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Beschreibung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen sterilisierbaren Fermenter für
die Anzucht von Mikroorganismen oder von Zell-bzw. Gewebekulturen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige Fermenter werden üblicherweise aus Edelstahl hergestellt.
Die Festigkeit des Behälters hat sich dabei nach den Sterilisationsbedingungen (Sattdampf
Wasser 121"C, 1,2 bar Überdruck, 0,5 h) zu richten. Aus Sicherheitsgründen empfiehlt
die DECHEMA-Betreibernorm (Arbeitsmethoden für die Biotechnologie", November 1982)
eine Auslegungstemperatur von 143"C und einen Auslegungsdruck von 4 bar. Die Innenflächen
sind möglichst reinigungsfreundlich auszubilden und auf Korn 240 zu bearbeiten.
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Für Laborzwecke werden auch sogenannte "Glasfermenter" (übliche Reaktorgrößen
2 bis 200 1) eingesetzt. Ein derartiger Fermenter besteht aus einem serienmäßig
erhältlichen Glasrohr (Fa. Schott, Quickfit) mit einem Boden und einem Deckel aus
Edelstahl. Alle Antriebselemente, Meßinstrumente sowie Zu- und Abführleitungen werden
durch diese Stahlteile geführt. Verglichen mit Ganzstahlfermentern haben Glasfermenter
den Vorteil der visuellen Beobachtungsmöglichkeit.
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Darüberhinaus können Glasfermenter auch für die Anzucht photosynthetischer
Kulturen eingesetzt werden, da der Reaktorinhalt von außen leicht zu beleuchten
ist. Nachteilig ist ein hohes Sicherheitsrisiko bei der "in situ"-Sterilisation.
(Unter "in situ"-Sterilisation versteht man eine Sterilisation des gefüllten Fermenters
ohne Autoklaven.) Ein bei 121"C mit Innendruck belasteter Glasbehälter kann bereits
bei geringfügigen Verletzungen des Glasmantels bersten. Die heute angebotenen Berstschutzmäntel,
die für die Sterilisation verwendet werden, bieten aber keinen
ausreichenden
Schutz gegen freiwerdende Glassplitter sowie den Heißdampf (vgl. ACHEMA-Bericht
"Biotechnologie", Chem.-Ing.Techn. 54 (1982) Nr. 12, S. 1132-1138, insb. S.
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1135).
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Es wäre jedoch wünschenswert, über einen klar durchsichtigen Fermenter
verfügen zu können, der die Verwendung genormter Meßsonden und anderer Einbauten,
wie Rührorgane etc. zuläßt, und der bei Bedarf "in situ" sterilisierbar ist.
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Darüberhinaus sollten der Fermenter leicht zu reinigen, und die volumenbezogenen
Kosten möglichst gering sein.
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Es sind zwar bereits Behälter für biologische Reaktionen etc vorgeschlagen
worden, bei denen als Behältermaterial durchsichtige Folien verwendet werden, diese
"Behälter" sind jedoch keine Fermenter im eigentlichen Sinne, da sie weder den Einbau
der im Bereich der Fermentationstechnik üblichen Meßsonden und anderer Funktionselemente
zulassen, noch bei Bedarf "in situ" sterilisierbar sind: Beispielsweise ist ein
Behälter bekannt (vgl. "Algae Biomass", G. Sheleff and C.J. Soeder, Editors, 1980
Elsevier, North-Holland Biomedical Press, S. 307-313, insb. S. 308), der - wie Fig.1
zeigt - aus einem Folienschlauch (Polyethylen) mit einem Durchmeser von 30 cm und
einer Länge von 1 bzw. 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 Verschlußklemme über ein Seil an der Raumdecke aufgehängt. Im jeweils oberen
bzw. unteren Bereich des Kulturbehälters kann über einen eingeklebten Polyethylenschlauch
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"
sterilisierbar ist, da die Folie den dabei auftretenden Innendruck nicht aufnehmen
kann. Die Anordnung kann deshalb nur für die Anzucht von mit rein 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. Wie bereits ausgeführt,
besteht bei diesem bekannten Behälter keine Möglichkeit, die bei üblichen Fermentern
vorgesehenen Einbauten, z.B. eine pH-Sonde, Rührorgane etc. unterzubringen.
