DE4134680A1

DE4134680A1 - Sterile seal - includes elastic body with heating system to maintain sterile condition

Info

Publication number: DE4134680A1
Application number: DE19914134680
Authority: DE
Inventors: Rudolf Krapf; Peter Speil; Gert Dr Weddigen
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1991-10-21
Filing date: 1991-10-21
Publication date: 1993-04-22

Abstract

The seal unit has an elastic sealing body (3) with a heating system (2). A coil spring (2), bent into a C- or O-shape, pref. acts as the heater, with the ends (2A) as the electrical connections. An insulating layer is applied to the spring (2) or the spring is encapsulated directly in a C-shaped shrouding. A C-shaped metal mantle (4) is applied to give the outer covering to complete the sealing body (3). The sealing body (3) can be of an elastomeric material with a heater cast or vulcanised in position, with the ends for electrical connection directly at both sides or at a side shoulder. USE/ADVANTAGE - The seal is for sterile applications, e.g. in bioreactors for the cultivation of living cells, where the seals are sterile before fermentation. The seal is easily sterilised and maintained in a sterile condition without rapid decay.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dichtungselement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a sealing element according to the preamble of claim 1.

Solche Dichtungselemente finden bevorzugt eine Anwendung in Bioreaktoren oder anderen Einrichtungen, die, um opti mal zu funktionieren, steril sein müssen. Ein Bioreaktor, in dem lebende Zellen in einem Nährmedium kultiviert wer den, muß vor Beginn der Fermentation so gesäubert werden können, daß er auch im Bereich seiner Dichtungen steril ist. Für die Sterilisation wird vielfach Sattdampf ver wendet, weil das zurückbleibende Kondensat nicht toxisch ist, und im meist wäßrigen Prozeßablauf keine Verunrei nigung bewirkt. Im Minimum sind dafür 120°C bei 1,8bar Überdruck erforderlich. Die Sterilisation dauert etwa 20 Minuten. Die heute im Handel erhältlichen Bioreaktoren weisen als Dichtungselemente O-Ringe und Flachdichtungen aus Elastomeren auf. Diese Dichtungselemente lassen sich jedoch nicht in der gewünschten Weise sterilisieren bzw. altern unter der Einwirkung von Sattdampf sehr schnell.Such sealing elements are preferably used in bioreactors or other facilities designed to opti times to function, must be sterile. A bioreactor, in which living cells are cultivated in a nutrient medium that must be cleaned before fermentation starts can that he is sterile even in the area of his seals is. Saturated steam is often used for sterilization turns because the remaining condensate is not toxic is, and in the mostly aqueous process flow no problems effect. The minimum is 120 ° C at 1.8 bar Overpressure required. Sterilization takes approximately 20 Minutes. The bioreactors commercially available today have O-rings and flat seals as sealing elements made of elastomers. These sealing elements can be but do not sterilize in the desired manner or age very quickly under the influence of saturated steam.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Dichtungselement aufzuzeigen, das auf einfache Weise ste ril zu halten ist, und dabei nicht schnell altert.The invention is therefore based on the object To show sealing element that is simple is to be kept and does not age quickly.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the features of Claim 1 solved.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Dichtungelementes, das elastische Eigenschaften aufweist, und zudem auf eine de finierte Temperatur aufgeheizt werden kann, ist ein opti maler Verschluß von Bioreaktoren und anderen steril zu haltenden Geräten möglich. Das Beheizen der Dichtungs elemente kann elektrisch oder mit Hilfe von Heißdampf er folgen. Die Dichtungselemente können aus Metall oder ei nem Elastomer hergestellt werden. Als Metalle eignen sich hierfür rostfreie Stähle und andere korrosionsbeständige Legierungen. Als Elastomer kommt hierfür Silikon, EPPM, Therban und Viton in Frage. Jedes Dichtungselement ist mit einem Temperaturfühler ausgerüstet, der mit einer Re gelschaltung in Verbindung steht. Mit deren Hilfe kann die Temperatur in jedem Dichtungselement auf einem defi nierten Wert gehalten werden. Die Temperatur wird vor zugsweise auf 121°C gehalten. Der Bioreaktor wird während seines Betriebs auf niedrigeren Temperaturen als die be heizten Dichtungselemente gehalten. Die Wärme fließt von den Dichtungselementen in die kälteren Flansche oder Verschraubungsteile. Um diesen Temperaturfluß auszuglei chen, ist die Heizung der Dichtungselemente entsprechend groß dimensioniert. Es sind jedoch Maßnahmen vorgesehen, die sicherstellen, daß das im Bioreaktor enthaltene mi krobiologische Produkt nicht mit diesen heißen Dich tungselementen in Kontakt kommt. Zudem ist dafür gesorgt, daß die mit dem Verschlußbereich in Kontakt kommenden Mi kroorgane auf der für ihre Vermehrung notwendigen Temperatur gehalten werden. Die beheizbaren Dichtungsele mente weisen außerdem den weiteren Vorteil auf, daß sie den Austritt lebender Zellen aus dem Bioreaktor verhin dern, da sie als Temperaturbarriere wirken, und alle eventuell austretenden Keime abtöten , bevor sie in die Umwelt gelangen können. Soll das Austreten von Keimen als weitere, wesentliche Aufgabe von einem solchen Dichtungselement übernommen werden, so wird es bevorzugt in Form eines Blindstopfens ausgebildet, der an einem Ende mit einem O-Ring versehen ist.With the help of the sealing element according to the invention, the has elastic properties, and also on a de temperature can be heated is an opti painstakingly closed bioreactors and others holding devices possible. Heating the gasket elements can be electrical or with the help of superheated steam consequences. The sealing elements can be made of metal or egg elastomer. Are suitable as metals therefore stainless steels and other corrosion-resistant Alloys. The elastomer used for this is silicone, EPPM, Therban and Viton in question. Every sealing element is equipped with a temperature sensor with a Re gel circuit is connected. With their help the temperature in each sealing element on a defi value is kept. The temperature is before preferably kept at 121 ° C. The bioreactor will be during operating at lower temperatures than the be heated sealing elements held. The heat flows from the sealing elements in the colder flanges or Fitting parts. To compensate for this temperature flow Chen, the heating of the sealing elements is appropriate large size. However, measures are planned which ensure that the mi. contained in the bioreactor Crobiological product not with these are called you tion elements comes into contact. It is also ensured that the Mi coming into contact with the closure area crocodiles on the necessary for their multiplication Temperature are maintained. The heatable sealing elements elements also have the further advantage that they prevent live cells from exiting the bioreactor because they act as a temperature barrier, and all kill any escaping germs before entering the Environment. Is the emergence of germs considered another, essential task of such Sealing element are adopted, so it is preferred in the form of a blind plug, which on a End is provided with an O-ring.

