DE3720049A1 - Bioreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 und richtet sich ins­ besondere auf die Möglichkeit der Dampfsterilisation des Innenraums des Reaktorgefäßes und der unter den Flüssigkeitsspiegel des Gefäßes ragenden Rohre.

Bioreaktoren dienen der Züchtung und dem Wachstum bio­ logischer Substanzen, z.B. von Zellen und Enzymen, und ihr Betrieb erfordert absolute Kontaminationsfreiheit. Bioreaktoren werden aus dampfsterilisierbaren Materia­ lien, z.B. Edelstahl, hergestellt. Zur Beseitigung un­ erwünschter Keime wird eine Sterilisation mit Dampf durchgeführt, der mit einer Temperatur von 121°C im Gefäß gebildet wird oder unter Druck in das Gefäß ein­ geführt wird. Der Dampf muß nicht nur den Innenraum des Gefäßes sterilisieren, sondern auch das Innere der im Gefäß befindlichen Rohrleitungen, insbesondere der Tauchrohre. Die Sterilisierung eines leeren Bioreaktors ist verhältnismäßig einfach, Schwierigkeiten treten jedoch auf, wenn sich im Bioreaktor eine Flüssigkeit, z.B. Nährflüssigkeit, befindet, weil dann durch den Dampfdruck die Flüssigkeit durch die zu sterilisieren­ den Rohre hindurch ausgetrieben wird bzw. bei ge­ schlossenen Rohren der Luftraum innerhalb der Rohre nicht mit Dampf sterilisiert wird.

Es ist bekannt, zur Dampfsterilisierung eines Bio­ reaktors am Gefäß einen separaten Dampfanschluß vor­ zusehen. Nachteilig ist hierbei, daß das Gefäß auf­ wendiger wird, und daß der Dampf in die im Gefäß befindliche Flüssigkeit eingeleitet wird. Das Einleiten von Dampf in die Flüssigkeit ist häufig unerwünscht.

Ferner ist es bekannt, in der Wand des Kopfraumes des Gefäßes eine Membran vorzusehen, die zum Einleiten von Dampf mit einer hohlen Anstechnadel durchstochen wird. Hierbei muß die Anstechnadel zuvor mit einer Flamme sterilisiert werden, wobei dennoch Kontaminationen durch die in das Gefäßinnere eingeführte Nadel nicht ganz auszuschließen sind. Die anzuschließenden Leitun­ gen, Filter und anderen Einrichtungen müssen zuvor separat sterilisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bio­ reaktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Art zu schaffen, der in situ mit Dampf sterilisierbar ist, wobei die in das Gefäß hinein­ führende Leitung mitsterilisiert wird, ohne daß am Reaktorgefäß bauliche oder konstruktive Veränderungen für die Sterilisierung vorgenommen werden müßten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Bei dem erfindungsgemäßen Bioreaktor ist in die in das Gefäßinnere führende Leitung ein Ventil eingesetzt, das bei normalem Reaktorbetrieb diese Leitung auf Durchgang schaltet, d.h. mit dem in die Flüssigkeit eintauchenden Rohr verbindet. Zum Zwecke der Dampfsterilisation kann das Ventil in eine Stellung gebracht werden, in der die in den Reaktor führende Leitung sowohl mit dem Kopfraum des Gefäßes als auch mit dem Innern des Tauchrohrs ver­ bunden ist, so daß im Gefäßraum ein Druckausgleich stattfindet und an allen Stellen der gleiche Druck herrscht. Auf diese Weise wird verhindert, daß Flüssig­ keit aus dem Gefäß ausgetrieben wird. In die zu dem Ventil führende Leitung strömt Dampf aus dem Kopfraum ein, der diese Leitung, das Ventil, das an das Ventil angeschlossene Tauchrohr und den Kopfraum des Gefäßes sterilisiert. Zur Aufnahme des Fermentationsbetriebs braucht das Ventil lediglich in die andere Stellung gebracht werden, in der es nunmehr die in den Reaktor führende Leitung abdichtend mit dem Tauchrohr ver­ bindet, wobei die Verbindung dieser Leitung mit dem Kopfraum des Gefäßes unterbrochen wird. Beim Sterili­ sieren kann der entstehende Dampf in das Ventil sowie in extern angeschlossene Einrichtungen, wie Filter, Rohre u. dgl. gelangen, ohne daß Flüssigkeit aus dem Reaktor ausgetrieben wird. Die Erfindung erfordert keinerlei bauliche Veränderungen an üblichen Bio­ reaktoren. Das Ventil wird lediglich in der zumeist im Gefäßdeckel vorgesehenen Öffnung montiert. Das Reaktor­ gefäß benötigt keinen externen Dampfanschluß; es er­ folgt keine Dampfeinleitung in die im Gefäß befindliche Flüssigkeit. Das an die Leitung angeschlossene Zubehör wird durch die Dampfeinleitung in diese Leitung mit­ sterilisiert und bedarf keiner separaten Sterilisation; da das Ventil in kleiner Baugröße an konstruktiv günstiger Stelle, z.B. am Gefäßdeckel, angebracht werden kann, ergibt sich ein geringer Platzbedarf des Bioreaktors sowie eine Vereinfachung der Rohr- und Leitungsführungen und somit eine Erhöhnung der Über­ sichtlichkeit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Bioreaktors mit den angeschlossenen Leitungen,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch das Ventil entlang der Linie II-II von Fig. 1, in der ersten Ventil­ stellung, also im Zustand "Sterilisation" und

