DE4134713A1 - Biotechnisches reaktionsgefaess - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein biotechnisches Reaktionsgefaß mit festen und beweglichen Einbauten zur Temperierung und Durchmischung sowie zur Hal­ terung von Sensoren und mit Stutzen für den Zu- und Ablauf des Reaktionsmediums, bestehend aus einem prismatischen oder zylindrischen Rohr, welches durch zwei Endplatten dicht verschließbar ist.

Reaktionsgefäße ähnlicher Bauart sind nicht nur auf die Nutzung in der Biotechnik beschränkt und sind daher aus Anwendungen im chemischen La­ bor in Vorrichtungen zur Titration (Prospekt der Firma Metrohm GmbH, Fil­ derstadt), als Hilfsmittel in der Polymerforschung (Prospekt der Firma IKA Jahnke und Kunkel GmbH, Staufen) oder eben in der Biotechnik (Prospekt der Firma Braun-Diessel, Melsungen) bekannt.

Reaktoren der beiden erstgenannten Anwendungen bestehen häufig aus einem Glasbehälter, der zur externen Temperierung meist doppelwandig ausgeführt ist, und mit einem Deckel verschlossen werden kann. Solche Deckel weisen eine begrenzte Zahl von Durchführungen auf, beispielsweise für eine Rühr­ welle, eine Dispergiereinrichtung oder für Meßfühler (Sensoren). Für Reak­ tionen in niedrig viskosen Medien (z. B. bei Titrationen) erfolgt die Durch­ mischung vielfach durch einen Magnetrührer. Zähe Medien erfordern eine kräftigere Rühreinrichtung, wobei spezielle Rührorgane gelegentlich nach der Art eines Schabers bis in die wandnahen Schichten wirken.

Insbesondere für die Biotechnik wurden spezielle Reaktionsbehälter entwickelt. Als Beispiele hierfür seien das biotechnologische Reaktionsgefaß aus der DE- PS 37 06 961 oder der Folienfermenter nach DE-PS 33 28 712 genannt. Ne­ ben der Durchmischung und Temperierung wird hier vor allem die Möglich­ keit gefordert, eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren (pH-Wert, Redox- Potential, Sauerstoffgehalt etc.) und ggf. weitere Sonden (z. B. Druck, Optische Dichte) unterzubringen. Beim Einsatz derartiger Reaktoren in der Biotechnik ist zwischen zwei Anwendungsfällen zu unterscheiden. Zum einen werden Reaktionen mit dem Ziel durchgeführt, eine möglichst große Menge von Mikroorganismen wachsen zu lassen (Fermentation oder Zellzüchtung). Dabei ist die Gestaltung des Reaktors eher zweitrangig, sofern die Füllmenge - das sogenannte Arbeitsvolumen - nur ausreichend groß ist. Andererseits sollen mit einer begrenzten Menge von Biokatalysatoren (Enzyme oder ganze Mikroorga­ nismen) Enzymreaktionen und ähnliche Abläufe verfolgt werden. In diesem Fall sollte das Arbeitsvolumen möglichst klein sein, um auch bei einem geringen Einsatz an Biokatalysatoren hinreichend große Änderungen in der Zusammensetzung des Reaktionsmediums messen zu können.

Bekannte Reaktoren (Fermenter) zur Erzeugung von Biomasse, die nach dem Prinzip eines Rührkesselreaktors aufgebaut sind, bestehen in der Regel aus einem vertikal angeordneten Behälter aus Glas oder Edelstahl. Die Durch­ mischung erfolgt mittels einer senkrecht stehenden Rührerwelle, die entweder durch den Boden oder den Deckel des Behälters führt. Für die Sensoren und sonstigen Armaturen sind senkrechte Stutzen im Deckel vorgesehen. In man­ chen Ausführungen findet man auch seitlich angeordnete schräg abwärts ge­ neigte Stutzen für derartige Einbauten. In jedem Fall aber kann bei solchen Konstruktionen wegen der vorgegebenen Anzahl und Größe der Sensoren ein Arbeitsvolumen von ca. 1 Liter nicht unterschritten werden. Allein durch Verkleinerung des Maßstabs herkömmlicher Baumuster läßt sich die zweite genannte Aufgabe nur unzureichend erfüllen, da bei den bekannten Reaktor­ ausführungen sowohl die Rühreinrichtungen als auch die Sensoren und alle sonstigen Einbauten vorwiegend in axialer Richtung ausgerichtet sind, und jedes dieser Elemente zur Befestigung und leichten Montage Platz bean­ sprucht, der weit über die Querschnittsfläche des eigentlichen Sensorschaftes hinausgeht. Insbesondere bei den Einschraubstutzen mit Überwurfmutter steht dem genormten Schaftdurchmesser von 19 mm ein erforderlicher Montage­ durchmesser von ca. 70 mm gegenüber. Bezogen auf den Schaftdurchmesser entspricht dies einer Flächenvergrößerung und damit näherungsweise auch einem Anstieg des Arbeitsvolumens um das Dreizehnfache. Übliche Reaktor­ typen, dazu zählen auch die zuerst genannten Universal-Rührreaktoren sind also nicht besonders kompakt gebaut.

