung im Boden des Behälters herum bewegt werden, oder schaufel- oder kolbenförmige Laufräder zu verwenden.

Alle diese Anordnungen haben sich jedoch insbesondere als nicht zufriedenstellend herausgestellt, wenn sie bei einer kommerziellen Fermentierungs- und Gewebekultivierungs-Anlage im großen Maßstab verwandt wurden und sind hinsichtlich der Möglichkeiten der Steuerung der Geschwindigkeit und der Stärke der Mikroträgerbewegung und der Belüftung beschränkt.

In der US 32 36 744 ist eine Rührvorrichtung für einen Fermentierungsbehälter offenbart, welche ein senkrecht stehendes Rohr und einen unter dem unteren offenen Ende des Rohrs angebrachten Propeller umfaßt. Bei dieser Vorrichtung bewirkt die Drehung des Propellers das Aus­ strömen des Kultivierungsmediums aus dem Rohr, wodurch mit Hilfe der Schwerkraft eine zirkulierende Strömung im Fermentierungsbehälter erzeugt wird. Dabei kann aber die Drehung der Propellerblätter Verwirbelungen hervorrufen, und insbesondere beim Einsatz bei einem Mikroträger-Kul­ turenbehälter kann der Zusammenstoß der Mikroträger mit den Propellerblättern und auch der durch die Wirbel ausgelöste Zusammenstoß der Mikroträger untereinander zum Ablösen einer beträchtlichen Anzahl von Zellen von den Mikroträgern führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rührvorrichtung für einen Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehälter, der als Mikroträger-Kulturenbehälter verwendbar ist, bereitzustellen, welche Mikroträger-Zellenkulturen derart suspendiert hält, daß ein Gasaustausch möglich ist, während gleichzeitig das Ablösen der wachsenden Zellen von den Mikroträgern so gering als möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufge­ führten Merkmale gelöst, da die durch die Drehung der Hohlkörpereinrichtung bewirkte Saugkraft eine gleichmäßi­ ge Durchströmung des Kulturenbehälters antreibt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben:

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Laborfermentierungsvorrichtung mit einem Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rührvorrich­ tung.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht längs der Linie 3-3 in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rührvorrich­ tung, bei der ein anderes Antriebsverfahren be­ nutzt wird.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Ausbildung der Hohlkörpereinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In den Fig. 1 bis 3 ist eine Laborfermentierungsvorrich­ tung 10 dargestellt, die ein Ausführungsbeispiel der erfin­ dungsgemäßen Rührvorrichtung enthält. Die Fermentierungsvor­ richtung weist einen Steuerteil 12 auf, der die Einrichtungen enthält, die notwendig sind, um die Fermentierungsvorrichtung zu betreiben und kann zusätzlich eine Magnetantriebsmotorein­ richtung 28 aufweisen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehälter 14 ist auf der oberen Außenfläche 13 des Steuerteils 12 angeordnet und weist Anschlüsse auf, um den Zellenwachstumsprozeß zu überwachen und zu steuern. Der Behälter 14 wird in seiner Lage durch einen U-förmigen Träger 15a und einen lösbaren Bügel 15b gehalten. Der Fermentierungsbehälter 14 ist durch einen Be­ hälterdeckel 16a verschlossen, der gegenüber einem oberen Flansch des Behälters über eine Dichtungsscheibe 16b abge­ dichtet und an einer Stelle durch eine Klammer 16c gehalten ist. Der Fermentierungsbehälter 14 ist mit einer Heizung 17a und einer Heizungssteuerleitung 17b versehen, die dazu dienen, die Temperatur des Inhalts des Fermentierungs- und Gewebe­ kultivierungsbehälters 14 zu erhöhen. Der Fermentierungsbehälter 14 weist gleichfalls einen Kühlfinger 22a und eine Kühlverbindungsleitung 22b auf, die es ermöglichen, die Tem­ peratur des Inhalts des Fermentierungs- und Gewebekultivie­ rungsbehälters 14 herabzusetzen. Ein Thermometer 18a ist in einem zylindrischen Rohr 18b angeordnet, das im Behälter an­ gebracht ist, um die Temperatur des Inhalts des Fermentie­ rungs- und Gewebekultivierungsbehälters anzuzeigen. Der Fer­ mentierungs- und Gewebekultivierungsbehälter 14 enthält gleichfalls eine Probenahmeeinrichtung 20, die dazu benutzt werden kann, einen Teil des Inhalts des Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehälters zu entnehmen, ohne die Arbeit der Fermentierungsvorrichtung 10 zu stören.