Das erfindungsgemäße Dichtungselement wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.The sealing element according to the invention is as follows explained in more detail using schematic drawings.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 den Teilbereich eines Bioreaktors mit erfin dungsgemäßen Dichtungselementen, Fig. 1 shows the section of a bioreactor OF INVENTION to the invention sealing elements,

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Dichtungselement, Fig. 2 shows an inventive sealing element,

Fig. 3 einen Schnitt durch das in Fig. 2 gezeigte Dichtungselement, Fig. 3 is a section through the assembly shown in Fig. 2 seal member,

Fig. 4 eine Variante des in Fig. 3 dargestellten Dich tungselements, Fig. 4 is a variant of like processing elements shown in FIG. 3,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Dichtungselements, Fig. 5 shows another embodiment of the inventive SEN sealing member,

Fig. 6 eine dritte Variante des erfindungsgemäßen Dichtungselements, Fig. 6 shows a third variant of the sealing element of the invention,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform des Dichtungselemen tes, Fig. 7 shows a fourth embodiment of the Dichtungselemen tes,

Fig. 8 eine fünfte Ausführungsform des Dichtungsele ments nach Fig. 5 Fig. 8 shows a fifth embodiment of the Dichtungsele ment according to Fig. 5

Fig. 9 ein flächig ausgebildetes Dichtungselement Fig. 9 is a flat sealing element

Fig. 10 ein als Blindstopfen ausgebildetes Dichtungselement Fig. 10 is embodied as a blind plug seal member

Fig. 11 eine Variante des in Fig. 10 dargestellten Dichtungselementes. Fig. 11 shows a variant of the sealing element shown in Fig. 10.