In der Biotechnik wird größter Wert auf die Sauberkeit der Geräte gelegt. Die leichte Handhabung während der Reinigung ist also ein wichtiges Krite­ rium bei der Gestaltung von Bioreaktoren. Ein Bioreaktor, insbesondere im Laborbereich, sollte deshalb einfach zu zerlegen sein. Daneben wäre es wünschenswert, wenn die Sensoren an einem Reaktorbauteil montiert und vor Beschädigung geschützt bleiben könnten, während die übrigen Bauteile gerei­ nigt werden, zumal die Sensoren sehr viel behutsamer behandelt werden müssen als die übrigen Bauteile.

Daher bestand die Aufgabe, ein biotechnisches Reaktionsgefäß mit festen und beweglichen Einbauten zur Temperierung und Durchmischung zu schaffen, in welchem bei einem minimalen Arbeitsvolumen eine maximale Zahl von Sen­ soren untergebracht werden kann, wobei das Gerät möglichst leicht zerlegbar sein sollte, und die Sensoren während der Demontage zur Reinigung des Geräts in ihren Stutzen verbleiben können und dabei gleichzeitig gegen Beschädigung durch unachtsames Hantieren weitgehend geschützt sind.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Reaktionsgefäß durch die kennzeichnenden Merkinale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Erfindung lag die Idee zugrunde, die einzelnen Bauelemente eines Bio­ reaktors, bei denen es sich vorwiegend um schlanke, längliche Gebilde han­ delt, so anzuordnen, daß bei einer für die Herstellung, Funktion und Handhabung des Gerätes insgesamt vorteilhaften Konfiguration eine optimale Durchdringung der beteiligten Elemente vorliegt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die länglichen Bauelemente nicht wie bei herkömmli­ chen Reaktoren annähernd gleichgerichtet, sondern winklig versetzt und sogar senkrecht zueinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme lassen sich auch diejenigen Bestandteile sinnvoll voneinander trennen, denen insbesondere während der Reinigung eine durchaus unterschiedliche Behandlung zukommt.

In dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 1 und 2) wird ein zylindrischer Behälter dadurch gebildet, daß ein Rohr (1) zwischen zwei Endplatten (Deckeln) (2) unter Verwendung geeigneter Dichtungen ver­ schlossen ist. Die erforderlichen Dichtkräfte werden dabei von einer Gewinde­ stange (6) übertragen, die mittels einer Mutter (7) verspannt ist. Zur Befesti­ gung der beiden Endplatten kommen natürlich auch alle anderen Arten von Verspannungen wie beispielsweise Verschraubungen oder Schnellverschlüsse in Frage. Zu Beobachtungszwecken kann ein Deckel aus Glas bestehen.

Typische Sensoren in der Biotechnik wie pH- oder Redox-Potential-Sonden erfordern eine aufrechte oder bestenfalls geneigte Position. Neuerdings werden aber zunehmend auch lageunabhängige Sensoren angeboten. Die folgenden Ausführungen beschreiben das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß zwar in einer bevorzugten Lage, jedoch kann das Gefäß auch in beliebiger anderer Orien­ tierung eingesetzt werden.

In einer bevorzugten Orientierung des Reaktorbehälters erstreckt sich die Rohrachse in horizontaler Richtung. Von oben sind die schlanken Sensoren mittels passender Stutzen nebeneinander in den Mantel eingelassen (vgl. Fig. 1 und 2). Und zwar in der Weise, daß die eine Hälfte der insgesamt unter­ zubringenden Sensoren gerade so dicht nebeneinander liegt, wie es Montage und Betätigung der außerhalb des Behälterinnenraums liegenden Stutzen bzw. Überwurfmuttern eben zulassen. Die andere Reihe von Sensoren befindet sich um etwa den halben Abstand zwischen zwei Sensoren sowohl in axialer Rich­ tung als auch um einen gewissen Winkel in Umfangsrichtung versetzt. Wie in der Fig. 1 leicht zu erkennen ist, wird dadurch der Rohrinnenraum in mehrere Teilräume untergliedert, die sich in axialer Richtung erstrecken. Diese Kammern (im geometrischen Sinn) lassen sich nun erfindungsgemäß mit den Einrichtungen zur Durchmischung und Temperierung des Behälters vorteilhaft ausfüllen. Dadurch wird das Arbeitsvolumen des Reaktionsgefäßes weiter verringert.

