DE602004007443T2

DE602004007443T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Vermischen bzw. Bewegen von Komponenten, aufweisend einen flexiblen deformierbaren Behälter

Info

Publication number: DE602004007443T2
Application number: DE602004007443T
Authority: DE
Inventors: Dana John Billerica Hubbard
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2024-04-27
Also published as: US7377686B2; JP4434824B2; DE602004007443D1; US7891860B2; EP1512458B1; US20050063250A1; EP1512458A1; ES2289388T3; JP2005081346A; US20080130405A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Bewegung in einem Fluid gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, beispielsweise in der Form eines entsorgbaren Mischsystems, oder auf ein System, das zum Mischen von Komponenten oder zum Umrühren in der biopharmazeutischen Industrie geeignet ist.
Hintergrund
Die biopharmazeutische Industrie hat traditionellerweise rostfreie Stahlsysteme und Rohrleitungen bei ihrem Herstellungsprozeß verwendet, da sie durch Dampf sterilisiert und wieder eingesetzt werden können.
Die Kosten eines solchen Systems sind oft erheblich. Außerdem sind solche Systeme statisch, sind oft zusammengeschweißt und können nicht einfach rekonfiguriert werden.
Die Industrie hat begonnen, einen alternativen Lösungsweg zu erforschen, nämlich einzelne entsorgbare Kunststoffbeutel und Rohrleitungen, um den traditionellen rostfreien Stahl zu ersetzen. Dies sorgt für die Flexibilität, diese Systeme mit minimalen Kosten neu anzuordnen. Außerdem sind die Gestehungskosten mehrere Male geringer als die von rostfreiem Stahl, was eine Herstellung von Biopharmazeutika in kleineren Mengen ermöglicht und neue therapeutische Wirkstoffe verfügbar macht, die vor diesem Fortschritt wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen waren, und welche die Ausdehnung einer vertraglichen Herstellung solcher Produkte ermöglichen, oder wenn der Bedarf rasch zusätzliche Kapazität erfordert.
Ein Aspekt der entsorgbaren biopharmazeutischen Anlage war der Bioreaktor, der eine stetige Zufuhr von Gas und Nährstoffen sowie die Beseitigung von Abfallprodukten und ausgestoßenen Gasen benötigt. Außerdem hilft eine konstante Bewegung der Zellen in dem Reaktor bei der konstanten Durchmischung des Inhalts.
Ein System für einen Bioreaktor war die Verwendung eines großen Tisches, der mit Motoren oder hydraulischen Einrichtungen ausgestattet war, auf dem ein Bioreaktorbeutel angeordnet war. Die Motoren/hydraulischen Anordnungen schütteln den Beutel und sorgen für eine konstante Bewegung der Zellen. Außerdem hat der Beutel ein Gas- und Nährstoff-Zuführrohr und ein Abgas- und Abfallproduktrohr, welche die Zufuhr von Nährstoffen und Gasen, wie z.B. Luft für aerobe Organismen, sowie die Beseitigung von Abfall, wie ausgeatmete Gase, Kohlendioxid und dgl., ermöglichen. Die Rohre sind so angeordnet, dass sie mit der Bewegung des Beutels arbeiten, um eine gleichmäßige Bewegung der Gase und Fluide/Feststoffe zu ermöglichen. Siehe U.S. Patent 6 190 913 .
Ein solches System erfordert die Verwendung von kapitalintensiver Ausrüstung mit Komponenten, die verschleißanfällig sind. Außerdem ist die Größe des Beutels, der mit dem Tisch verwendet werden kann, durch die Größe des Tischs und die Hebefähigkeit seiner Motoren/Hydraulikeinrichtungen begrenzt.
Ein alternatives System verwendet einen langen flexiblen rohrartigen Beutel, dessen beide Enden an beweglichen Armen angebracht sind, so dass der Beutel nach dem Auffüllen nach unten von den beweglichen Armen in U-Form herabhängt. Die Arme werden dann alternierend in bezug aufeinander auf und ab bewegt, um eine Schüttelbewegung und eine Fluidbewegung innerhalb des Beutels zu bewirken. Falls gewünscht kann der mittlere Abschnitt eine Verengung enthalten, um eine bessere Mischwirkung zu erzielen.
