DE4118882A1 - Modulsystem zum aufbau von bioreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren, die innerhalb eines bestimmten Bereichs abgestufte Durchmesser aufweisen können, und deren Höhen/Durchmesser-Verhältnis sowohl Werte von gerührten Reaktoren als auch Werte von kolonnenförmigen Reaktoren haben kann.

Bioreaktoren - früher auch unter dem Begriff Fermenter bekannt - sind kesselförmige Behältnisse in denen mit einem Maximum an Sicherheit für den Prozeß Bioprodukte hergestellt werden können. Beim Betrieb von Bioreakto­ ren handelt es sich um Produktionsverfahren mit leben­ den Organismen (Bakterien, Pilze, Hefen, Algen) oder mit ganzen Zellkulturen.

Bei allen Überlegungen hinsichtlich der Konstruktion einer Bioreaktoranlage muß der biotechnologische Prozeß im Mittelpunkt stehen. Bei der Planung ist zu entschei­ den, ob der Bioreaktor für ein spezielles Verfahren mit einem Organismus optimiert oder für universelle Verfah­ ren mit wechselnden Keimen benötigt wird.

Je nach den Anforderungen gibt es Bioreaktoren, die aus Behältern unterschiedlicher Bauart bestehen und mit peripheren Baugruppen, wie zum Beispiel Rohrleitungen, Ventilen, Filtern etc. ergänzbar sind. Die Apparategrö­ ßen im Technikumsmaßstab liegen etwa zwischen etwa 20 l und 1000 l. Produktionsanlagen haben dagegen Volumina von bis zu einigen Kubikmetern.

Bezüglich der Bauart unterscheidet man grundsätzlich zwischen gerührten Reaktoren mit einem Höhen/Durchmes­ ser-Verhältnis von etwa 3 und kleineren sowie schlanke­ ren, sogenannten kolonnenförmigen, Reaktoren mit einem Höhen/Durchmesser-Verhältnis < 5. Bei letzteren wird der Inhalt meist durch das Eintragen eines Flüssig­ keits- oder Gasstromes bewegt.

Allen auf dem Markt erhältlichen Reaktoren ist jedoch gemeinsam, daß ihre zentralen Reaktionsbehälter als nicht veränderbare Schweißkonstruktionen ausgelegt sind. Lediglich die Kleinteile der Peripherie (Ventile, Rohrverbindungselemente, Pumpen etc.) sind in begrenz­ tem Umfang an den verschiedenartigen Anlagen identisch und damit zwischen den einzelnen Reaktionsbehältern austauschbar.

Obwohl die Fülle biotechnologischer Anforderungen ei­ gentlich eine große Flexibilität des Reaktors fordern würde, ist die Anwendbarkeit bekannter Reaktoren je­ weils nur auf wenige Prozesse spezifisch ausgerichtet.

Dies hat zur Folge, daß für jeden Zweck Geräte unter­ schiedlicher Größe und Bauart beschaffen werden müssen. Einzelanfertigungen und die damit verbundenen hohen Kosten und lange Lieferzeiten sind dadurch nicht zu umgehen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein modulares System für Bioreaktoren anzugeben, das unter­ schiedliche Arbeitsvolumina mit sinnvollen Größenabstu­ fungen sowohl für gerührte Reaktoren, als auch für Reaktoren mit externem Leistungseintrag zuläßt. Dabei ist darauf zu achten, daß die hierfür erforderlichen Klemm- und Schraubverbindungen den steriltechnischen und sicherheitstechnischen Standards gerecht werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß ist ein Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren, die innerhalb eines bestimmten Bereichs abgestufte Durchmesser aufweisen können, und deren Höhen-/Durchmesser-Verhältnis sowohl Werte von gerühr­ ten Reaktoren als auch Werte von kolonnenförmigen Reak­ toren haben kann, derart ausgebildet, daß für sämtliche Durchmesser ein Bodenteil vorgesehen ist, das den An­ schluß sowohl von Rühr-Antrieben als auch von Einrich­ tungen zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/oder Flüssigkeit erlaubt, und eine Kontur zur fluid­ dichten Verbindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktorbehälterbauteils mit einem der abgestuften Durchmesser aufweist. Zusätzlich sind an den Reaktorbe­ hälterbauteilen auch an ihrem anderen Ende jeweils ein Flansch vorgesehen, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlußelement erlaubt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprü­ chen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla­ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er­ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine Übersichtsdarstellung verschiedener Einzelbauteile des Modulsystems,

Fig. 2 gerührte Reaktoren mit unterschiedlichen Durchmessern mit einem Höhen-/Durchmessern- Verhältnis von etwa 3 und Arbeitsvolumina von 15, 30 und 50 l,

Fig. 3 schlanke, kolonnenförmige Reaktoren mit zwei Durchmessern und einem Höhen-/Durchmesser- Verhältnis von 5 bzw. 7 und den Volumina von 70 l und 100 l.