Der Fermentierungsbehälter 14 weist gleichfalls eine Sonde 24a für den gelösten Sauerstoff auf, die mit einem Ausgabekabel 24b versehen ist, um den prozentualen Gehalt an Sauerstoff im Me­ dium des Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehälters zu messen.

Die verschiedenen dargestellten Sensoren und Steuereinrich­ tungen sind Beispiele für viele Arten derartiger Einrichtun­ gen, die im Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehälter vorgesehen sein können. Es können gegebenenfalls Einrichtun­ gen zum Verhindern einer Schaumbildung, zur Zugabe von Me­ dium und zum Erfüllen anderer Funktionen vorgesehen sein.

Am Deckel 16a ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rührvorrichtung 30 gehalten. Die Rührvorrichtung weist eine zylindrische Hohlkörpereinrichtung 31 mit einem ersten offenen Ende 31a und einem zweiten geschlossenen Ende 31b auf. Die Hohlkörpereinrichtung ist mit Röhren 33 versehen, die seitlich von der Hohlkörpereinrichtung nahe am zweiten Ende 31b der Einrichtung 31 vorstehen. Die Röhren 33 sind hohl und haben ein erstes, eine Austrittsöffnung 33a begrenzendes Ende und ein zweites Ende 33b. Das zweite Ende 33b jeder Röhre 33 ist an einer Öffnung 27 in der zylindrischen Wand der Hohlkörpereinrichtung mit dieser verbunden, so daß die Strömung durch das offene Ende 31a der Hohlkörpereinrichtung durch die Öffnungen 27 austritt und sich durch die Röhren und die äußeren Austrittsöffnungen 33a fortsetzt. Die Austrittsöffnung 33a jeder Röhre 33 ist so ausgebildet, daß sie im wesentlichen in eine Richtung gewandt ist, die der Drehrichtung der Rührvorrichtung 30 entgegengesetzt ist, wie es durch einen Pfeil A in Fig. 2 und Fig. 3 angegeben ist. Wenn während des Betriebes die Rührvorrichtung 30 um ihre Längsachse in Richtung des Pfeiles A gedreht wird, so daß die geschlossene Fläche 33c jeder Röhre 33 die Bewe­ gung der Röhre anführt, wird eine Saugkraft oder ein Zug in der Hohlkörpereinrichtung 31 und in der Röhre 33 er­ zeugt. Diese bewirkt eine Bewegung des Fluidmaterials 50 im Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehälter 14, so daß sich diese in die Öffnung 31a der Hohlkörpereinrichtung 31 in Richtung der Pfeile B in Fig. 2 und aus den Öffnungen 33a der Röhren 33 in die Richtung der Pfeile C in Fig. 2 und Fig. 3 bewegt. Wenn der Pegel des Fluides im Fermentie­ rungs- und Gewebekultivierungsbehälter über den Röhren liegt, wird eine Zirkulation erzeugt, durch die Material vom Boden des Fermentierungs- und Gewebekultivierungsbehäl­ ters genommen und im Fermentierungs- und Gewebekultivierungs­ behälter nach oben gebracht wird. Das ermöglicht eine Bewe­ gung und Belüftung der Mikroträgerzellenstrukturen, die im Fluid suspendiert sind, während gleichzeitig ein Ablösen der Zellen von den Mikroträgern so gering wie möglich gehalten wird.