Dieses System erfordert die Verwendung eines speziell geformten Beutels und einer hydraulischen oder einer anderen Hebeanlage, um die Bewegung der Flüssigkeit zu bewirken. Außerdem ist aufgrund von Gewichtserwägungen die Beutelgröße und das Beutelvolumen durch die Hebekapazität der Anlage und die Festigkeit des Beutels eingeschränkt.
WO 01/83004 A offenbart eine Vorrichtung zum Spenden eines Anti-Koagulans von einem flexiblen Behälter oder einem CPD-Beutel. Ziel der Spendevorrichtung ist eine kontinuierliche Dosierung in genauen Proportionen des Anti-Koagulans zu einer aufgesaugten Blutmenge. Die Vorrichtung umfasst einen druckbeaufschlagten Luftbeutel zur Abgabe des Anti-Koagulans, wenn die Vorrichtung Blut aufsaugt, aber nicht wenn sie Luft aufsaugt. Der Druckluftbeutel 31 wird entweder entleert, um entweder voll von dem CPD-Beutel entfernt zu sein, oder er wird aufgeblasen, um einen Druck auf den CPD-Beutel auszuüben. Der Zweck des Aufblasens des Luftbeutels besteht darin, die Abgabe der Flüssigkeit aus dem CPD-Beutel zu aktivieren oder zu deaktivieren, aber nicht das Fluid in dem Beutel zu mischen.
Was benötigt wird, ist eine kostengünstigere Vorrichtung, die nicht durch die Größe begrenzt ist, um die gleiche Funktion wie die bestehenden Vorrichtungen auszuführen, und die die Kapitalausgaben in Verbindung mit solchen Vorrichtungen eliminiert oder minimiert. Vorzugsweise ist diese Vorrichtung entsorgbar.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Bewegung in einem ersten Fluid bereit, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, und ein System und ein Verfahren zum Mischen von zwei oder mehr Komponenten mittels einer solchen Vorrichtung. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Abriss der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wendet einen oder mehrere Beutel an, die selektiv druckbeaufschlagt und entleert werden können, zusammen mit einem entsorgbaren Biobeutel, wie z.B. einem Fermentierer, einem Mischbeutel, einem Lagerbeutel und dgl. Der/die Druckbeutel kann/können einen ausgewählten Außenabschnitt des Beutels umgeben oder können in einem inneren Abschnitt eines solchen Beutels enthalten sein. Durch selektives Druckbeaufschlagen und Entleeren des/der Druckbeutel kann in dem Beutel eine Fluidbewegung erzielt werden, wodurch eine Zellsuspension, ein Mischvorgang und/oder eine Übertragung von Gas und/oder Nährstoffen/ Exkrementen innerhalb des Beutels ohne schädigende Scherkräfte oder Schaumbildung sichergestellt werden kann.
Vorzugsweise werden zwei der Druckbeutel an oder nahe den gegenüberliegenden Enden des Beutels eingesetzt. Jeder Druckbeutel hat einen Einlaß und einen Auslaß, die selektiv geöffnet oder geschlossen werden können. Eine Luftzufuhr ist am Einlaß des Druckbeutels vorgesehen. Optional ist eine Vakuumzufuhr am Auslaß vorgesehen. Wenn ein Druckbeutel durch Schließen des Auslasses und öffnen des Einlasses aufgeblasen wird, wird der andere durch Schließen des Einlasses und öffnen des Auslasses entleert. Dieses Aufblasen/Entleeren bringt einen Druck an einem Ende des Beutels auf, was das Fluid an diesem Ende komprimiert und es zu dem Ende bewegt, an dem der Druck geringer ist. Durch Alternieren des Aufblasens/Entleerens in den gegenüberliegenden Druckbeuteln erhält man eine Wellen- oder Hin- und Herbewegung des Fluids im gesamten Beutel.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
2 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
3 die Ausführungsform von 2 im Einsatz,
4 eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
6 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
7 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
8 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
9 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
10 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht,
11 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht, und
12 eine Steuereinheit für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Sie besteht aus einem Beutel 2, der ein Fluid 4 enthält. Das Fluid kann eine Zellsuspension, eine Fermentationsbrühe oder irgend eine andere Flüssigkeit sein. Um den Abschnitt 6 des Beutels 2 herum positioniert befindet sich ein Druckbeutel 8. Wie gezeigt ist, befindet sich der Druckbeutel 8 an einem Ende des Beutels 2. Er könnte auch wunschgemäß nahe der Mitte oder in der Mitte oder am anderen Ende des Beutels 2 positioniert sein. Alternativ, und wie nachstehend beschrieben wird, kann/können der/die Druckbeutel 8 im Inneren des Beutels 2 enthalten sein.