Fig. 1 zeigt den Ausschnitt aus einem Bioreaktor 10 im Bereich seines Sichtfensters 20. Die Scheibe 20S des Sichtfensters 20 ist mit Hilfe von Dichtungselementen 1, wie sie nachfolgend beschrieben werden, in die Öffnung 30 des Bioreaktors 10 eingesetzt. Eben solche Dichtungs elemente 1 werden benutzt, um ein Hilfsinstrument 40 durch eine Öffnung 50 beweglich innerhalb des Bioreaktors 10 anzuordnen. Das in Fig. 1 verwendete Dichtungselement 1 ist in Fig. 2 im Detail dargestellt. Das Dichtungs elementes 1 umfaßt eine aus Draht gefertigte, spiral förmige Feder 2. Der Draht ist mit geringem Windung sabstand gewickelt. Die Feder 2 selbst ist zusätzlich O- oder C-förmig gebogen. Sie weist einen Innendurchmesser von ca. 1,0 bis 8 mm auf. Ihre Enden 2A und 2B dienen gleichzeitig als elektrische Anschlußelemente. Die Feder 2 ist von einem metallischen Mantel 4 umgeben, der zusammen mit der Feder 2 den Dichtungskörper 3 bildet. Der Mantel 4 ist mindestens 0,3 mm dick und aus rostfreiem Stahl oder anderen geeigneten Metallen gefertigt. Er ist C-förmig ausgebildet. Die beiden Enden 2A und 2B der Feder 2 sind im Bereich der Öffnung des C- förmigen Mantels 4 nach außen geführt. Damit die Feder 2 gleichzeitig als Heizelement dienen kann, ist, wie die Fig. 3 und 4 zeigen, eine Isolierschicht 5S auf die gesamte Oberfläche der Feder 2 aufgebracht bzw. die Feder 2 ist von einer C-förmigen, isolierenden Hülle 5H umgeben. Mit einem Temperaturfühler 100, der innerhalb der Feder 2 angeordnet ist, wird die Temperatur in dem Dichtungselement 1 ermittelt. Über eine Regelschaltung (hier nicht dargestellt), die an den Fühler 100 angeschlossen ist, kann die Temperatur auf einem konstan ten Wert gehalten werden. Fig. 1 shows the detail of a bioreactor 10 in the region of its point of view window 20. The pane 20 S of the viewing window 20 is inserted into the opening 30 of the bioreactor 10 with the aid of sealing elements 1 , as will be described below. Such sealing elements 1 are used to move an auxiliary instrument 40 through an opening 50 within the bioreactor 10 . The sealing member 1 used in Fig. 1 is shown in Fig. 2 in detail. The sealing element 1 comprises a spiral spring 2 made of wire. The wire is wound with a small turn spacing. The spring 2 itself is additionally bent in an O or C shape. It has an inner diameter of approx. 1.0 to 8 mm. Their ends 2 A and 2 B also serve as electrical connection elements. The spring 2 is surrounded by a metallic jacket 4 , which together with the spring 2 forms the sealing body 3 . The jacket 4 is at least 0.3 mm thick and made of stainless steel or other suitable metals. It is C-shaped. The two ends 2 A and 2 B of the spring 2 are guided to the outside in the region of the opening of the C-shaped jacket 4 . So that the spring 2 may serve as a heating element simultaneously, as shown in Figs. 3 and 4, an insulating layer 5 S on the entire surface of the spring 2 is applied and the spring 2 is C-shaped from an insulating sheath 5 H surrounded . The temperature in the sealing element 1 is determined using a temperature sensor 100 which is arranged inside the spring 2 . The temperature can be kept at a constant value via a control circuit (not shown here) which is connected to the sensor 100 .