Die Rührvorrichtung 30 ist an einer Welle 35 mittels einer Stellschraube 36 angebracht, wobei die Welle 35 ihrerseits drehbar in einer Lagereinrichtung 34 gelagert ist, die Lager 37 enthält, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Eine angetrie­ bene Ringmagneteinrichtung 32 ist nahe am ersten Ende 31a der Hohlkörpereinrichtung 31 über Stäbe 38 befestigt. Die angetriebene Magneteinrichtung 32 enthält einen Ringperma­ nentmagneten 32a, der von einem Schutzmantel 32b umgeben und gehalten ist, an dem die Stäbe 38 befestigt sind. Wenn sich der Magnet 28a des Magnetantriebsmotors 28 dreht, dreht sich auch die angetriebene Magneteinrichtung 32, wodurch die Rührvorrichtung 30 und die Welle 35 um die durch die Welle bestimmte Achse gedreht werden. Ein herkömmlicher Magnetan­ triebsmotor mit einem Antriebsmagneten 28a ist unter der Fläche 13 des Steuerteils 12 zum Behälter 14 ausgerichtet an­ gebracht. Wenn dieses Antriebsverfahren verwandt wird, ist keine direkte körperliche Verbindung zwischen dem Antriebs­ motor und der Rührvorrichtung erforderlich. Die angetriebene Magneteinrichtung unterstützt weiterhin die Ausbreitung des Strömungsweges am Boden des Behälters 14 zum Außenumfang des Bodens, um eine Ansammlung von Mikroträgern am Außenumfang des Bodens zu vermeiden.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Lagerung für die Rührvorrichtung durch eine Di­ rekt-Antriebsmotoreinrichtung 39 ersetzt ist, so daß die Rührvorrichtung 30 ohne Magneten direkt angetrieben wird. Eine seitlich verlaufende Platte 40 ist neben dem ersten of­ fenen Ende der Hohlkörpereinrichtung 31 angebracht, um die von der Rührvorrichtung 30 am Bodenbereich des Behälters 14 gebildeten Ströme zu verteilen, wie es durch Pfeile D darge­ stellt ist. Wenn die Fermentierungsvorrichtung als Mikroträ­ gerkulturenbehälter benutzt wird, ist die Form des Behälters gewöhnlich so gewählt, daß eine Ablagerung von Mikroträgern an irgendeinem Teil des Kulturenbehälters vermieden wird. Die Form des Behälters ist nämlich mit leichtabgerundetem Boden ausgebildet. Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbei­ spiel erlaubt die Verwendung eines Behälters mit im wesent­ lichen ebenen Boden.

Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, verwendet die er­ findungsgemäße Rührvorrichtung eine Vielzahl von Röhren Wie es dargestellt ist, sind drei Röhren an der Hohlkör­ pereinrichtung befestigt. Es versteht sich jedoch, daß eine größere oder geringere Anzahl von Röhren vorgesehen sein kann, so lange wenigstens eine Röhre vorgesehen ist. Die Anzahl der Röhren und der allgemeine Aufbau wird die Ge­ schwindigkeit und die Stärke der Saugkraft oder des Zuges be­ stimmen. Das wird gleichfalls durch die Geschwindigkeit be­ einflußt, mit der die Rührvorrichtung gedreht wird.

Obwohl die Rührvorrichtung im obigen zum Betrieb bei einer Labortisch-Fermentierungsvorrichtung dargestellt wurde, kann ihre Größe auch so bemessen sein, daß sie auch bei kommerziel­ len Fermentierungen und Gewebekultivierungen arbeiten kann. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Rührvorrichtung besteht da­ rin, daß sie für Anwendungszwecke bei größeren Behältern in größerem Maßstab ausgebildet werden kann. Obwohl sie insbe­ sondere bei einem Mikroträgerzellenwachstum zweckmäßig ist, kann die erfindungsgemäße Rührvorrichtung für alle Rühr- und Fermentierungs- und Gewebekultivierungszwecke angewandt wer­ den. Obwohl die Rührvorrichtung 30 in der Zeichnung oben ange­ bracht dargestellt ist, kann sie auch am Boden an einer Motor­ welle angebracht sein, die im Boden des Behälters gelagert ist.