Der Druckbeutel 8 hat einen Einlaß 10 und einen Auslaß 12. Vorzugsweise hat zumindest der Einlaß 10 ein Ventil 14, um selektiv den Einlaß 10 gegenüber der Zufuhr eines druckbeaufschlagten Fluids 16 abzusperren. Vorzugsweise ist die Zufuhr 16 druckbeaufschlagten Fluids Luft oder irgendein anderes Gas, obwohl es sich bei einigen Anwendungen um eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein anderes Hydraulikfluid handeln könnte.
Der Beutel 2 enthält auch einen Einlaß 18 und einen Auslaß 20, die vorzugsweise entweder mit einem sterilen Filter oder einem geschlossenen sterilen System (nicht dargestellt) verbunden sind.
Zur Anwendung des Systems wird der Beuteleinlaß 18 geöffnet und eine Flüssigkeit 4 und/oder Gase eingeleitet, wie z.B. Mikroben enthaltende Flüssigkeit und eine Nährstoffzufuhr im Fall eines Bioreaktors. Solche Fluide sind bekannt und können ein wässeriges Medium und eine oder mehrere Zelllinien zur Fermentation und zum Wachstum umfassen. Ein solches Fluid ist ein E.coli enthaltendes Fluid, das aus einem Gewebezell-Kulturmedium, Vitaminen und anderen Nährstoffzusätzen hergestellt ist. Andere Anwendungen können die Weinherstellung, Bierherstellung, das Mischen großer Volumen von Komponenten wie z.B. Pulvern in eine Flüssigkeit oder zwei vermischbare Flüssigkeiten und dgl. aufweisen. Die eingeleitete Flüssigkeitsmenge ist typischerweise geringer als das Volumen des Beutels 2 selbst. Typischerweise wird von der Flüssigkeit 4 etwa 90%, vorzugsweise zwischen etwa 20 bis 80% des Volumens des Beutels 2 aufgenommen. In einen Teil oder in das gesamte verbleibende Volumen kann je nach Wunsch ein Gas eingeleitet werden. Bei den meisten Ausführungsformen sollte das Flüssigkeits-/Gasvolumen in dem Beutel 2 geringer sein als das Gesamtvolumen des Beutels 2. In einigen Fällen kann es gleich dem Restvolumen des Beutels 2 sein, um einen relativ steifen Behälter zu schaffen.
Der Beuteleinlaß 18 und -auslaß 20 kann entweder geschlossen oder offen gelassen werden, vorausgesetzt, sie befinden sich in einem geschlossenen System oder sind mit einem Sterilisierungsfilter (nicht gezeigt) versehen, um die Bewegung von Verunreinigungen wie Bakterien oder Viren in den Beutel 2 oder die Bewegung von Bestandteilen in dem Beutel 2 aus dem Beutel 2 heraus, wie z.B. Aerosole oder dgl., zu verhindern.
Der Druckbeutel 8 wird anfänglich entleert. Der Auslaß 12 wird geschlossen und der Einlaß 10 für die Zufuhr 16 druckbeaufschlagten Fluids über das Ventil 14 geöffnet. Der Druckbeutel 8 wird aufgeblasen und komprimiert den Bereich 6 des Beutels 2, der ihn umgibt. Dies bewirkt, dass sich das Fluid 4 in dem Beutel 2 zu dem gegenüberliegenden Ende 22 des Beutels 2 hin bewegt. Wenn ausreichend Druck erreicht ist, wird das Einlassventil 14 geschlossen und der Auslaß 12 geöffnet, um den Druck abzulassen, was bewirkt, dass sich das Fluid 4 zu dem den Druckbeutel 8 enthaltenden Bereich 6 zurückbewegt.
2 zeigt eine Ausführungsform, bei der zwei Druckbeutel 8A und 8B eingesetzt werden. Sie arbeiten sequentiell, so dass bei aufgeblasenem Beutel 8A der Beutel 8B entleert wird und umgekehrt.
