DE4111295C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten in einem Bioreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten, insbe­ sondere von mikrobiologischen Suspensionen, in einem Bioreaktor.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei vielen technischen Prozessen - insbesondere in der Biotechnologie - das rheologische Verhalten in einem Reaktor bzw. einem Reaktionsgefäß die Produktbildung erheblich beeinflußt. So wurde beispielsweise wieder­ holt beobachtet, daß die in einem Bioreaktor bestimmte Viskoelastizität von mikrobiologischen Suspensionen Aufschluß über eine Vielzahl von - offensichtlich voneinander abhängiger - Parameter geben kann.

Dazu gehören beispielsweise der Zusammenhang zwischen Fließverhalten der Suspension und dem Impuls-, Wärme- und Stoffaustausch im Reaktor oder zwischen Rheologie, Morphologie und Produktbildung des betreffenden Mikro­ organismus.

Es besteht daher ein beträchtliches Interesse, die Viskoelastizität - oder allgemeiner - das Fließverhal­ ten eines Fluids in einem Reaktor möglichst kontinuier­ lich zu messen. Zwar sind eine Vielzahl von derartigen Meßgeräten, die auch als Rheometer bezeichnet werden, bekannt, keines der bekannten Meßgeräte erlaubt jedoch die Bestimmung des Fließverhaltens in einem Reaktions­ gefäß insbesondere dann, wenn weitere Anforderungen, wie z. B. Sterilität, gestellt werden.

Aus der DE 39 21 841 A1 ist eine Echtzeit-Kapillarrheo­ meter-Anordnung zur Bestimmung der Viskosität von Flüs­ sigkeiten zu entnehmen. Es handelt sich um ein statio­ när betriebenes Bypass-Gerät zur Bestimmung der Visko­ sität, innerhalb dem eine viskosimetrische Strömung realisiert wird. Über Bypass-und Zuleitungen wird an einer Probenentnahmestelle die Rheometer-Anordnung angebracht, so daß es bei diesem System um einen exter­ nen Betrieb handelt, der außerhalb eines Reaktors vor­ gesehen ist. Verfälschungen des Fließverhaltens auf­ grund der Probenentnahme außerhalb des intrakavitären Fließkreislaufes können auf diese Weise auftreten.

Aus der Druckschrift DE 38 18 941 A1 ist ebenfalls ein stationär betriebenes Bypass-Gerät zur Bestimmung der Viskosität zu entnehmen. Durch die in dem Meßgerät vorgesehene, düsenförmige Strömungsverengung wird eine nichtviskosimetrische Strömung (hier ist die Strömungs­ form extrem abhängig von den Fließeigenschaften) er­ halten, anhand der sich ein Maß für die Normalspan­ nungsdifferenzen und mit diesem ein nicht streng de­ finierter elastischer Parameter ableiten läßt. Dieser Elastizitätparameter hat jedoch nur wenig mit dem elastischen Schermodul der Viskositätselastizität zu tun. Dieses Gerät ist im Hinblick darauf keinesfalls für die Bestimmung der Viskoelastizität oder für den Einbau in einen Reaktor vorgesehen und auch nicht ge­ eignet.