Fig. 1 zeigt in einer Übersichtsdarstellung Einzelbau­ teile, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren verwendet werden können, die innerhalb eines bestimmten Bereichs abgestufte Durchmesser aufweisen können, und deren Höhen-/Durch­ messer-Verhältnis sowohl Werte von gerührten Reaktoren als auch Werte von kolonnenförmigen Reaktoren haben kann. Aus diesen Einzelbauteilen lassen sich beispiels­ weise ohne weiteres Bioreaktoren mit Arbeitsvolumina zwischen 15 l und 140 l zusammenstellen.

Das in Fig. 1 dargestellte Modulsystem weist einen Reaktorunterbau 1 mit einer massiven Grundplatte auf, die auf vier Fußelementen gestützt für einen festen Stand der Gesamtanlage sorgt.

Bei gerührten Bioreaktoren wird in der Grundplatte 1 ein Rühr-Antrieb 2 fest verschraubt, mit dessen Ober­ teil ein Bodenteil 4 für den Aufbau weiterer Reaktor­ bauteile verbunden ist. Für den Aufbau von schlanken, kolonnenförmigen Reaktoren ist hingegen eine Halterung 5 vorgesehen, die anstelle des Rühr-Antriebs mit dem Reaktorunterbau 1 fest verbunden wird.

Das allen, mit diesem Bausatzprogramm, herstellbaren Bioreaktoren gemeinsame Bauteil 4, wird im Falle von kolonnenförmigen Reaktoren an den an der Halterung 5 angebrachten Dreiecksträgern befestigt.

Desweiteren ist im Bodenteil 4 ein Anschluß vorgesehen, an dem Einrichtungen zum Zerteilen oder Verteilen von Gasen oder Flüssigkeiten angebracht werden können. Zum Eintrag von Gas oder Flüssigkeiten kann beispielsweise ein sogenannter Düsenstock 3 vorgesehen sein.

Auf das Bodenteil 4 werden erfindungsgemäß modulartig verschiedene rohrförmige Bauteile mit unterschiedlichen Durchmessern, die im folgenden noch erläutert werden, aufgesetzt werden, deren oberster Abschluß mit einer abschließenden Deckelplatte 9, 12, 15 vorgenommen wird, in die ein sogenannter Abgaskühler 6 einbringbar ist, der für einen gewünschten Druck im Reaktorinneren sorgt. Aus dem Reaktorinneren können somit über den Abgaskühler 6 die im Prozeßverlauf entstehenden Gase kontrolliert und gegebenenfalls gekühlt ausgeleitet werden.

Zum Aufbau verschiedener Bioreaktorkörper sind eine Mehrzahl von tonnenförmigen Einzelteilen vorgesehen, die erfindungsgemäß jeweils mit Flanschverbindungen ausgestattet sind, so daß sie beliebig miteinander kombiniert werden können. Diese Teile werden im folgen­ den erläutert:
Unmittelbar mit dem Bodenteil 4 sind Übergangsrohre 7, 10 und 13 verbindbar, die hierzu passend zum Bodenteil 4 einheitliche Flanschverbindungen aufweisen. Die Über­ gangsrohre haben je nach dem gewünschten Arbeitsvolumen unterschiedlich abgestufte Durchmesser (214, 267, 316 mm) und verfügen darüberhinaus über mindestens einen seitlich angebrachten Stutzen oder Flansch für Ventile oder Meßwertgeber. Je nach Durchmesser des Übergangs­ rohrs ist an der dem Bodenteil gegenüberliegenden Seite des Bauteils ein weiterer Verbindungsflansch eingear­ beitet. Über sogenannte Verschlußringe, die in Fig. 1 nur als Querschnittsflächen angedeutet sind, können an den Übergangsrohren 7, 10 und 13 die in Größe und Durchmesser unterschiedlich ausgeführten zylindrischen Reaktorrohre 8, 11, 14 angeflanscht werden.

Die Reaktorrohre 8, 11, 14 weisen jeweils mindestens einen seitlichen Stutzen auf, der den Anschluß eines Schauglases oder eines geeigneten Meßwertgebers er­ laubt. Darüberhinaus können Anschlüsse für die Zu- und Abfuhr eventuell benötigter Stoffströme vorgesehen sein.

Weitere Verbindungsrohre 19, 20, 21 sind ebenfalls über beidseitig angebrachte Flanschverbindungen in das Bio­ reaktorsystem zu integrieren. Auch sie weisen minde­ stens einen Anschlußstutzen für diverse Meßwertgeber bzw. für die Zu- und Abfuhr eventuell benötigter Stoff­ ströme auf. Bei diesen Verbindungsrohren handelt es sich jedoch um bloße Zwischenelemente, die den Reaktor­ durchmesser nicht verändern.

Im Gegensatz dazu, verjüngen oder erweitern Zwischen­ elemente 16, 17 und 18 den Durchmesser des Reaktors.