3 zeigt die Ausführungsform von 2 im Einsatz. Der Druckbeutel 8A ist aufgeblasen worden und der Druckbeutel 8B entleert worden. Die Flüssigkeit 4 ist bei ihrer Bewegung zum Ende des den Druckbeutel 8B enthaltenden Beutels dargestellt. In dieser Figur sind auch die Sterilisierungsfilter 24 oder der Einlaß 18 und Auslaß 20 des Beutels 2 dargestellt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Druckbeutel 30 befindet sich unter einem Abschnitt des Beutels 2. In diesem Fall ist er an oder nahe dem linken Ende des Beutels 2 dargestellt. Er kann sich auch an oder nahe dem rechten Ende oder in der Mitte befinden. Zusätzliche Druckbeutel 30 können ebenfalls eingesetzt werden, wie z.B. einer an oder nahe dem Ende des Beutels 2.
Der Einlaß 32 und Auslaß 34 des Druckbeutels 30 wirkt auf die gleiche Weise wie in den 1 bis 3, um den Druckbeutel 30 alternierend aufzublasen und zu entleeren, was eine Bewegung des Fluids 4 in dem Beutel 2 bewirkt.
Falls nötig können bestimmte Mittel zum Sichern des Druckbeutels 30 an dem Beutel vorgesehen sein, um dessen Wegbewegung von dem Beutel (nicht gezeigt) zu verhindern. Als Befestigungsmittel können Bänder, Haken und Schleifen-Befestigungsbänder, Klebemittel, Hitzeversiegelung und dgl. angewandt werden.
5 zeigt eine Ausführungsform von 4, die zwei Druckbeutel 30A und 30B einsetzt. Der Beutel 30A ist aufgeblasen und 30B entleert dargestellt. Durch alternierendes Aufblasen/Entleeren der beiden Beutel 30A und 30B wird eine Wellenbewegung in dem Beutel 2 und in dem darin enthaltenden Fluid 4 erzeugt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Druckbeutel 40 über dem oder seitlich des Beutels 2 statt um ihn herum oder darunter angeordnet ist. In diesem Fall ist der Druckbeutel 40 an einer unbeweglichen Platte 42 befestigt, so dass die ganze auf den Druckbeutel 40 aufgebrachte Kraft zu dem Beutel 2 hin gerichtet ist. Eine solche Platte 42 kann ein Metall-, Kunststoff- oder Holz-Träger oder eine an einer Wand, einem Rahmen oder dgl. befestigte Platte sein. Wie bei den obigen anderen Ausführungsformen kann mehr als ein Druckbeutel 40 in einem solchen System verwendet werden, vorzugsweise an unterschiedlichen Stellen entlang der Länge des Beutels 2.
7 zeigt eine Variation der Ausführungsform der 6, bei der Druckbeutel 40A und 40B an Platten 42A bzw. 42B am Ende des Beutels 2 angebracht sind. Wie gezeigt ist, bewirkt das Aufblasen eines Beutels, in diesem Fall 40A, eine Fluidbewegung zu dem anderen Ende, wo der Beutel 40B entleert wird. Ein alternierendes Aufblasen/Entleeren der Beutel 40A und 40B bewirkt die Bewegung des Fluids 4 in dem Beutel.
8 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist der Druckbeutel 50 in dem Beutel 2 enthalten. Der Einlaß und der Auslaß 12 des Druckbeutels 50 befinden sich vorne über Öffnungen in der Beutelwand, die eine flüssigkeitsdichte Dichtung um den Einlaß 10 und den Auslaß 12 bilden.
9 zeigt eine Ausführungsform, die ähnlich derjenigen der Ausführungsform von 8 ist, die aber zwei Druckbeutel 50A und 50B aufweist.
10 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Druckbeutel 60 einen zentralen Teil des Beutels 2 bildet. Eine Leitung 62 ist durch den Beutel 60 ausgebildet, um eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Abschnitt 64 des Beutels 2 und dem zweiten Abschnitt 66 herzustellen. Vorzugsweise ist die Außenfläche des Druckbeutels 60 permanent an der Innenwand des Beutels 2 befestigt, so dass das Aufblasen/Entleeren dazu tendiert, seine Bewegung zum Zentrum des Beutels 2 hin zu konzentrieren. Zwischen den Abschnitten 64 und 66 wird durch das Aufblasen/Entleeren des Druckbeutels 60 Fluid bewegt. Außerdem kann mittels einer Verengungsstelle in Form einer Leitung 62 eine Durchmischung des Fluids bei dessen Passieren durch die Leitung erreicht werden. Dies kann durch Anwendung von Flügeln (nicht gezeigt) in der Leitung 62 verstärkt werden, so dass ein statisches Mischgerät erzeugt wird. Optional können ein oder mehrere zusätzliche Druckbeutel (nicht gezeigt) ähnlich den 1 bis 9 hinzugefügt werden, um die Fluidbewegung zu verstärken.