Schließlich wird in der DE-OS 19 23 663 ein Gerät zur Bestimmung der Viskoelastizitätsparametern beschrieben, das zwei gegeneinander schwingende Platten aufweist. In diesem Fall liegt jedoch keine viskosimetrische Strö­ mung vor, wodurch das Gerät nur für sehr homogene Flüssigkeiten Einsatz findet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten, insbesondere von mikrobiologischen Suspensionen, in einem Bioreaktor anzugeben, die die Bestimmung der Stoffparameter in dem Reaktionsgefäß ohne Beeinträchtigung beispielsweise einer Biosuspen­ sion erlaubt und die darüberhinaus sterilisierbar aus­ geführt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf dem Meßprinzip der instationä­ ren Rohrströmung, bei der man aus der Kenntnis des Druckverlusts bei vorgegebenen Volumenstrom auf die Materialfunktionen der linearen Viskoelastizität schließen kann. Zur Realisierung dieses Meßprinzips ist im Inneren des Bioreaktors ein Rohrrheometer angeordnet, dem eine Pumpe quasi kontinuierlich die Flüssigkeit zuführt; eine Auswerteeinheit ermittelt zur Bestimmung der Stoffparameter aus dem Ausgangssignal des Rohrrheometers das Fließverhalten der Flüssigkeit.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird eine sterilisierbare Membran- bzw. Schlauchpumpe mit dem Rohrrheometer kombiniert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 2 eine Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität einer Flüssigkeit 1 in einem Bioreaktor, von dem in Fig. 1 nur eine Reaktorwand 2 dargestellt ist. Die Vorrichtung weist ein kreiszylinderförmiges Meßrohr 3, das bei dem ge­ zeigten Ausführungsbeispiel einen Innendurchmesser von ca. 6 mm hat, und eine spezielle, besonders für Biosus­ pensionen geeigneten Schlauchpumpe 4 auf.

Die Schlauchpumpe weist ein Pumpengehäuse 41 auf, in das ein Differenzdruckaufnehmer 5 eingebaut ist, und dessen Innenraum 42 fluiddicht vom Innenraum des Re­ aktors, d. h. von der Flüssigkeit 1 abgetrennt ist. Weitere Bestandteile der Schlauchpumpe 4 sind ein me­ tallener Faltenbalg 6, ein flexibler, sterilisierbarer Schlauch 7 sowie zwei elektrisch oder mechanisch be­ triebene bzw. schaltbare Ventile 81 und 82.

Das Ventil 82 (Auslaßventil) ist zwischen dem Meßrohr 3 und dem Schlauch 7 in der Wand des Pumpenge­ häuses 41 vorgesehen, während das andere Ventil 81 (Einlaßventil) in der Wand des Pumpengehäuses gegenüber dem Auslaßventil angeordnet ist und mit dem Einlaß des Schlauchs 7 verbunden ist. Durch den metallenen Falten­ balg 6 ist der Innenraum 42 der Pumpe 4 ohne jede glei­ tende Dichtung gegen den Außenraum abgeschlossen. Die Form des Faltenbalgs kann dabei tellerartig oder kreis­ zylindrisch sein. Auf der anderen Seite schließt die flexible Membran 7 den Reaktionsraum gegen den In­ nenraum 41 der Pumpe 4 ab. Im Innenraum der Pumpe be­ findet sich z. B. steriles Wasser als Koppelflüssigkeit. Das Pumpengehäuse enthält noch zwei Öffnungen, damit auf beiden Seiten des flexiblen Schlauches mit Wasser­ dampf sterilisiert werden kann.

Bei problemlosen Flüssigkeiten kann auch auf das Pum­ pengehäuse bzw. die flexible Membran verzichtet und der gesamte Innenraum der Pumpe mit Meßflüssigkeit gefüllt werden. In diesem Fall ist allerdings für eine totwas­ serfreie Durchströmung des Innenraumes der teller­ förmige Faltenbalg 6′ (Membran 6′), der in Fig. 2 dar­ gestellt ist, besser geeignet als der in Fig. 1 darge­ stellte zylindrische Faltenbalg. Die zusätzlichen Öff­ nungen im Pumpengehäuse zur Dampfsterilisierung sind in diesem Falle ebenfalls nicht notwendig.

Die Schlauchpumpe 4 und das Meßrohr 3, die zusammen das Rheometer bilden, werden so an der Wand 2 des Reakti­ onsbehälters angeflanscht, daß sie nach innen ragen und die Ansaugseite somit die Proben bei Reaktionsbedingun­ gen aufnehmen, dem Meßrohr zuführen und die gemessene Probe sofort wieder in den Reaktionsraum zurückbringen kann. Die Öffnung in der Behälterwand ist so zu dimen­ sionieren, daß das gesamte Rheometer von außen montiert werden kann. Auf diese Weise läßt sich die Viskoelasti­ zität ohne Sterilitätsprobleme kontinuierlich messen.

