DE3516080C2

DE3516080C2 -

Info

Publication number: DE3516080C2
Application number: DE3516080A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Samhaber; Werner Allschwil Ch Renn
Original assignee: PROTON AG ZUG CH
Current assignee: PROTON AG ZUG CH
Priority date: 1985-05-04
Filing date: 1985-05-04
Publication date: 1988-07-21
Also published as: FR2581453A1; GB2174677B; JPS61254832A; GB2174677A; DE3516080A1; US4695551A; GB8610775D0; CH669669A5

Description

Die Erfindung betrifft eine Probeentnahmevorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Solche Probeentnahmevorrichtungen sind vor allem für die Be stimmung von gelösten Substanzen wie Nährstoffen, Metaboliten, Produkten und deren Konzentration vorgesehen. Die Messung die ser Parameter - neben den bereits klassischen Parametern wie Temperatur, pH, Sauerstoff, CO₂ usw. - ermöglicht eine verbes serte Führung von biologischen Prozessen. Unterstützt wird diese Prozeßführung heutzutage durch den Einsatz von Mirkopro zessoren. Deren Einsatz ist jedoch nur möglich, wenn alle Me ßungen "on line" erfolgen können, um die für die Prozeßführung notwendigen Meßdaten kontinuierlich und schnell erhalten zu können.

Für den Einsatz von Mikroprozessoren geeignete Meßmethoden sind für bestimmte Parameter bereits entwickelt worden, wie z. B. Enzymelektroden oder Meßsonden mit Siliconmembranen, die jedoch sehr produktspezifisch und teilweise aus Gründen der Sterilisierbarkeit nicht direkt im Bioreaktor einsetzbar sind.

Um dieses Problem zu meistern, wurde neuerdings der Vorschlag einer Probeentnahmevorrichtung der eingangs genannten Art ge macht, bei der die kontinuierliche Probeentnahme mittels eines Mikrofiltrationssystems erfolgen, das mit Reaktorgut durch strömt und an ein Meßsystem angeschlossen ist. Beschrieben ist dieser Vorschlag beispielsweise in

a) A. Dincer et al. (1984), Developments in Industrial Micro biology 25; Seite 603 ff, und
b) Kempe und Schallenberger (1983), Process Biochemistry, De cember; Seite 7 ff.

Ein entscheidender Nachteil der vorgeschlagenen Probeentnahme vorrichtung ist, daß die Probeentnahme in einem externen Loop erfolgt. Dies bedingt die Konstruktion von eigens zu diesem Zweck konzipierten Entnahmesystemen mit Pumpe, Zu- und Rück leitungen und Trenneinrichtungen. Dazu kommt, daß die unbe dingt erforderliche Sterilisation dieser Systeme Probleme mit sich bringt. Außerdem ist die entnommene Probemenge relativ groß.

Aus der EP 7 133-A ist es bekannt, Mikrofilmmembranen in Biore aktoren in situ, jedoch lediglich zur kontinuierlichen Abfüh rung der gewünschten Endprodukte einzusetzen.

Eine aus der DE-PS 26 22 850 bekannte Vorrichtung zur Pro beentnahme von gewichtsmäßig kleinem Körpergewebe sieht es zum Ausschluß einer durch das Entnahmeverfahren sowie beim Proben transport zum Untersuchungsort bedingten Kontamination der Probe mit Mikroorganismen vor, das stempelförmige Gewebeent nahmeinstrument dicht verschließbar in einem Transportröhrchen anzuordnen.

Aus der DE-OS 27 23 240 ist eine Vorrichtung zur Entnahme von Untersuchungsmaterialproben aus Zellkulturen bekannt, die eine schlauchförmige Anschlußsonde umfaßt, über die eine Material probe ansaugbar ist. Zu diesem Zweck ist die Schlauchsonde an einen von zwei Anschlüssen im Verschlußstopfen eines Probeauf nahmeröhrchens angeschlossen, während der andere Anschluß mit einer Saugeinrichtung verbunden ist. Die derart angesaugte Ma terialprobe sammelt sich im Bodenbereich des Aufnahmeröhrchens an, ohne daß das mit der Probeentnahme befaßte Personal in Kontakt mit der Probe gelangt, was vor allem bei infektiösen Proben wichtig ist.