11 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei umgibt der Druckbeutel 70 einen mittleren Abschnitt des Beutels 2, und wenn er aufgeblasen wird, drückt er Fluid 4 zu den Enden hin. Beim Entleeren bewegt sich das Fluid 4 zurück zu der Mitte und zum gegenüberliegenden Ende. Diese Ausführungsform schafft einen hohen Grad an Durchmischung und Turbulenz, und ist besonders nützlich bei einer Mischanwendung.
Eine zusätzliche Anwendung für das System der vorliegenden Erfindung ist eine Pumpe oder ein druckgeregeltes Zuführgefäß für die flüssige Innenseite. Wenn das Fluid an einer anderen Stelle in den Beutel gepumpt werden soll, beispielsweise zum Speichern oder zur weiteren Bearbeitung, können die Druckbeutel und ein Ventil am Ausgang des Beutels verwendet werden, um selektiv einen kleinen Teil, den Großteil oder die Gesamtheit des Fluids aus dem Auslaß des Beutels zu drücken. Desgleichen können die Druckbeutel, wenn Fluid in dem Beutel zu filtern ist, zur Erzeugung eines konstanten Drucks auf das Fluid innerhalb des Beutels verwendet werden, und sie können dann das druckbeaufschlagte Fluid von dem Beutel durch dessen Auslaß zu einem Einlaß eines Filters leiten. Auf diese Weise wird die Notwendigkeit einer Pumpe bei diesem Entsorgungsprozeß eliminiert. Der Druck in den Druckbeuteln sowie das Fluid können nach Bedarf überwacht und eingestellt werden, um das Fluid, wenn es gefiltert wird, mit dem richtigen Druck zu beaufschlagen.
Die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten Beutel können die typischerweise in der Biopharmaindustrie für Bioreaktoren, Fermentationsmittel, Lagerbeutel und dgl. eingesetzten sein. Solche Beutel sind von verschiedenen Zulieferern wie z.B. Stedim SA aus Frankreich und Hclone of Logan, Utah, erhältlich. Diese Beutel reichen in der Größe von einigen Litern bis 2000 Liter oder mehr. Sie sind typischerweise aus einer mehrschichtigen Kunststoffschicht (extrudiert oder laminiert) hergestellt, wie z.B. Polyethylen, Polypropylen, EVA-Copolymere, EVOH, PET, PETG, spezielle oder proprietäre Polymere wie z.B. die von Hyclone erhältliche HyQCX5-14-Schicht, die eine gemeinsam extrudierte Mehrfachschicht mit einer Außenschicht aus einem Elastomer ist, einer EVOH-Sperrschicht und einer Produktkontaktschicht aus Polyethylen mit ultraniedriger Dichte, Mischungen von Polymeren und dgl. Das/die ausgewählte(n) Polymer(e) werden für die gewünschte Kombination aus Reinlichkeit, Festigkeit und Sichtbarkeit gewählt.
Der/die Druckbeutel können aus den gleichen Materialien wie die Beutel gefertigt sein und können auf die gleiche Weise z.B. durch Blasformen, Hitzeversiegeln der Nähte von flachen Schichten miteinander hergestellt sein, um einen Beutel und dgl. zu bilden. Wenn die Druckbeutel außerhalb des Beutels verwendet werden, ist das Problem der Sauberkeit nicht so wichtig ist. Die Schlüsselattribute der außerhalb befindlichen Druckbeutel sind Festigkeit, Elastizität (um dem wiederholten Aufblasen/Entleeren zu widerstehen) und Kosten. Wenn diese Beutel wiederzuverwenden sind, kann die Anwendung elastomerer Materialien in Betracht kommen, wie Gummis (natürliche oder synthetische [Nitril, Neopren und dgl.]), Elastomere wie Styrol-Butadien-Styrol-Copolymere (SBS-Copolymere), thermoplastische Elastomere wie SANTOPRENE^®-Harz, erhätlich von Advanced Elastomer Systems aus Akron, Ohio und dgl. Wenn sie innerhalb der Beutel eingesetzt werden und daher mit dem Produkt in Kontakt stehen, sollten die Druckbeutel aus den gleichen Materialien wie die Beutel selbst hergestellt werden, um die Sauberkeit zu bewahren.