Dabei ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Faltenbalg mit einem elektromagnetischen Schwinger verbunden; damit kann die Pumpe und somit das Rheome­ ter, je nach der am Schwinger angelegten elektrischen Spannung und der Stellung der Ventile, in verschiedene Betriebszustände versetzt werden:

An dem den Faltenbalg mit dem Schwinger koppelnden, geführten Gestänge ist eine Vorrichtung zur Messung der Auslenkung des Faltenbalges aus seiner Nullage ange­ bracht. Damit das Rheometer pumpt, kann z. B. eine Dreieckspannung angelegt werden, die - bezogen auf eine Ruhelage des Schwingers, die mit Null bezeichnet wird - immer größer als Null ist. Beim höchsten Hub des Faltenbalgs werden die Ventile gegenläufig umgeschal­ tet. Auf diese Weise wird kontinuierlich ein pulsieren­ der Volumenstrom durch das Meßrohr gefördert. Wenn das Einlaßventil geschlossen, das Auslaßventil aber geöff­ net ist, befindet sich das Rheometer im Meßstatus. Zur Messung selbst wird dann der Schwinger mit einer sinus­ förmig oszillierenden Spannung angeregt, was zur Folge hat, daß der Volumenstrom im Meßrohr oszilliert, und im Mittel kein Volumen gefördert wird.

Die elektromagnetischen Ventile müssen im offenen Zu­ stand einen weiten Querschnitt haben, derart, daß an ihnen kein wesentlicher Druckverlust auftritt. Im ge­ schlossenen Zustand dürfen sie nicht elastisch sein. Je nach den Viskositäten, die während des im Reaktions­ gefäß ablaufenden Prozesses auftreten, sind der Durch­ messer und die Länge des Meßrohres zu wählen.

Alle verwendeten Materialien und Einzelteile sind so auszuwählen, daß sie der Temperatur und dem Druck, die bei einer Wasserdampfsterilisierung auftreten, wider­ stehen können.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Viskosität von Flüssigkeiten, insbesondere von mikrobiologischen Suspensionen, in einem Bioreaktor, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Bioreaktors ein Rohrrheometer sowie eine Pumpe angeordnet ist, die dem Rohrrheometer die Flüssigkeit zuführt, und daß eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Viskosität aus dem Ausgangssignal des Rohrrheometers das Fließverhalten der Flüssigkeit ermittelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrrheometer einen Drucksensor und/oder einen Volumenstrommesser und/oder einen Wegaufnehmer für die Flüssigkeitsströmung auf­ weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Schlauch­ pumpe ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß ein flexibler Schlauch einem kreiszylinderförmigen Meßrohr des Rheometers vorgeschaltet ist,
daß ein Antrieb den flexiblen Schlauch derart mit Druck beaufschlagt, daß im Meßrohr eine oszillierende Strö­ mung erzeugt wird, und
daß ein Differenzdruckaufnehmer vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine metallene Membran oder einen metallenen Faltenbalg aufweist, die in einer zylindrischen Führung geführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein fluiddichtes Gehäuse den flexiblen Schlauch umgibt, in dem ein Koppelflüs­ sigkeit vorgesehen ist, auf die der Antrieb wirkt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse der Diffe­ renzdruckaufnehmer eingesetzt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der Zuflußöffnung und an der Austrittsöffnung des flexiblen Schlauches jeweils ein mechanisch oder elektrisch schaltbares Ventil vor­ gesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung derart ausgestaltet ist,
daß zunächst durch die Schlauchpumpe das Meßrohr befüllt wird, daß anschlie­ ßend das Zuflußventil geschlossen wird und der metalle­ ne Faltenbalg bzw. die Membran durch eine oszillierende Bewegung eine ebenfalls oszillierende Strömung im Meß­ rohr erzeugt, und
daß die Auswerteeinheit den oszillierenden Fluß im Meßrohr über den Wegaufnehmer, den hieraus resultieren­ den Druck über den Differenzdruckaufnehmer und die zeitliche Verschiebung dieser beiden Größen erfaßt.