DE4021123A1 - Fuer den laborbetrieb bestimmte vorrichtung zur behandlung fluessiger medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine für den Laborbetrieb bestimmte Vorrichtung zur Behandlung flüssiger Medien, insbesondere zur Aufkonzentration tierischer und pflanzlicher Zellen und biologisch aktiver Wirkstoffe unter Verwendung eines Fil­ termoduls, welches nach dem Cross-Flow-Prinzip betreibbar ist und bei dem das zu filtrierende Medium in einem Über­ strömkreis geführt und das Permeat separiert wird.

Derartige Vorrichtungen sind z. B. bekannt durch die DE-OS 30 05 605 unter Verwendung von tangential überströmbaren Filtermodulen nach der DE-OS 27 15 733 und DE-OS 34 41 249 oder unter Verwendung von zirkulierend überströmbaren Fil­ terkerzen nach DE-OS 29 05 897. Die unter Druck erfolgende Förderung der zu behandelnden flüssigen Medien erfolgt dabei durch in das Leitungssystem eingeschaltete Förder­ pumpen unterschiedlicher Bauart, denen jedoch gemeinsam ist, daß das zu fördernde Medium einer relativ hohen Scherbeanspruchung unterliegt. Bei der Verwendung peri­ staltisch arbeitender Schlauchpumpen ist eine kontinuier­ liche Förderleistung und eine Förderung ohne für das Medium schädigende Druckstöße nicht immer gewährleistet. Bei den Pumpen, die unmittelbar mit dem zu behandelnden Medium in Berührung kommen, besteht immer das Risiko der Zellschädi­ gung und der Sekundärkontamination durch mechanisch stark beanspruchte Dichtungselemente.

Gerade im Biotechnologiebereich zur Filtration, insbe­ sondere zur Aufkonzentration tierischer Zellen ist eine besonders schonende Behandlung der Medien erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit ein­ fachen Mitteln eine nach dem Cross-Flow-Prinzip arbeitende Filtervorrichtung für den Laborbetrieb zu schaffen, wel­ che ohne Förderpumpe zum Medientransport auskommt und eine schonende Behandlung empfindlicher Medien ohne Kontamina­ tionsgefahr zuläßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur zwangsweisen Überströmung der Membran zwei Behälter als Druckbehälter für das zu behandelnde Medium vorgesehen und diese abwechselnd zur Erzeugung eines Förderdruckes für das durch das Filtermodul zu fördernde Medium mit einem Gas beaufschlagbar sind und der jeweils nicht beaufschlagte Behälter gleichzeitig entgasbar und die Strömungsumkehr von Flüssigkeit und Gas in beiden Behältern durch Ventilsteue­ rung und Sensorik in einem geschlossenen Leitungsnetz geregelt ist.

Zur Erzeugung einer möglichst kompakten Bauweise und somit eines geringen Mindestarbeitsvolumens sind beide Behälter als Baueinheit mit einer gemeinsamen Trennwand ausgebildet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Behälter ein Füllstandssensor für die Flüssigkeit zugeordnet. In der Gasleitung zu jedem Behälter ist ein Gassterilfilter ange­ ordnet und als Druckmedium findet entweder sterile Druck­ gasluft oder ein Inertgas Verwendung. In der Gasleitung sind Steuerventile, Drosseln und Drucksensoren angeordnet und sowohl die Gasleitungen als auch die Flüssigkeits­ leitungen einschließlich der diese verbindenden Behälter und Filter sind durch Dampfsterilisation in-Line-sterili­ sierbar.

Weitere Vorteile sind darin zu sehen, daß nur sehr geringe Scherbeanspruchungen des zu fördernden Mediums auftreten, der Energieeintrag in das Medium ist sehr gering, keine Pulsationen durch Förderpumpen entstehen, durch den peri­ odischen Wechsel der Überströmungsrichtung wird die Bildung einer membranverblockenden Grenzschicht verhindert und die Möglichkeit besteht, Restmedium aus dem Filtermodul und Leitungssystem durch Gasdruck herauszufördern. Für den Betrieb der Vorrichtung ist die üblicherweise verfügbare Antriebsenergie Druckgas ausreichend.

Diese Vorteile kommen besonders zur Geltung, wenn sehr wertvolle Medien aufbereitet werden und ein extrem ge­ ringes Arbeitsvolumen der Anlage (Schläuche, Pumpenkopf, Leervolumen) erforderlich sind. Mit der erfindungsgemäßen Konzeption ist eine sehr kompakte Anlage gegeben.

Der Erfindungsgedanke ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Schemazeichnung erläutert. Diese zeigt eine pumpenfreie Cross-Flow-Anlage zur Filtration von tierischen Zellkulturen.

Ein 20-l-Druckbehälter 1, 2, 3 (p max = 4,5 bar) ist durch eine Trennwand 3 in 2 mal 10-l-Behälter 1, 2 geteilt. Auf dem Behälter 1, 2, 3 ist ein Filtermodul FM nach dem Stand der Technik installiert, welches zwei Anschlüsse 4, 5 für die Überströmung der einen Seite des Filtermediums und zwei Anschlüsse 6, 7 für die Abführung des Permeats aufweist.

Die beiden Anschlüsse 4, 5 für die Förderung des zu be­ handelnden Mediums enden in Tauchrohren 9, 11 jeweils in einem der Behälter 1, 2. Jedem Behälter 1, 2 ist ein Füll­ standssensor 10, 12 zugeordnet. Die Permeatleitung 6, 7, 13 weist ein Absperrventil bzw. eine Drossel 27 für die Dampfsterilisation und Abführung des Permeats in einen Auffangbehälter 28 auf.