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Ferner ist aus der US-PS 40 27 427 ein Verfahren und eine Vorrichtung
für die Produktion von Mikroorganismen bekannt.
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Bei der Vorrichtung handelt es sich um einen Plastiksack, dessen einzige
Öffnung durch eine gasdurchlässige, kreisförmige Filterscheibe verschlossen ist.
Die Verbindung des auswechselbaren Filters mit der Plastikfolie wird durch eine
kragenförmige Verschraubung bewerkstelligt. Diese Vorrichtung ist für die Produktion
kleiner Mengen von Mikroorganismen vorgesehen. Die Installation der bei Fermentern
üblichen Einbauten wie Meßsonden, Zu- und Abführleitungen sowie einer Gasverteileinrichtung
ist nicht vorstellbar. Die Vorrichtung kann im übrigen ebenfalls nicht "in-situ"
sterilisiert werden.
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Weiterhin ist durch die GB-PS 85 56 44 ein tonnenförmiger Behälter
bekannt, der 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.
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Letztlich ist aus der CH-PS 527 105 ein stapelbarer Kunststoffbehälter
mit einer Plastiksackeinlage bekannt, die einen verschließbaren Stutzen besitzt.
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Ferner ist aus der älteren nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
P 33 28 712.0 ein Folienschlauch-Fermenter bekannt. Dieser bekannte Folienschlauch-Fermenter
hat jedoch den Nachteil, daß die Art und Weise, wie der Folienschlauch an den Stirnplatten
befestigt ist, nur mit Schwierigkeiten den Einbau beispielsweise weiterer Folienschläuche
in den Reaktionsraum zuläßt, mittels derer weitere Räume abgeteilt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Folienschlauch-Fermenter
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der älteren deutschen Patentanmeldung
P 33 28 712.0 bekannt ist, im Hinblick auf eine einfache Gestaltung der Befestigung
des Folienschlauchs weiterzubilden, die gegebenenfalls den Einbau weiterer Folienschläuche
gestattet.
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Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen
in den Patentansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 2 einen erfindungsgemäßen
Folienfermenter im Schnitt, Fig. 3 den Stützmantel für den Fermenter gemäß Fig.2
Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Stirnplatte, Fig. 5 ein Ausführungsbeipiel
eines Fermenters, in dem mit einem weiteren Folienschlauch ein Bereich abgeteilt
ist, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für einen Fermenter, in dem eine Reihe von Reaktionsräumen
abgeteilt sind, und Fig. 7 eine Kombination eines erfindungsgemäßen Folien-Fermenters
mit einem Stahlgefäß.
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Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen zylinderförmigen Fermenter. Den
Zylindermantel bildet ein Folienschlauch 1, der mit Hilfe elastischer Gummiringe
bzw. O-Ringe 2 mit Stirnplatten 3 und 4 fest verbunden ist.
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Der Folienschlauch kann aus einem Polyamid-Material und die O-Ringe
aus Viton bestehen, während die Stirnplatten bei den folgenden Ausführungsbeispielen
ein Stahl-Boden 4 bzw. ein Stahl-Deckel 3 sein können.
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In der oberen Platte 3 können Meßsonden, wie pH-Sonden, Redox-Sonden,
p02-Sonden, Turbidostatsonden 5, die Animpfstutzen, pH-Regulationsstutzen, Abluftkühler,
eine Zufuhreinrichtung 6 für die Begasung und eventuell ein Überdruckventil untergebracht
sein. Die untere Stirnplatte, d.h. der Boden 4 kann eine Kühleinrichtung 7, eine
Heizeinrichtung 8, Temperaturmeßfühler, ein Ablaßventil und, wenn notwendig, ein
Probeentnahmeventil enthalten. Zu den Einbauten, die in einer der Stirnplatten vorgesehen
werden können, zählen
beispielsweise auch Gasverteileinrichtungen,
Einsteckrohre Stromstörer und ein Rührwerk 9.
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Der erfindungsgemäße Fermenter kann beispielsweise mit der oberen
Stirnplatte an der Raumdecke aufgehängt werden. Ferner kann der erfindungsgemäße
Fermenter mit der oberen und der unteren Stirnplatte in einem Gestell etc. eingespannt
werden. Bei dieser Aufhängung kann an einer Stirnplatte, vorzugsweise an der oberen
Stirnplatte eine Verschiebemöglichkeit vorgesehen werden, die als Spannvorrichtung
für den Folienschlauch dient.