Fig. 3 in gleicher Darstellung wie Fig. 2 die zweite Ventilstellung, die die Arbeitsstellung bildet.

Gemäß Fig. 1 weist der Bioreaktor 10 ein aus Edelstahl bestehendes Gefäß 11 auf, das hermetisch abgedichtet ist. Das Gefäß 11 weist eine Heizvorrichtung 50 auf, die im vorliegenden Fall außen angebracht ist, jedoch auch im Gefäßinneren untergebracht sein könnte. Das Gefäß 11 ist mit einem abdichtend aufgesetzten Deckel 12 verschlossen. Vom Deckel 12 erstrecken sich Rohre 13, 14 als Tauchrohre nach unten. Das Rohr 13 ist ein Begasungsrohr, durch das Gas von unten in die im Gefäß 11 befindliche Flüssigkeit 15, deren Pegel mit 16 be­ zeichnet ist, eingeleitet werden kann. Das Rohr 14 ist ein Zuführungs- bzw. Entnahmerohr zum Zuführen oder Entnehmen von Flüssigkeit. Weitere am Deckel 12 vor­ gesehene Anschlüsse, z.B. ein Druckanschluß, sowie Durchlässe für Meßsonden u. dgl. sind aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassen. Unter dem Gefäßboden befindet sich ein Rührwerksantrieb 17 zum Antreiben eines im unteren Gefäßbereichs angeordneten Rührwerks 18.

Das Rohr 14 ist im Innern des Gefäßes 11 mit dem dampf­ sterilisierbaren Ventil 20 verbunden, das am Deckel 12 befestigt ist und abdichtend durch diesen Deckel hin­ durchführt. An das Ventil 20 ist außerhalb des Deckels eine Leitung 21 angeschlossen, welche mit dem 3/2- Wegeventil 22 verbunden ist. Das 3/2-Wegeventil 22 weist zwei weitere Anschlüsse D und A auf, wobei der Anschluß D über eine druckreduzierende Blende 23 mit einem Ablauf verbunden ist, während der Arbeitsanschluß A zu einer Zuführungs- oder Entnahmeleitung führt.

Gemäß Fig. 1 ist auch das Rohr 13 mit einem Ventil 20 a, das dem Ventil 20 entspricht, verbunden, und dieses Ventil 20 a ist über ein Filter 24 und eine Leitung 21 a mit dem 3/2-Wegeventil 22 a verbunden. Der Anschluß D des 3/2-Wegeventils 22 a ist über eine druckreduzierende Blende 23 a an einen Ablauf angeschlossen, während der Arbeitsanschluß A mit einer Begasungsleitung verbunden ist.

Normalerweise ist für die Sterilisierung des Bio­ reaktors nur ein Ventil 20 oder 20 a an einem der in die Flüssigkeit eintauchenden Rohre 13 oder 14 erforder­ lich, jedoch sind zur Verdeutlichung in Fig. 1 beide Rohre mit einem derartigen Ventil versehen. Tatsächlich kann es zweckmäßig sein, jedes der Rohre 13 und 14 mit einem Ventil 20 a bzw. 20 auszustatten.

Die nachfolgende Beschreibung des Ventils erfolgt an­ hand des Ventils 20. Das Ventil 20 a ist exakt in gleicher Weise ausgebildet.

Das Ventil 20 weist ein langgestrecktes rohrförmiges Ventilgehäuse 25 auf, das von außen in einen Sitz des Deckels 12 eingesetzt ist und sich mit einem Kragen 26 an einer Ringschulter 12 im Deckeldurchgang abstützt. Unterhalb des Kragens 26 ist in einer Ringnut des Ventilgehäuses 25 eine Dichtung 27 angeordnet, die die Abdichtung zwischen Ventilgehäuse 25 und Deckel 12 bewirkt.