Eine weitere aus der DE-OS 28 53 956 bekannte Probeentnahme vorrichtung dient zur Probeentnahme von Partikeln auf (Haut-) Oberflächen und ist für den ambulanten Einsatz vor Ort in Form einer Pistole ausgelegt, über deren Mündung zerstäubte Spül flüssigkeit auf die zu untersuchende Hautfläche aufgesprüht und die abgespülte, mit Partikeln angereicherte Spülflüssig keit in einen Probeaufnahmebehälter abgeleitet wird, der an den Pistolenkörper angeschlossen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Probeentnahme vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine sterile in situ Messung von gelösten Substanzen im Bioreaktor gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungs gemäßen Probeentnahmevorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mit der erfindungsgemäß über ein abgedichtetes Rohrstück, an das die Probeentnahmeleitung angeschlossen ist, vibrationsan getriebenen Membrane wird eine in situ Messung von gelösten Substanzen im Bioreaktor ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Probeentnahmevorrichtung ist vorteilhaf terweise mit Anschlüssen nach bestehender Anschlußform für Bioreaktoren versehen, wie sie z. B. bei pH-, pO₂-etc. Sonden gelten. Die grundsätzlich bestehende Gefahr, daß sich wegen der relativ kleinen Querschnittsfläche der Sonden, je nach Be schaffenheit des Bioreaktors, Substanzen an der Membrane an setzen, wodurch deren Funktionsfähigkeit vermindert ist, wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene Membranbewegung vermie den, die entweder intermittierend oder kontinuierlich erfolgen kann.

Die Membranbewegung durch den Vibrationsantrieb kann entweder als Drehbewegung um die Membranachse oder als Hin- und Herbe wegung erfolgen, also als vibrierende Bewegung in Umfangsrich tung oder in axialer Richtung des Rohrstücks. Eine axiale Bewe gung wird bevorzugt, da eine zweckmäßige "crossflow"-Strömung an der Membrane durch Hin- und Herbewegen der Membrane mit kleiner Amplitude bei sehr hoher Frequenz mit geringem Aufwand realisiert werden kann. Hierdurch wird der Einfluß des Reak torgutes auf die Probeentnahme bei optimaler Effizienz gering gehalten.

Die mit der erfindungsgemäßen Probeentnahmevorrichtung erziel ten Vorteil sind demnach:

a) Einsatz in bestehenden Bioreaktoren an Normstutzen;
b) große Effizienz bei geringfügigem Einfluß des Bioreaktorgu tes;
c) kontinuierliche und sehr schnelle Erfaßbarkeit von momen tanen Substanzwerten im Bioreaktor;
d) Entnahme der jeweils erforderlichen Probemengen, die durch das geringe Totvolumen der Sonden sehr genaue Meßwerte er lauben und
e) in situ Sterilisation.

Für die Membrane können Materialien ausgewählt werden, die nur für die zu messenden gewünschten Substrate durchlässig sind. Es können konventionelle Membranen wie z. B. symme trische oder asymmetrische, polare oder unpolare, hydrophile oder hydrophobe Membranen verwendet werden, die je nach Be schaffenheit der zu messenden gelösten Substanzen ausgewählt werden können, wobei diese vor allem für die gezüchteten Mikroorganismen, Zellen usw. undurchlässig sein müssen. Für Proteine wäre z. B. eine Porengröße von ca. 0,01 bis 0,1 µm vorteilhaft.

Die Probeentnahmevorrichtung kann sowohl zur Entnahme von Einzelproben dienen wie zur fortlaufenden Entnahme. Insbe sondere in letzterem Falle werden die entnommenen Proben vor zugsweise zu einem geeigneten on line Meßsystem geführt, das nach bekannten Prinzipien gewählt wird. Einzelkomponenten sind z. B. solche, wie in der Literaturstelle a) beschrieben und können z. B. an einem Mikroprozessor-Steuergerät ange schlossen werden.

Die Bewegung der Membrane kann durch eine geeignete Vorrich tung für drehende oder hin- und hergehende Bewegung bewirkt werden. So kann z. B. im letzteren Fall mit einer Bewegung von z. B. lediglich 0,1 mm Amplitude eine "cross-flow" Strö mung an der Membrane von ca. 4 m/s durch Einsatz eines Ultra schallvibrators bei einer Frequenz von ca. 20 kHz erreicht werden.

Ein typisches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung nachfolgend näher beschrieben.

Dabei zeigt die Figur einen Schnitt durch eine an einem Bioreaktor montierte Probeentnahmevorrichtung.