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Der auf diese Weise gebildete Folienschlauch-Fermenter stellt ein
exakt zylinderförmiges Gebilde dar, das bei der Sterilisation mit Hilfe eines Stützmantels
6 (Fig. 3) gestützt wird.
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Vorteilhafterweise wird, wie bereits ausgeführt, als Folien-Schlauch
eine durchsichtige (in Sonderfällen auch eine undurchsichtige) Polyamidfolie mit
einer Schmelztemperatur zwischen 170 und 220"C verwendet. Die Foliendicke kann beispielsweise
nach der folgenden Auslegungsgleichung bestimmt werden, die für den (hinsichtlich
der Auslegung ungünstigeren) Fall berechnet worden ist, daß der Fermenter mit der
oberen Stirnplatte aufgehängt ist, daß also keine Abstützung der unteren Stirnplatte
existiert, die Kräfte aufnehmen kann: S = 0.43 * H * D * s * g * F Hierbei bedeuten:
S: Wandstärke des Folienschlauchs H: Höhe des Fermenters D: Durchmesser des Fermenters
Dichte des Fermenterinhalts,
g: Erdbeschleunigung dv Zerreißspannung
der Folie F: Sicherheitsfaktor Mit dieser Auslegungsgleichung erhält man beispielsweise
für einen Fermenter mit einer Höhe von 2m, einem Durchmesser von 200 mm, einem Inhalt
mit einer Dichte von 1000 kg/m3 und einem Sicherheitsfaktor von 5 eine Wandstärke
von ca.
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0.2 mm, also eine handelsübliche Foliendicke! Die Instrumentierung
kann wie bei Glasfermentern durchgeführt werden. Der Fermenter kann beispielsweise
auch als Blasensäule oder als Schlaufenreaktor betrieben werden.
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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 Hochheizen des Fermenterinhaltes
auf 121"C in einem 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.
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Es ist hierbei nützlich, wenn im unteren Deckel (Boden) des Fermenters
eine Kühlmöglichkeit vorgesehen ist. Steht kein Temperaturregler zur Verfügung,
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).
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Folienfermenter können auch als Laborreaktoren eingesetzt werden,
da sie ähnlich wie Glasreaktoren den Vorteil einer durchsichtigen Außenwand haben.
Besonders günstig ist jedoch wegen der geringen volumenbezogenen Fermenterkosten
der Einsatz in der technischen Produktion.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Stirnplatte 3 bzw. 4.
Die Stirnplatte besteht aus einem Deckel 11 und einem Haltering 12. Der Haltering
12 weist an seiner Innenseite einen Vorsprung 13 auf, der in eine komplementäre
Ausnehmung 14 des Deckels 11 eingreift. An der inneren Mantelfläche des Halterings
12 ist eine ringförmige Nut 15 vorgesehen, in der der O-Ring 2 eingesetzt ist. Um
den Haltering 12 ohne Beschädigung des O-Rings 2 auf den Deckel 11 aufsetzen zu
können, weist dieser an seiner Oberseite eine Abschrägung 16 auf, die bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ca. 12% beträgt.
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Mit der in Fig. 4 dargestellten Stirnplatte 3 bzw. 4 wird der erfindungsgemäße
Fermenter wie folgt montiert: Zunächst wird der Folienschlauch 1 auf den Deckel
11 aufgezogen und genau positioniert. Der Folienschlauch wird hierbei um ca. 4%
gegenüber dem Nenndurchmesser des unbelasteten Schlauchs überdehnt. Dabei wird die
Folie an einer am Fermenterdeckel 11 vorgesehenen Schnittkante 17 abgeschnitten.
Anschließend wird der Haltering 12 mitsamt dem O-Ring 2 über den Deckel 11 geschoben.
Aufgrund der aufgebrachten Vorspannung verschiebt sich die Folie bei der Montage
nicht.
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Der Haltering 12 wird am Deckel 11 mit vier Schrauben, von denen in
Fig. 4 nur die Achse 18 einer Schraube schematisch dargestellt ist, befestigt.