Fig. 5 zeigt ein Dichtungselement 1, dessen Dichtungskör per 3 aus einem Elastomer gefertigt ist. Vorzugsweise werden die Dichtungselemente nach Normgrößen gefertigt, an die auch der Bioreaktor angepaßt ist. Das Dichtungs element 1 selbst ist O-förmig ausgebildet. In das Dich tungselement 1 ist mittig ein Heizleiter 11 eingegossen oder eingebettet. Die beiden Enden des Leiters 11 sind aus dem eigentlichen Dichtelement 1 herausgeführt und dienen als elektrische Anschlußpole 11A und 11B. Zu ihrem Schutze kann das Dichtungselement 1 mit einem seitlichen Ansatz 1A, wie in Fig. 6 dargestellt, versehen werden, der ebenfalls aus dem Elastomer gefertigt ist. Er umhüllt die Anschlüsse, wobei diese einige Millimeter aus dem Ansatz 1A nach außen überstehen oder isoliert bis zur Anschlußklemme bzw. zum konfektionierten Stecker (hier nicht dargestellt) geführt werden. Wie Fig. 7 zeigt, kann anstelle des Leiters 11 auch ein elastisches Rohr oder ein temperaturfester Schlauch 12 in das Dichtungs element 1 einvulkanisiert werden. Die Enden 12A, 12B des Rohres 12 bzw. des Schlauches 12 sind aus dem Dichtungselement 1 nach außen geführt, und können an eine Heißdampfquelle (hier nicht dargestellt) angeschlossen werden. Das Rohr 12 kann auch aus einem Widerstandsmaterial in Form einer Cr-Ni-Legierung hergestellt werden. Damit ist es möglich, die Enden 12A und 12B des Rohres 12 auch als elektrische Anschlußelemente zu verwenden, und die Heizung des Dich tungselementes 1 elektrisch oder auch kombiniert durch zuführen. Fig. 5 shows a sealing element 1 , the sealing body is made by 3 from an elastomer. The sealing elements are preferably manufactured to standard sizes to which the bioreactor is also adapted. The sealing element 1 itself is O-shaped. In the device 1 you a heating conductor 11 is cast or embedded in the middle. The two ends of the conductor 11 are led out of the actual sealing member 1 and serve as electrical terminal poles 11 A and 11 B. For its protection, the sealing member 1 having a lateral projection 1A, as shown in Fig. 6 can be provided, which also is made of the elastomer. It envelops the connections, whereby they protrude a few millimeters from the 1 A extension or are insulated to the connection terminal or the assembled plug (not shown here). As shown in FIG. 7 shows, in place of the conductor 11 may also be an elastic tube, or a temperature-resistant hose 12 into the seal element 1 to be vulcanized. The ends 12 A, 12 B of the tube 12 or the hose 12 are led out of the sealing element 1 and can be connected to a hot steam source (not shown here). The tube 12 can also be made of a resistance material in the form of a Cr-Ni alloy. This makes it possible to use the ends 12 A and 12 B of the tube 12 as electrical connection elements, and the heating of the processing element 1 you electrically or in combination by perform.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Dichtungselement 1, dessen Dichtungskörper 3 aus einem Elastomer gefertigt ist. In diesen ist zum Heizen eine elektrisch leitfähige Kunst stoffmasse 13 eingebettet. Diese ist mit elektrischen Anschlußelementen 14 kontaktiert, deren Enden über einen seitlichen Ansatz 1A am Dichtungselements 1 nach außen geführt sind. Wie Fig. 8 zeigt, kann die elektrisch lei tende Masse 13 zusätzlich auch in den Ansatz 1A eingebet tet werden. Die Kontaktierung der elektrisch leitenden Kunststoffmasse 13 mit den elektrischen Anschlußelementen 14 kann dann im Ansatz 1A erfolgen. Durch Anschließen der elektrischen Anschlußelemente 14 an eine Spannungsquelle (hier nicht dargestellt) kann das Dichtungselement 1 auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt werden. Zur Kon trolle der Temperatur ist ein Temperaturfühler 100 vorge sehen, der mit einer Regeleinrichtung (hier nicht darge stellt) verbunden wird. Mit deren Hilfe ist die Tempera tur in dem Dichtungselement 1 auf einen definierten Wert einstellbar. Wie anhand von Fig. 9 zu sehen ist, können die erfindungsgemäßen Dichtungselemente 1 nicht nur mit einem runden Querschnitt, sondern auch als flächige Dichtungselemente ausgebildet werden. Die als Heizele mente 17 dienenden Rohre und Leitungen werden dann auch flächig ausgebildet und mäanderförmig in das jeweilige Dichtungselement eingebettet. Fig. 8 shows a further sealing element 1 , the sealing body 3 is made of an elastomer. In this, an electrically conductive plastic mass 13 is embedded for heating. This is contacted with electrical terminal members 14, the ends of which are guided on a lateral projection 1A on the sealing member 1 to the outside. As Fig. 8 shows, the electrically lei tend mass 13 1 A can be tet eingebet additionally in the batch. The contacting of the electrically conductive plastic material 13 with the electrical terminal members 14 can then be 1 A in the mixture. By connecting the electrical connection elements 14 to a voltage source (not shown here), the sealing element 1 can be heated to the desired temperature. To control the temperature, a temperature sensor 100 is provided, which is connected to a control device (not shown here). With their help, the temperature in the sealing element 1 is adjustable to a defined value. As can be seen from FIG. 9, the sealing elements 1 according to the invention can be designed not only with a round cross section, but also as flat sealing elements. The serving as Heizele elements 17 pipes and lines are then also flat and embedded in a meandering shape in the respective sealing element.