Beide Behälter 1, 2 weisen je einen Druckgasanschluß 14, 23 mit Sterilfilter 15, 22, Steuerventilen 16, 21 auf, die über Druckluftleitungen 17, 15, 20, 24, 25 untereinander verknüpft sind und an eine Druckluftquelle 8 bzw. eine Quelle für Inertgas angeschlossen sind. Über ein Manometer 19 wird der Gaseingangsdruck im Behälter 1 bzw. im Behälter 2 ange­ zeigt. Eine Drossel 26 bzw. ein Ventil in der Gaslei­ tung 25 dient zur Steuerung und auch zur in-Line-Bedamp­ fung mit Heißdampf für die Sterilisation.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung ist folgendermaßen. In den Behälter 1 wird das aufzukonzentrierende Medium ge­ geben. Durch Anlegen eines Gasdruckes (bei Zellkulturen max. 0,8 bar) wird das Medium durch ein am Druckbehälter 1, 2, 3 montiertes Filtermodul FM durch die Leitungen 9, 4, 5, 11 in den Behälter 2 gedrückt. Das durch das Filtermodul FM abgeschiedene Permeat wird durch die Anschlüsse 6, 7 und die Leitung 13 über das Ventil 27 bzw. Drossel in den Auffangbehälter 28 geleitet und kann entweder verworfen oder aber untersucht und/oder weiterverwendet werden. Über den Sterilfilter 25 mit einer Porengröße von etwa 0,2 µm entweicht die Luft aus dem Behälter 2. Ein Füllstands­ sensor 10 im Behälter 1 schaltet die Gasventile 16, 21 um, sobald der Behälter 1 nahezu leer ist. Nun wird das zu filtrierende Medium vom Behälter 2 in den Behälter 1 mit 0,8 bar Eingangsdruck durch das Filtermodul FM zurück­ gepumpt.

Durch den permanenten Wechsel der Überströmungsrichtung wird nicht nur eine Deckschichtausbildung auf der Membran des Filtermodules minimiert, sondern auch Ablagerungen an den jeweiligen Einströmöffnungen immer wieder entfernt.

Das Konzentratvolumen nimmt von Arbeitsschritt zu Arbeits­ schritt ab und erreicht schließlich ein für den Cross-Flow- Prozeß notwendiges minimiertes Arbeitsvolumen.

Als letzter Arbeitsschritt läßt sich das Arbeitskonzentrat aus dem Filtermodul FM mit Druckgas in einen der Behälter 1, 2 pressen.

Da der Mediumeingangsdruck durch den Gasdruck vorgegeben ist, besteht nicht die sonst übliche Gefahr eines steigen­ den Eingangsdruckes bei ansteigender Viskosität. Die sonst üblichen Manometer an den Filtermodulen FM können hier ent­ fallen, da der Eingangsdruck der Druckluft auch der Ein­ gangsdruck des Konzentrates in das Filtermodul darstellt. Die gesamte Anlage ist ein geschlossenes System mit drei Anschlußleitungen, die sich ohne Probleme in-Line bedamp­ fen und autoklavieren läßt.

Neben tierischen Zellen lassen sich auch andere Medien problemlos mit der Anlage aufbereiten. Der Eingangsdruck und das Tankvolumen sind auf das jeweilige Problem vari­ ierlos und hängt auch davon ab, welche Cross-Flow- Module (mit Flachmembranen oder Hohlfasern) Verwendung finden.

Claims (7)

1. Für den Laborbetrieb bestimmte Vorrichtung zur Behand­ lung flüssiger Medien durch Überströmung eines selektiv permeablen Trennmoduls, insbesondere zur Aufkonzen­ tration tierischer und pflanzlicher Zellen und biolo­ gisch aktiver Wirkstoffe, bei dem das zu behandelnde Medium in einem Überströmkreis geführt und das Permeat separiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Trenn­ modul (FM) im Überströmkreislauf (1 bis 7, 9, 11) strö­ mungsmäßig zwischen zwei geschlossenen, mit Gas beauf­ schlagbaren Behältern (1, 2) für das zu behandelnde Medium angeordnet ist, und das Medium durch Gasdruck abwechselnd von dem einen Behälter (1 oder 2) unter gleichzeitiger Gasdruckentlastung im anderen Behälter (2 oder 1) in diesen förderbar ist und die Strömungsumkehr des zu behandelnden Mediums und Gas in beiden Behältern (1, 2) durch Ventilsteuerung und Sensorik in einem ge­ schlossenen Leitungsnetz (1 bis 28) abläuft.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Behälter (1, 2) als kompakte Baueinheit mit einer gemeinsamen Trennwand (3) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in jedem Behälter (1, 2) ein Füllstands­ sensor (10, 12) für die Flüssigkeit angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Gasleitung (14, 16, 17, 18, 20, 23, 25) zu jedem Behälter (1, 2) ein Gassterilfilter (15, 22) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Gasleitung (14...26) Steuer­ ventile (16, 21), Drosseln (26) und Drucksensoren (19) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Permeatauslaß (13) des Filtermoduls (FM) durch ein Absperrventil (27) verschließbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sowohl die Gasleitungen (14...26) als auch die Flüssigkeitsleitung (4...11, 23) der Anlage durch Dampfsterilisation sterilisierbar sind.