Fig. 2 zeigt drei in der Größe unterschiedlich ausge­ führte gerührte Bioreaktoren. Durch die Wahl unter­ schiedlich großer Rohrelemente ist es möglich, gerührte Reaktoren mit Arbeitsvolumina von 15, 30 und 50 l her­ zustellen. Das allen drei Reaktoren gemeinsame Höhen- /Durchmesser-Verhältnis beträgt hierbei 3.

In Fig. 3 sind zwei kolonnenförmige Bioreaktoren dar­ gestellt, die bei den gezeigten Beispielen Arbeits­ volumina von 70 l und 100 l aufweisen. Die dabei er­ reichten Höhen-/Durchmesser-Verhältnisse sind für den Fall der 70 l Anordnung gleich 7 und im Falle der 100 l- Anordnung gleich 5. Prinzipiell sind mit derartigen kolonnenförmigen Bioreaktoren Arbeitsvolumina zwischen ca. 50 l und ca. 150 l möglich. Die äußerst variable Abfolge der in Fig. 1 dargestellten Einzelkomponenten bei den in Fig. 3 dargestellten Bioreaktoren ist der Zeichnung entnehmbar.

Mit dem vorgenannten Modulsystem wird somit die ge­ stellte Aufgabe gelöst, ein modulares System für Bio­ reaktoren bereitzustellen, das unterschiedliche Ar­ beitsvolumina mit sinnvollen Größenabstufungen sowohl für gerührte Reaktoren als auch für Reaktoren mit ex­ ternem Leistungseintrag aufweist.

Claims (11)

1. Modulsystem zum Aufbau von Bioreaktoren, die inner­ halb eines bestimmten Bereichs abgestufte Durchmesser aufweisen können, und deren Höhen-/Durchmesser-Verhält­ nis sowohl Werte von gerührten Reaktoren als auch Werte von kolonnenförmigen Reaktoren haben kann, mit folgenden Merkmalen:

• - für sämtliche Durchmesser ist ein Bodenteil (4) vorgesehen, das den Anschluß sowohl von Rühr-Antrieben (2) als auch von Einrichtungen zum Zerteilen und/oder Verteilen von Gas und/oder Flüssigkeit, z. B. Düsenstöc­ ken (3) erlaubt, und eine Kontur zur fluiddichten Ver­ bindung mit einem entsprechenden Flansch eines Reaktor­ behälterbauteils mit einem der abgestuften Durchmesser aufweist,
• - die Reaktorbehälterbauteile weisen auch an ihrem anderen Ende einen Flansch auf, der die Verbindung sowohl mit einem weiteren Reaktorbehälterbauteil als auch mit einem Abschlußelement erlaubt.

2. Modulsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Bodenteil (4) und dem zylindrischen Reaktorrohr (8, 11, 14) entweder als ein rohrförmiges Übergangsteil (7, 10, 13) ausgeführt ist, oder direkt mit einem geeigneten Flansch erfolgt.

3. Modulsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsteil für die Verbindung zwischen Bodenteil (4) und dem zylindrischen Reaktorrohr (8, 11, 14) geeignete Flanschverbindungen besitzt.

4. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsteil (7, 10, 13) mindestens einen seitlichen Stutzen und/oder Flansch für Ventile oder Meßwertgeber aufweist.

5. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenteil (4) minde­ stens einen Ventilanschluß besitzt, der das Abziehen oder die Zufuhr von Flüssigkeiten und/oder Gasen er­ laubt.

6. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bodengruppe (1) vorge­ sehen ist, mit der sowohl der Bodenteil (4) direkt über einen eventuell vorhandenen Rührwerk-Antrieb als auch Halterungen verbindbar sind, die die Reaktorrohre von Reaktoren mit einem großen Höhen/Durchmesser-Verhältnis halten.

7. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschlußelement ein dem jeweiligen Durchmesser des Reaktors angepaßter Deckel (9, 12, 15) ist.

8. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktorrohre wenigstens einen seitlichen Stutzen aufweisen, der den Anschluß eines Schauglases oder von Meßwertgebern oder die Zu- und/oder Abfuhr eventuell benötigter Stoffströme er­ laubt.

9. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zylindrische Verbindungs­ stücke (19, 20, 21) mit Flanschen an beiden Enden vorge­ sehen sind, die mit den Flanschen der Reaktorrohre bzw. dem weiteren Flansch des Übergangsteils verbindbar sind, und daß die Verbindungsstücke Stutzen für Meß­ wertgeber aufweisen.

10. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußelemente wenig­ stens einen Flansch für einen Abgaskühler (6) aufwei­ sen.

11. Modulsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß rohrförmige Verbindungsstüc­ ke (16, 17, 18) mit Flanschen an beiden Enden vorgesehen sind, die mit den Flanschen der Reaktorrohre bzw. den zylindrischen Verbindungsstücken (19, 20, 21) verbindbar sind.