Bei den Einrichtungen zur Durchmischung kann es sich um beliebige beid­ seitig oder vorzugsweise einseitig gelagerte Rührer handeln. Für die Temperierung kommen Heiz- bzw. Kühlschlangen in Frage oder, wie gezeich­ net, einseitig verschlossene Wärmetauschkörper, die in ihrem Innern beheizbar oder kühlbar sind oder von einem Medium durchströmt werden.

Diese Einrichtungen werden vorteilhaft auf einer der beiden Seitenplatten montiert. Somit besteht das Gerät im wesentlichen aus drei Komponenten: der einen Seitenplatte mit den Vorrichtungen zum Temperieren und Mischen, dem rohrförmigen Mittelteil mit den daran befestigten Sensoren und der zweiten Seitenplatte, in welcher die notwendigen Stutzen für den Zu- und Ablauf des Reaktionsmediums eingelassen sind (in den Fig. 1 und 2 nicht eingezeichnet).

Zum Reinigen des Geräts lassen sich diese Komponenten leicht voneinander trennen. Die empfindlichen Sensoren können zunächst in ihren Stutzen ver­ bleiben, während die robusteren Rühr- und Temperiereinrichtungen angemes­ sen kräftig, beispielsweise mittels Bürsten etc. gereinigt werden. Je nach Erfordernis kann das Mittelteil mit den montierten Sensoren komplett in eine Reinigungslösung gestellt, abgespült oder auf andere geeignete Weise behandelt werden.

Durch diese Konfiguration wird außer der Verringerung des Arbeitsvolumens also auch erreicht, daß das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß leicht zerlegbar ist und die einzelnen Bauteile den funktionellen Bestandteilen sinnvoll zuge­ ordnet sind.

Claims (5)

1. Biotechnisches Reaktionsgefäß (vgl. Fig. 1 und 2) mit festen und be­ weglichen Einbauten zur Temperierung (4) und Durchmischung (3) so­ wie zur Halterung von Sensoren (5) und mit Stutzen für den Zu- und Ablauf des Reaktionsmediums, bestehend aus einem prismatischen oder zylindrischen Rohr (1), welches durch zwei Endplatten (2) dicht ver­ schließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß geeignete Vorrichtungen zum Rühren (3) und Temperieren (4) in einer oder beiden Endplatten (2) gelagert bzw. einge­ lassen sind, während die in das Gefäß hineinragenden und durch passende Stutzen zu halternden Sensoren (5) in wenigstens zwei Reihen so auf dem Mantel des Rohres (1) angeordnet sind, daß sich die Sensorschäfte ab­ wechselnd kreuzen, wodurch diese Schaftreihen zusammen mit der inneren Rohrwand je nach Kreuzungswinkel und Lage des Kreuzungsmittelpunktes eine Mehrzahl von Lichträumen begrenzen, die sich in axialer Richtung erstrecken und in denen die vorgenannten Einrichtungen zum Temperieren und Rühren möglichst raumausfüllend untergebracht sind.

2. Reaktionsgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Achse des prismati­ schen bzw. zylindrischen Rohres und der Horizontalen von Null verschieden ist und vorzugsweise etwa 90 Grad beträgt.

3. Reaktionsgefäß nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (1) zwischen den beiden Endplat­ ten (2) durch eine zentrale Verschraubung bestehend aus Gewindestange (6) bzw. Stehbolzen und einer Mutter (7) verspannt ist.

4. Reaktionsgefäß nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zum Rühren (3) und Temperieren (4) in einer der beiden Endplatten eingelassen sind.

5. Reaktionsgefäß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Endplatte (2) mindestens je ein Stutzen (in Fig. 1 und 2 nicht eingezeichnet) für den Zu- und Ablauf des Reaktionsmediums vorgesehen ist, wobei diese Stutzen soweit oben bzw. un­ ten angebracht sind, daß das Reaktionsgefäß vollständig befüllt bzw. entleert werden kann.