Fig. 10 zeigt ein Dichtungselement 1, dessen Dichtungs körper als Blindstopfen 15 ausgebildet ist . Der Stopfen 15 weist einen T-förmigen Querschnitt auf. In seine Ober fläche ist eine spiralförmige Nut 16 eingearbeitet. In diese Nut 16 ist ein elektrischer Leiter 17 in Form eines Drahtes oder Rohres eingelegt, bzw. oberflächennah ein gebettet. Die Enden des elektrischen Leiters 17 sind am ersten Ende 15A des Stopfens 15 nach außen geführt. Er findungsgemäß besteht die Möglichkeit, den elektrischen Leiter 17 auch als Rohr auszubilden, das als elektrischer Leiter fungiert. Erfindungsgemäß kann der aus einem Rohr gefertigte Leiter 17 auch als mechanische Wärmequelle ge nutzt werden, wenn das Ende 17A des Leiters an eine Heißdampfquelle ( hier nicht dargstellt) angeschlossen wird, und sein zweites Ende 17B als Ausgang dient. Am zweiten Ende 15B des Stopfens ist senkrecht zur Längs achse des Dichtungselementes 1 eine weitere ringförmige Nut 18 angeordnet. In diese kann ein O-Ring (hier nicht dargestellt) eingelegt werden. Um die gewünschte Temperatur innerhalb des Dichtungselementes 1 aufrechtzu erhalten, ist ein Temperaturfühler 100 in das Dichtungs element 1 eingebettet. Er ist wie alle übrigen Tempera turfühler der eingangs beschriebenen Dichtungselemente mit einer Regeleinrichtung (hier nicht dargestellt) ver bunden, mit deren Hilfe die Temperatur innerhalb des Dichtungselements 3 auf einem definierten Wert gehalten wird. Fig. 10 shows a sealing element 1 , the sealing body is designed as a blind plug 15 . The plug 15 has a T-shaped cross section. In its upper surface a spiral groove 16 is incorporated. In this groove 16 , an electrical conductor 17 is inserted in the form of a wire or tube, or embedded near the surface. The ends of the electrical conductor 17 are guided to the outside at the first end 15 A of the plug 15 . According to the invention, there is the possibility of also designing the electrical conductor 17 as a tube which functions as an electrical conductor. According to the invention, the conductor 17 made from a tube can also be used as a mechanical heat source if the end 17 A of the conductor is connected to a superheated steam source (not shown here) and its second end 17 B serves as an output. At the second end 15 B of the stopper another annular groove 18 is arranged perpendicular to the longitudinal axis of the sealing element 1 . An O-ring (not shown here) can be inserted into this. To obtain the desired temperature within the sealing element 1 aufrechtzu, is a temperature sensor 100 in the sealing element 1 is embedded. Like all other temperature sensors of the sealing elements described at the outset, it is connected to a control device (not shown here) by means of which the temperature within the sealing element 3 is kept at a defined value.