Die Probeentnahmevorrichtung 2 enthält ein Sondengehäuse 4, welches am Anschlußstutzen 6 eines Bioreaktors 8 lösbar be festigt, beispielsweise angeschraubt ist. Die Probeentnahme vorrichtung 2 enthält eine Sonde 10, die im Sondengehäuse 4 in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist. Die Sonde 10 weist eine Kopf aus einer semipermeablen Membrane 12 auf, die an einem Rohrstück 14 befestigt ist, welches im Sondenge häuse 4 beweglich gelagert ist. Die Membrane 12 ist an einem Halter 16 des Rohrstückes 14 befestigt, wobei der Halter 16 zur Abdichtung über einen Balg 18 mit dem Sondengehäuse 4 verbunden ist. Das im Sondengehäuse 4 geführte Rohrstück 14 ist über Dichtungsringe 20 weiter abgedichtet. Im Sondenge häuse 4 ist eine das Rohrstück 14 umgebende Ringkammer 22 vorhanden, die mit Leitungsanschlüssen 24 in Verbindung steht, um eine Sterilitätsbarriere beispielsweise mittels Durchströmung von Dampf, zu bilden.

Das der Membrane 12 abgewandte Ende des Rohrstückes 14 der Sonde 10 trägt ein weiteres Gehäuse 26, mit dem das Rohrstück 14 mit einem Vibrator 28 verbunden ist, welcher der Sonde eine axiale Schwingbewegung 30 verleiht.

An dem Rohrstück 14 ist innerhalb des Gehäuses 26 eine Lei tung 32 angeschlossen, die über ein Kupplungsstück 34 mit einer flexiblen Leitung 36 verbunden ist, die zu einem Meß system 38 führt. An das Meßsystem 38 ist ein Mikroprozessor 40 angeschlossen, der die gemessenen Daten des Meßsystems 38 verarbeitet und damit den Prozeß des Bioreaktors 8 in nicht näher dargestellter Weise steuert. Anstelle der Leitung 36 kann an dem Kupplungsstück 34 ein Hahn zur Entnahme von Einzelproben angeschlossen sein.

Die dem Inneren des Bioreaktors 8 ausgesetzten Teile der Probeentnahmevorrichtung 2 bestehen aus solchen Materialien, die den in einem Bioreaktor üblichen Sterilisationsmaßnahmen standhalten.

Während des Betriebes wird das Gehäuse 26 durch den Vibrator 28 in Schwingung gehalten, wodurch sich diese Schwingungen über das Rohrstück 14 in die Membrane 12 der Sonde 10 fort setzen. Dadurch wird ein Ansetzen, beispielsweise von Zellen, an der Membrane weitgehend verhindert. Das Kulturfiltrat dringt durch die Membrane 12 und wird über das Rohrstück 14, die Leitung 32 und die Leitung 36 in das Meßsystem 38 ge führt und dort ausgewertet. Dichtungsringe 20 verhindern das Eindringen des Reaktorgutes in die Probeentnahmevorrichtung bzw. bewahren umgekehrt die innere Sterilität des Bioreaktors 8.

Bezugszeichenliste 2 Probeentnahmevorrichtung
4 Sondengehäuse
6 Anschlußstutzen
8 Bioreaktor
10 Sonde
12 Membrane
14 Rohrstück
16 Halter
18 Balg
20 Dichtungsring
22 Ringkammer
24 Leitungsanschluß
26 Gehäuse
28 Vibrator
30 Schwingbewegung
32 Leitung
34 Kupplungsstück
36 Leitung
38 Meßsystem
40 Mikroprozessor

Claims

1. Probeentnahmevorrichtung, mit einer mit einem Bioreaktor verbindbaren semipermeablen Membrane, welche mit einer Lei tung für die Probeentnahme verbunden ist, gekennzeichnet durch ein in einem Sondengehäuse (4) verschiebbar gelager tes und mittels Dichtungen (20) abgedichtetes Rohrstück (14), das an einem Ende die Membrane (12) und am anderen Ende einen Anschluß für die Leitung (32) sowie ein Kop plungsgehäuse (26) trägt, an dem ein Vibrator (28) zur Vi bration des Rohrstücks (14) und der Membrane (12) ange schlossen ist.

2. Probeentnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schwingungen des Vibrators (28) in Längsrichtung (30) der Sonde (10) erfolgen.

3. Probeentnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sondengehäuse (4) zur lösbaren Befe stigung an einem Anschlußstutzen (6) des Bioreaktors (8) ausgebildet ist.

4. Probeentnahmevorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sondengehäuse (4) einen für Meßsonden genormten Anschlußstutzen aufweist.

5. Probeentnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß sie an ein Meß- und/oder Regelgerät an schließbar ist.

6. Probeentnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Membrane (12) mittels eines Halters (16) am Rohrstück (14) befestigt ist, wobei der Halter (16) zur Abdichtung über einen Balg (18) mit dem Sonden gehäuse (4) verbunden ist.