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Die Nut 15, die den O-Ring 2 aufnimmt, ist derart ausgeführt, daß
der O-Ring 2 während der Montage derart verformt wird, daß sich der Durchmesser
des Rings mit zunächst kreisförmigem Querschnitt in einer Richtung um ca. 12,5%
verkleinert. Hierdurch wird die Folie 1 an den Deckel 11 angedrückt, wodurch der
Folienschlauch in axialer Richtung gehalten wird.
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Die durch die erfindungsgemäß angegebene Folienhalterung aufgebrachten
Haltekräfte sind unerwartet hoch: Bei einem Polyamid-Folienschlauch mit einem Durchmesser
von 100 mm und einer Wandstärke von 0,02 mm, der in eine Halterung gemäß Fig. 4
aus Aluminium mit einem O-Ring aus Perbunan mit einem Querschnittsdurchmesser von
4 mm derart eingespannt war, daß ein Abschnitt von 9 mm Länge des Folienschlauches
innerhalb der Halterung zu liegen kam, lagen die Haltekräfte über der Zugkraft von
50 kp, bei der die Folie etwa 20 cm von der Halterung entfernt abriß.
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Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Fermenters, in dem mit
einem weiteren Folienschlauch ein Bereich abgeteilt ist. Insbesondere mit der Halterung
für den Folienschlauch gemäß Fig. 4 ist es möglich, Reaktionssysteme aufzubauen,
die mehrere - bevorzugt konzentrisch angeordnete - Folienschläuche enthalten. In
Fig. sind zwei konzentrisch angeordnete Folienschläuche 1 und 52 dargestellt. Die
Anordnung besteht aus zwei zentralen kreisrunden Deckeln 53, zwei ringförmigen Deckeln
54, die gleichzeitig am Innendurchmesser als Haltering ausgebildet sind, und zwei
außenliegenden Halteringen 55.
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Eine Vorrichtung der beschriebenen Art kann beispielsweise für die
Anzucht tierischer Zellkulturen Verwendung finden.
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Hierbei kann sich die empfindliche Zellkultur im Raum 56, die mit
Nährmedium und Sauerstoff angereicherte Lösung im Raum 57 befinden. Eine Versorgung
des Raums 56 mit Nährstoffen sowie eine Entsorgung der anfallenden Stoffwechselprodukte
kann über die Folie 51 realisiert werden, wenn diese als semipermeable Membran ausgeführt
wird. Solche durchlässigen Folienschlauchmembrane stehen serienmäßig mit verschiedenen
Schlauchdurchmessern und einer typischen Wandstärke von 0,02 mm zur Verfügung und
werden beispielsweise von der Fa. Enka angeboten. Der entscheidende Vorteil dieser
Anordnung
besteht darin, daß die Begasung, Thermostatisierung und Nährstoffeinleitung im Außenraum
57 bewerkstelligt werden kann. Auf diese Weise wird es möglich, die hochempfindlichen
Zellkulturen von den damit verbundenen mechanischen Belastungen, Temperaturgradienten
sowie den auftretenden Konzentrationsgradienten zu entlasten.
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Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Folienfermenter,
bei dem mehrere bevorzugt semipermeable Folienschläuche nebeneinander angeordnet
werden können.
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Die äußere Begrenzungswand des Reaktionsraums wird wiederum von einer
undurchlässigen Folie 1 gebildet. In dem Reaktionsraum sind mehrere Folienschläuche
52 nebeneinander angeordnet, die Räume beispielsweise für empfindliche Organismen
abteilen. Das Versorgungsmedium befindet sich wieder im Außenraum 57. Stellvertretend
für eine Vielzahl von möglichen Einbauten ist in Fig. 8 ein Rührwerk 9 dargestellt.
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Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen
Fermenter, dessen Aufbau ähnlich dem in Fig.
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8 gezeigten ist. Der äußere Folienschlauch 1 ist jedoch durch einen
Stahltopf 60 mit einem Stahldeckel 61 ersetzt, der gleichzeitig einer stabilen Positionierung
der einzelnen Folienschläuche 52 dient.
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Bei den in den Figuren 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen sind
die einzelnen Folien in den Deckeln gemäß dem in Verbindung mit Fig. 4 gezeigten
Ausführungsbeispiel gehalten.