Dicht unterhalb des Deckels 12 weist das Ventilgehäuse 25 seitliche Öffnungen 28 auf und unter diesen Öff­ nungen befindet sich ein zylindrischer Sitz 29. Unter­ halb des Sitzes 29 ist der Rohranschluß 30 mit Gewinde angeordnet, an dem der Kopf 31 des Rohres 14 befestigt ist. Der Kopf 31 ist mit einem Dichtring 32 zum Sitz 29 abgedichtet, so daß der von dem Sitz 29 umschlossene Raum abdichtend mit dem Innern des Rohres 14 in Ver­ bindung steht.

Das Ventilgehäuse 25 ist mit einer von außen gegen den Deckel 12 gesetzten Mutter 33 am Deckel 12 befestigt. Diese Mutter umschließt den zylindrischen Körper des Ventilgehäuses 25 und ist mit einem Außengewinde in ein Innengewinde des Deckeldurchgangs eingeschraubt. Dabei drückt die Mutter den Kragen 26 gegen die Ringschulter des Deckels 12.

In einer vertikalen Längsbohrung 34 des Ventilgehäuses 25 ist der Schieber 35 längsverschiebbar angeordnet. Dieser Schieber 35 hat im wesentlichen zylindrische Form. In der Nähe seines unteren Endes befindet sich die erste Dichtung 36 und mit Abstand darüber befindet sich die zweite Dichtung 37. Zwischen beiden Dichtungen 36 und 37 ist eine Ringnut 38 vorgesehen. Das obere Ende 39 des Schiebers 35 hat einen größeren Durchmesser als derjenige Bereich, in dem sich die Dichtungen 36 und 37 befinden. Die Bohrung des Ventilgehäuses 25 ist auf der Länge, in die der dickere Bereich 39 eintaucht, entsprechend vergrößert. Am unteren Ende des dickeren Bereichs 39 befindet sich ein radial abstehender Führungsstift 40, der in eine Längsnut 41 des Ventil­ gehäuses 25 hineinragt, um den Schieber 35 gegen Ver­ drehung relativ zum Ventilgehäuse 25 zu sichern und um den axialen Verschiebebereich des Schiebers 35 zu be­ grenzen.

Durch den Schieber 35 geht eine axiale Bohrung 42 hin­ durch, die sich über die gesamte Länge des Schiebers erstreckt. Am oberen Ende des Schiebers 35 befindet sich ein Anschlußkopf 43 mit Gewinde 44 und Dichtung 45 zum Anschluß eines Rohres oder einer anderen Ein­ richtung, wie z.B. des Filters 24 in Fig. 1.

In der in Fig. 2 dargestellten oberen Stellung des Schiebers 35 befindet sich die erste Dichtung 36 am unteren Ende dieses Schiebers im Bereich einer Er­ weiterung 46 der Bohrung 34, so daß die Ringnut 38 über die Erweiterung 46 und die Öffnungen 28 mit dem Kopf­ raum 47 des Gefäßes 11 in Verbindung steht.

Fig. 2 zeigt den Zustand des Ventils 20 in der Stellung "Sterilisation". In dieser Stellung nimmt der Schieber 35 seine obere Endlage ein. Die zweite Dichtung 37 wirkt in jeder der beiden Stellungen des Schiebers 35 mit der Bohrung 34 zusanmen und bewirkt in jeder Stellung (und in den Zwischenstellungen) die Abdichtung zwischen Schieber 35 und Ventilgehäuse 25. In der Sterilisationsstellung des Ventils 20 ist das 3/2-Wege­ ventil 22 auf die Stellung D geschaltet. Die Heiz­ vorrichung heizt die Flüssigkeit bis zur Dampfbildung auf. Der Dampf gelangt aus dem Kopfraum 47 durch die öffnungen 28 in den Kanal 42 des Schiebers 35. Auf diese Weise werden sämtliche an die Leitung 21 an­ geschlossenen Teile, einschließlich des Wegeventils 22, des Ventils 20 und des Rohres 14 durch den Dampf steri­ lisiert. Sterilisiert wird ferner der unterhalb der zweiten Dichtung 37 befindliche Teil der Bohrung 34 und der unterhalb der Dichtung 37 liegende Bereich des Schiebers 35.