Obwohl eine spezielle Röhrenform dargestellt ist, können auch andere Formen verwandt werden, so lange die Austrittsöffnung im wesentlichen in eine Richtung gewandt ist, die der Richtung der Drehung der Rührvorrichtung entgegengesetzt ist. Selbst eine schaufel- oder löffelförmige Röhre mit einer kleinen Wand oder ohne Wand auf der Seite, die der Richtung der Dre­ hung der Rührvorrichtung entgegengesetzt ist, kann bei be­ stimmten Ausführungsbeispielen funktionieren. Die Hohlkörper­ einrichtung 31 kann konusförmig mit einem größeren ersten offenen Ende 41 sein, wie es durch die Hohlkörpereinrich­ tung 42 in Fig. 5 dargestellt ist.

Claims (8)

1. Rührvorrichtung für einen Fermentierungs- und Gewebe­ kultivierungsbehälter mit einer drehbar angebrachten, zylindrischen Hohlkörpereinrichtung (31) mit einem unteren offenen Ende (31a) und einem oberen geschlos­ senen Ende (31b), die wenigstens eine Öffnung auf­ weist, die im Abstand vom offenen Ende (31a) vorgese­ hen ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Röhreneinrichtung (33), die an der Öffnung an der Hohlkörpereinrichtung (31) angebracht ist, wobei die Röhreneinrichtung (33) wenigstens eine Eintrittsöffnung (33b) und eine Austrittsöffnung (33a) aufweist, die zur Öffnung des Hohlkörpers ausgerichtet so angeordnet ist, daß dann, wenn der Hohlkörper (31) gedreht wird, eine Saugkraft an der Austrittsöffnung (33a) der Röhreneinrichtung (33) erzeugt wird, die so wirkt, daß sie Fluid in den Hohlkörper (31) an seinem offenen Ende (31a) und durch die Röhreneinrichtung (33) zur Austrittsöffnung (33a) zieht.

2. Rührvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlkörpereinrichtung (31) eine Seiten­ wand und eine Abschlußwand aufweist, wobei wenig­ stens eine Öffnung in der Seitenwand ausgebildet ist und die Hohlkörpereinrichtung (31) um die durch das erste offene Ende (31a) gehende Achse der Seitenwand drehbar ist.

3. Rührvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens eine Röhreneinrichtung (33) seitlich von der Seitenwand vorsteht, wobei die Aus­ trittsöffnung (33a) in eine Richtung gewandt ist, die der Drehrichtung der Hohlkörpereinrichtung (31) entge­ gengesetzt ist.

4. Rührvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens eine Röhreneinrichtung (33) und die zugehörige Öffnung an der Hohlkörpereinrich­ tung (31) an einem Bereich neben der Abschlußwand angeordnet sind, die das obere geschlossene Ende (31b) begrenzt.

5. Rührvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Röhreneinrichtungen (33), von denen jede von der Hohlkörpereinrichtung (31) an einer daran vorgesehenen Öffnung vorstehend gestaltet ist.

6. Rührvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Seitenwand (42) der Hohlkörpereinrichtung teilweise konisch ausgebildet ist, wobei das untere offene Ende (41) einen größeren Durchmesser als das obere geschlossene Ende hat.

7. Rührvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hohlkörpereinrichtung eine Seitenwand aufweist, die das untere offene Ende (31a) so be­ grenzt, daß das untere offene Ende (31a) im Abstand dem Boden des Behälters (40) zugewandt ist, wobei eine magnetisch angetriebene Einrichtung (32) einen Perma­ nentmagneten (32a) enthält, der so bemessen ist, daß er die Seitenwand im Abstand dazu an einem Bereich neben dem unteren offenen Ende (31a) umgibt.

8. Rührvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Platteneinrichtung (40), die sich seitlich von der Seitenwand nahe am unteren offenen Ende (31a) erstreckt, wobei das untere offene Ende (31a) im Abstand dem Boden des Behälters (14) zugewandt ange­ ordnet ist, wobei die Platteneinrichtung (40) so bemessen ist, daß ihr Außenumfang im Abstand zur Seitenwand des Behälters (14) so verläuft, daß die Saugkraft eine Fluidströmung an der Seitenwand entlang über die Strömungsplatte (40) hinaus und am Boden des Behälters (14) zum unteren offenen Ende der Hohlkör­ pereinrichtung (31) hin bewirkt.