Wie oben beschrieben wurde, können die Druckbeutel mit Luft, anderen Gasen oder Fluiden aufgeblasen werden. Das gewählte Medium hängt von dem Benutzer und der üblichsten verfügbaren Quelle ab. Die meisten Fabriken haben integrierte Luft- und Vakuumleitungen, und diese sind diejenigen, die am typischsten bei dieser Anwendung eingesetzt werden.
Druckregler können bei einigen Installationen benötigt werden, um den Druck der Luft in den Beuteln innerhalb eines eingestellten Sollbereichs zu halten, um eine Beschädigung an dem Beutel durch zu festes Aufblasen zu vermeiden, oder um ein zu schwaches Aufblasen des Beutels zu verhindern. Der in einem gegebenen Beutel angewandte Druck variiert je nach der Festigkeit des Beutels, dem gewünschten Umfang an Kompression oder Bewegung des Beutels und der verfügbaren Druckquelle. Typischerweise liegt der Druck zwischen etwa 34,47 kPa und 689,47 kPa (5 psi bis 100 psi), noch typischer zwischen etwa 68,94 kPa bis etwa 551,58 kPa (10 psi bis etwa 80 psi).
Gegebenenfalls, kann die Anwendung eines Vakuums am Auslaß des Druckbeutels bei dem schnellen Entleeren des Beutels helfen, wenn dies gewünscht wird. Dies ist zwar nützlich, ist aber bei der vorliegenden Erfindung nicht notwendig. Ein einfaches Druckminderungsventil ist alles, was benötigt wird, wenn die Bewegung des Fluids in der Tasche von dem aufgeblasenen Ende zu dem entleerten Ende zusätzliches Gewicht (des sich bewegenden Fluids in dem Beutel) gegen den sich entleerenden Druckbeutel aufbringt, um bei einer Entleerung zu helfen.
Wenn eine Flüssigkeit wie Wasser oder Hydraulikfluid verwendet wird, können Pumpen eingesetzt werden, um den gewünschten Druck zu liefern und die gewünschte Menge an druckbeaufschlagtem Fluid von den Druckbeuteln zu entfernen, wenn dies benötigt wird. Jede üblicherweise in der pharmazeutischen oder Nahrungsmittelindustrie verwendete Pumpe kann eingesetzt werden, wie z.B. Kolbenpumpen, Rotationspumpen, peristaltische Pumpen und dgl.
Die Anzahl von Aufblas-/Entleerungszyklen pro Minute oder Stunde hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Einige Anwendungen, wie z.B. das Durchmischen, erfordern eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Flüssigkeit in dem Beutel und erfordern daher einen oder mehrere Aufblas-/Entleerungszyklen pro Minute. Oft reicht bei solchen Anwendungen der Beutelaufblas-/Entleerungszyklus von einem (1) bis zu etwa dreißig (30) Zyklen pro Minute. Am anderen Extrem, bei dem nur eine geringfügige Bewegung der Flüssigkeit erforderlich oder erwünscht ist, kann der Aufblas-/Entleerungszyklus in der Größenordnung von etwa einem (1) bis sechzig (60) Zyklen pro Stunde liegen. Bei andere Anwendungen wie z.B. dem Mischen von Komponenten, die einer Scherbelastung und/oder Schaumbildung widerstehen, können die Zyklen auf Wunsch noch schneller sein als die oben beschriebenen.