Fig. 11 zeigt eine andere Ausführungsform des in Fig. 10 dargestellten Dichtungselementes 1. In den Dichtungs körper 15 ist parallel zur Längsachse des Dichtungsele ments 1 eine Heizpatrone (19) eingebettet. Die im Handel erhältlichen Heizpatronen bestehen aus einem einseitig geschlossenem Metallmantelrohr, in das eine Heizwendel und ein Temperaturfühler mittels einer elektrisch isolierenden Masse eingebettet sind. Am offenen Ende des Mantelrohres ragen die elektrischen Anschlüsse zur Kontaktierung bzw. zur Meßwertweiterleitung heraus. Eine zusätzliche Nut 18, die am zweiten Ende 15B des Dichtungskörpers 15 vorgesehen ist, kann mit einem O-Ring (hier nicht dargestellt) bestückt werden. FIG. 11 shows another embodiment of the sealing element 1 shown in FIG. 10. A heating cartridge ( 19 ) is embedded in the sealing body 15 parallel to the longitudinal axis of the Dichtungsele element 1 . The commercially available heating cartridges consist of a metal jacket tube closed on one side, in which a heating coil and a temperature sensor are embedded by means of an electrically insulating compound. At the open end of the casing tube, the electrical connections for contacting or for transmitting measured values protrude. An additional groove 18 , which is provided at the second end 15 B of the sealing body 15 , can be equipped with an O-ring (not shown here).

Claims

1. Sealing element, characterized in that the sealing body ( 3 , 15 ) is elastic and provided with means ( 2 , 11 , 12 , 13 , 17 , 19 ) for heating.

2. Sealing element according to claim 1, characterized by a spiral spring ( 2 ), which serves as a heating element and is bent into a C or O shape, that the ends ( 2 A, 2 B) of the spring ( 2 ) as electrical connection elements serve, and on the surface of the entire spring ( 2 ) applied an insulating layer ( 5 S) or the spring ( 2 ) is directly surrounded by a C-shaped, insulating sleeve ( 5 H), to which the sealing body is completed ( 3 ) a C-shaped metallic jacket ( 4 ) directly connects.

3. Sealing element according to claim 2, characterized in that the sealing body ( 3 ) has an O-shape or a C-shape and is made of an elastomer that at least one heating conductor ( 11 ) is poured or vulcanized in sel bigen, the ends for electrical contacting are led out on both sides directly or in a lateral extension ( 1 A).

4. Sealing element according to claim 1, characterized in that the sealing body ( 3 ) made of a Ela stomer and a tube or a temperature-resistant hose ( 12 ) for the passage of superheated steam are embedded.

5. Sealing element according to claim 4, characterized in that the tube ( 12 ) made of an opposing material in the form of a Cr-Ni alloy and is provided for the direct passage of superheated steam or for electrical heating.

6. Sealing element according to claim 4, characterized in that in the sealing body ( 3 ) made of Ela stomer, a conductive plastic ( 13 ) is embedded, the elements with outwards, lateral connecting elements ( 14 ) inside the sealing body ( 3 ) or in a lateral approach ( 1 A) is contacted directly.

7. The sealing element according to claim 1, characterized in that the sealing body (3) stuffing as a blank is formed (15), in that a heating wire (17) placed in a spiral on the surface of the plug (15) guided in the groove (16) or Is embedded near the surface, both ends ( 17 A) at the first end ( 15 A) of the stopper ( 15 ) are guided to the outside.

8. Sealing element according to one of claims 1 to 7, characterized by a temperature sensor ( 100 ) which is connected to a control device with which the temperature within the sealing element ( 1 ) is adjustable to a defined value.