In der Arbeitsstellung, die in Fig. 3 dargestellt ist, ist der Schieber 35 in die untere Position geschoben, in der sein die erste Dichtung 36 enthaltendes Ende in den Sitz 29 unterhalb der Öffnungen 28 passend hinein­ ragt. Der Sitz 29 hat den gleichen Durchmesser wie die Bohrung 34. Der Kanal 42 ist nun mit dem Innern des Rohres 14 verbunden, wobei dieser Durchgang gegen den Kopfraum 47 abgedichtet ist. Die Abdichtung des Kopf­ raums 47 gegen die Umgebung erfolgt auch in dieser Ventilstellung durch die zweite Dichtung 37 des Schiebers 35. In der Arbeitsstellung des Ventils 20 ist das 3/2-Wegeventil 22 auf den Arbeitsanschluß A um­ geschaltet, so daß über diesen Arbeitsanschluß die Zu­ fuhr von Medien in das Innere des Gefäßes oder die Ent­ nahme von Gefäßinhalt möglich ist.

Bei dem Ventil 20 a, das an das Begasungsrohr 13 ange­ schlossen ist, ist an dem Kopf 43 des Schiebers 35 das Filter 24 a befestigt, das mit der Leitung 21 a verbunden ist. Dieses Filter 24 dient gleichzeitig als Griff zum Bewegen des Schiebers 35.

In der Leitung 21 bzw. 21 a kann eine Einrichtung zum Längenausgleich vorgesehen sein, um den Schieber in jeder Stellung abdichtend mit dem 3/2-Wegeventil 22 bzw. 22 a zu verbinden.

Claims (10)

1. Bioreaktor mit

• - einem abgedichtetem Gefäß (11),
• - einer durch eine Außenwand des Gefäßes im Kopfbereich (47) hindurchgehenden Leitung, die mit einem in den unteren Gefäßbereich führenden Rohr (14) verbunden ist,
• - und einem Kondensatanschluß (D) und einem Arbeitsanschluß (A), die außerhalb des Gefäßes (11) vorgesehen und wechselseitig umschaltbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Arbeitsanschluß (A) auch der Kondensatanschluß (D) mit der Leitung (21) ver­ bunden ist und daß die Leitung (21) ein Ventil (20) aufweist, das in einer ersten Ventilstellung (Fig. 2) die Leitung (21) mit dem Kopfraum (47) verbindet und in einer zweiten Ventilstellung (Fig. 3) die Leitung (21) mit dem Rohr (14) ver­ bindet und gegen den Kopfraum (47) abdichtet.

2. Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Ventil (20) ein fest und druck­ dicht am Gefäß (11) befestigtes Ventilgehäuse (25) und einen in dem Ventilgehäuse (25) bewegbaren Schieber (35) aufweist, daß am Ventilgehäuse (25) im Kopfraum (47) eine durch den Schieber (35) ver­ schließbare Öffnung (28) vorgesehen ist, und daß das Ventilgehäuse (25) unterhalb der Öffnung (28) einen Sitz (29) und einen Rohranschluß (30) auf­ weist.

3. Bioreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schieber (35) linear verschieb­ bar ist und einen längslaufenden Kanal (42) auf­ weist.

4. Bioreaktor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine erste Dichtung (36) vorgesehen ist, die in der zweiten Ventilstellung (Fig. 3) mit dem Sitz (29) zusammengreift und den Kanal (42) des Schiebers (35) abdichtend mit dem Rohr­ anschluß (30) verbindet.

5. Bioreaktor nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine in jeder Ventilstellung zwischen dem Ventilgehäuse (25) und dem Schieber (35) wirksame zweite Dichtung (37) vorgesehen ist, und daß in der ersten Ventilstellung die erste Dichtung (36) nicht am Ventilgehäuse (25) angreift.

6. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensatanschluß (D) und der Arbeitsanschluß (A) über ein Wege­ ventil (22) mit der Leitung (21) verbindbar sind.

7. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (21 a) zwischen Kondensatanschluß (D) und Arbeitsanschluß (A) einerseits und dem Ventil (20 a) andererseits ein Filter (24) angeordnet ist.

8. Bioreaktor nach den Ansprüchen 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Filters (24) mit dem Schieber (35) verbunden ist, derart, daß das Filter (24) als Griff zum Bewegen des Schiebers (35) benutzbar ist.

9. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (20) an einem abnehmbaren Deckel (12) des Gefäßes (11) angebracht ist.

10. Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (20) auto­ matisch in Verbindung mit der Sterilisationsab­ laufsteuerung betätigt wird.