Außerdem kann der Aufblas-/Entleerungszyklus mit anderen Funktionen des Beutels gekoppelt werden, wie z.B. der Zufuhr von Nährstoffen oder der Gaszufuhr und bei Entfernung von Abgasen, Exkrementen und Bioprodukten. Das Timing des Einleitens des Gases, der Nährstoffe und dgl. kann mit der Bewegung des Beutels durch den Druckbeutel vorgenommen werden, so dass die Flüssigkeitsbewegung einen Sog oder ein Druckdifferential an dem Gas-/Nährstoff-Einlaß zu dem Beutel erzeugt, um dazu beizutragen, die gewünschte Menge nach Erfordernis in dem Beutel zu saugen. Desgleichen kann das Druckgefälle am Auslaß so arbeiten, dass verbrauchte Atmungsgase ausgestoßen werden, oder die Probenahme einer Flüssigkeitsprobe zum Testen ermöglicht wird, oder ein Teil der Flüssigkeit entfernt wird, um Exkremente und dgl. zu beseitigen.
Das Auffüllen/Entleeren kann manuell oder automatisch vorgenommen werden. Es wird bevorzugt, dass das System automatisiert ist, um Laborkosten zu verringern und eine wiederholte Genauigkeit sicherzustellen. Ein solches System ist in 12 gezeigt. Hierbei überwacht eine Steuereinheit 100 einen Parameter der Druckbeutel 102A und B, wie z.B. die Aufblaszeit oder Entleerungszeit, den Druck und dgl. Wenn der Parameter in einem Beutel, beispielweise der Druck in 102B, einen eingestellten unteren Pegel oder Null erreicht, stoppt die Steuereinheit das Aufblasen des Beutels 102A, beginnt den Beutel 102B durch Druckzufuhr 104 aufzufüllen und beginnt den Beutel 102A durch die Abgasleitung 106, die mit dem bevorzugten Abgasventil 108 dargestellt ist, zu entleeren. Ebenfalls dargestellt ist ein Druckmonitor 110 für die Beutel sowie ein Messgerät zum Anzeigen der Anzahl von Zyklen pro gegebener Zeiteinheit (Minuten oder Stunden). Falls gewünscht, kann die Steuereinheit ein PID-Kontroller oder ein Computer sein. Es kann wunschgemäß auch Software in das System aufgenommen werden, um größere Flexibilität und Steuermöglichkeit zu bieten.
Die Verwendung von steuerbaren Ventilen, wie z.B. pneumatisch gesteuerten Ventilen oder Solenoidventilen an den Einlässen und Auslässen der Beutel 102A und B ermöglichen es der Steuereinheit 100, wirksamer zu arbeiten. Es kommen aber auch andere Mittel zum Steuern des Auffüllens/Entleerens der Beutel 102A und B in Betracht. Beispielsweise könnte ein einfacher Restriktor mit langsamer Abgabe am Auslaß der Beutel 102A und B verwendet werden, der mit einer langsameren Rate entleert wird als die Luft dem Beutel zugeführt wird, um dessen Aufblasen zu ermöglichen, wenn es gewünscht wird. Es wird einfach der Luftdruck vom Einlaß eines Beutels zum anderen geschaltet, basierend auf der Entleerungsrate des Restriktors, wodurch der Aufblas-/Entleerungszyklus auf diese Weise gesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein einfaches System zum Bewegen einer Flüssigkeit auch in großen Volumen in einem entsorgbaren System bereit. Sie ermöglicht die Erzielung der angemessenen Bewegung und/oder Durchmischung von Komponenten je nach Wunsch ohne die Notwendigkeit einer kapital- und wartungsintensiven Ausrüstung, wie z.B. Rütteltische oder hydraulische Hebezeuge oder Krane. Sie nutzt auch übliche Luft-/Vakuum-Zuführeinrichtungen in Fabriken. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wurde zwar zur Anwendung in der biopharmazeutischen Industrie vorgesehen, es ist aber klar, dass die Vorrichtung auch Anwendungen auf anderen Gebieten hat, wie z.B. Bierbrauen, Weinherstellung, Mischen von gefährlichen Komponenten, Farben, Epoxyharzen und dgl. in entsorgbaren Beuteln.

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen einer Bewegung in einem ersten Fluid, mit: einem Beutel (2) mit einem Innenvolumen zum Aufnehmen des ersten zu bewegenden Fluids, einem oder mehreren Druckbeutel(n) (8; 8A, B; 30; 30A, B; 40; 40A, B; 50; 50A, B; 60; 70; 102A, B) angrenzend an den Beutel (2), wobei der eine oder die mehreren Druckbeutel einen Einlaß (10; 32) und einen Auslaß (12; 34) aufweist/aufweisen, wobei mindestens der Einlaß des einen oder der mehreren Druckbeutel mit einer Quelle eines druckbeaufschlagten zweiten Fluids (16; 104) verbunden ist und selektiv geöffnet und geschlossen werden kann, und einem oder mehreren Ventil(en) (14), die auf den Einlaß (10; 32) und/oder den Auslaß (12; 34) des einen oder der mehreren Druckbeutel einwirken, um das selektive Aufblasen und Entleeren des einen oder der mehreren Druckbeutel zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass das eine oder die mehreren Ventil(e) (14) einen Restriktor zur langsamen Freigabe ("slow release restrictor") am Auslaß des/der Druckbeutel(s) (102A, B) umfaßt/umfassen, oder aus der aus solenoidbetätigen und pneumatisch betätigten Ventilen bestehenden Gruppe ausgewählt ist/sind, um auf den Einlaß (10; 32) und/oder Auslaß (12; 34) des einen oder der mehreren Druckbeutel so einzuwirken, dass der eine oder die mehreren Druckbeutel alternierend aufgeblasen und entleert werden, um eine Wellenbewegung in dem ersten Fluid in dem Beutel (2) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren Druckbeutel (8; 8A, B; 30; 30A, B; 40; 40A, B; 50; 50A, B; 60; 70; 102A, B) an einen äußeren Abschnitt des Beutels (2) angrenzen und/oder in dem Volumen des Beutels (2) enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Druckbeutel mindestens zwei an der Zahl sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei zwei der Druckbeutel (8A, B; 30A, B; 40A, B; 50A, B; 102A, B) an einander entgegengesetzten Enden des Beutels (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens einer der Druckbeutel (60; 70) sich an einer zentralen Stelle des Beutels (2) befindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei einer oder mehrere der Druckbeutel (40; 40A, B) an einen äußeren Abschnitt des Beutels (2) und an einen feststehenden Punkt (42; 42A, B) auf einer Seite des jeweiligen Druckbeutels (40; 40A, B), die der Seite des Beutels (2) gegenüberliegt, angrenzt/angrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei mindestens einer der Druckbeutel (60) in dem Volumen des Beutels an der zentralen Stelle enthalten ist und der Druckbeutel (60) eine Leitung (62) durch den Druckbeutel enthält, um eine Fluidströmung von einem Ende (64) des Beutelvolumens zu dem anderen (66) über die Druckbeutelleitung (62) zu ermöglichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das druckbeaufschlagte Fluid aus der aus Luft, Gasen und Flüssigkeiten bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das druckbeaufschlagte Fluid eine aus der aus Wasser und Hydraulikfluiden bestehenden Gruppe ausgewählte Flüssigkeit ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Beutel (2) einen Einlaß (18) und einen Auslaß (20) hat, und der Einlaß (18) und der Auslaß (20) selektiv geöffnet und geschlossen werden können.
System zum Mischen zweier oder mehrerer Bestandteile, von denen mindestens einer in flüssiger Form vorliegt, mit: einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Bewegung in einem Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zu mischenden Bestandteile in dem Volumen des Beutels (2) aufgenommen sind bzw. werden, und einer Steuereinheit (100), die mindestens mit dem Ventil (14) verbunden ist, welches auf den Einlaß der Druckbeutel einwirkt, um das Ventil (14) zum selektiven Öffnen und Schließen des Einlasses (10) zu betätigen, um die Druckbeutel alternierend aufzublasen und zu entleeren, um eine Wellenbewegung in den im Volumen des Beutels (2) aufgenommenen Bestandteilen zu erzeugen.
Verfahren zum Mischen zweier oder mehrerer Bestandteile, von denen mindestens einer in flüssiger Form vorliegt, mittels der Vorrichtung zum Erzeugen einer Bewegung in einem Fluid nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend: Füllen der zu mischenden Bestandteile in das Innenvolumen des Beutels (2) der Vorrichtung, selektives Einbringen druckbeaufschlagten Fluids in mindestens einen der einen oder mehreren Druckbeutel der Vorrichtung, so dass die Druckbeutel alternierend aufgeblasen werden, und selektives Stoppen der Zufuhr druckbeaufschlagten Fluids zu dem/den Druckbeutel(n), um eine Wellenbewegung der Bestandteile in dem Volumen des Beutels (2) zu erzeugen.