DE8423210U1

DE8423210U1 - Vorrichtung zur blasenfreien Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kulturmedien zur Vermehrung von Gewebekulturen

Info

Publication number: DE8423210U1
Application number: DE19848423210
Authority: DE
Original assignee: GESELLSCHAFT fur BIOTECHNOLOGISCHE FORSCHUNG MBH (GBF) 3300 BRAUNSCHWEIG DE
Current assignee: GESELLSCHAFT fur BIOTECHNOLOGISCHE FORSCHUNG MBH (GBF) 3300 BRAUNSCHWEIG DE
Priority date: 1984-08-03
Filing date: 1984-08-03
Publication date: 1986-08-14

Description

Vorrichtung zur blasenfreien Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere \on Kulturmedien zur Vermehrung von Gewebekulturen

Die Erfindung betrifft deine Vorrichtung zur blasenfreien Begasung vsn Flüssigkeiten, insbesondere von Kulturmedien zur Vermehrung von Gewebekulturen gemäö dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Die Begasung von Flüssigkeiten dient dem Eintrag und der Desorption von Gasen. Insbesondere bei der Vermehrung von tierischen Zellen in Kulturmedien stellt die ausreichende Sauerstoff Versorgung und Kohlendioxid-Entsorgung ein Problem dar, wenn Zellzahlen von mehr als 10 Zellen pro ml Kulturmedium erreicht werden sollen. Da mit der sogenannten Oberflächenbegasung nur ein geringes Flüssigkeitsvolumen begast werden kann, ist man zu der sogenannten submersen Begasung übergegangen. Hierbei können zwar die geforderten Gastransportraten mit Lu£t oder reinem Sauerstoff erreicht werden, wobei es aber ai einer unerwünschten Schaumbildung an der Oberfläche des Mediums kommt. In

diesem Schaum tritt häufig eine flotation der Zellen oder auch von Mikrocarriern und damit eine Leistungsverminderung der Kultur auf.

zur Lösung dieser Probleme ist eine Methode bekannt geworden, bei der ein Gasaustausch über eine eingetauchte Membranfläche erfolgt. Hierbei wird die Begasung mit geschlossenen oder offenporigen Membranen durchgeführt, die in der durch einen Rührer bewegten Flüssigkeit angeordnet werden. Als nachteilig ist bei diesem Verfahren anzusehen, daß die Flüssigkeitsbewegung in vielen Fällen nur bedingt und mit sehr geringer Drehzahl möglich ist, da Gewebekulturen äußerst scherempfindlich sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eae -eine Vorrichtung zur blasenfreien Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kulturmedien zur Vermehrung von Gewebekulturen der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit/ der einfach und wirkungsvoll, eine möglichst gleichmäßige Verteilung von Gaseintrag und Gasdesorption ohne mechanische Beschädigung von Flüssigkeitsbestandteilen möglich ist.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig durch die im Kenn- J 25 zeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

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Bevorzugte Merkmale, die /Be ddie erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft weiterbilden, sind in den entsprechend nachgeordneten Ansprüchen genannt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltunge

der Vorrichtung wird eine gleichmäßige Flüssigkeitsbewegung an allen Stellen der Membran bzw. des Membrankorbs

und damit eine höhe Gfenzfläcnenerneuerungsgaschwir.digkeit infolge der Bewegung des Membrankorbs garantiert. Dabei finden sowohl der Gaseintrag als auch die Gasdesorption quasi homogen verteilt über das ganze Flüssigkeitsvolumen statt, ohne daß zusätzliche Mischorgane erforderlich sind. Die Gaszufuhr und die Gasabfuhr kann in vorteilhafter Weise ohne bewegte Abdichtungen über eine einfache Kopplung mit Hilfe von flexiblen Schläuchen erfolgen, wobei die Schläuche zugleich zur Aufhängung des Membrankorbs dienen. Der röhrenförmig gestaltete Membrankorb kann in vorteilhafter Weise in seiner Ausbildung leicht den besonderen Verhältnissen in Zellkulturen, z. B. Schleimbildung, Zellagglomeratbildung, angepaßt werden. Dies kann in günstiger Weise beispielsweise durch Änderung der Zahl und der Durchmesser der Membran-Hohlfäden problemlos vorgenommen werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann zur weiteren Verbesserung des Gasaustauschs vorgesehen sein, daß der Pendelbewegung des Membrankorbs eine Drehschwingungsbewegung auf ^

Vorzugsweise kann die Begasungsrate durch Änderung der Pendelfrequenz und/oder der Drehschwingungsfrequenz oder durch Änderung der Gaskonzentration des in den Membrankorb einströmenden Gases gesteuert werden.

Die Bewegung des Membrankorbs, die taumelnd, pendelnd und/oder drehschwingend bzw. pendelndkreisend ohne Rotation des Membrankorbs vorgesehen ist, kann beispielsweise über die Membrankorbaufhängung eingeleitet werden. Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Membrankorb einen Magnetkern aufweist, dem von einer außerhalb des zu begasenden Mediums vorgesehenen Magnetanordnung die Pendel- und/oder Drehschwingungsbewegung \ermittelt wird. \

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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem anschließenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung anhand eines schematisch dargestellten Beispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Untersuchungsbeispielen näher erläutert wird.

Der in der Figur dargestellte schematische Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 besteht aus einem unmagnetischen Behälter 12, auf dem ein Deckel 14 angeordnet ist, der gegebenenfalls in nicht dargestellter Weise befestigt und abgedichtet sein kann. Durch den Deckel 14 sind eine Gaseintrittsleitung 16 und eine Gasaustrittsleitung 18 geführt.

In dem Behälter 12 ist ein Membrankorb 20 angeordnet, der einen hohlzylinderförmigen Membranträger 22 besitzt, auf den Membranhohlfäden 24 schraubenartig aufgewickelt sind. Der Membrankorb 20 ist in eine sich in dem Behälter 12 befindende Flüssigkeit 26 vollständig eingetaucht und wird an seinem oberen Ende von elastischen Schläuchen 28 und 30 flexibel gehalten. Der Schlauch 28 ist mit der Gaseintrittsleitung 16 und einem Ende des aufgewickelten Membranhohlfadens 24 verbunden, während der Schlauch 30 das andere Ende des aufgewickelten Membranhohlfadens 24 mit der Gasaustrittsleitung 18 verbindet.

Im unteren Bereich des Membrankorbs 20 ist an dem Membranträger 22 drehfest ein Magnetkern 32 angebracht, der von einer Magnetanordnung 34 beaufschlagbar ist, die außerhalb des Behälters 12 angeordnet ist. Die Magnetanordnung 34 ist über eine nicht dargestellte Einrichtung linear hin- und herbeweg tar, um über den Magnetkern 32 dem Membrankorb 20 eine Pendelbewegung zu vermitteln. Diese lineare Bewegung erfolgt in einer derartigen Richtung, daß der Membrankorb 20 um eine durch die Aufhängungspunkte laufende Gerade pendelt.

Alternativ kann, die lineare Bewegung auch so eingeleitet werden, daß sie in einem bestimmten Winkel zu der genannten Geraden erfolgt, um der Pendelbewegung des Membrankorbs 20 auf Grund der Elastizität der Schläuche 28 und 30 eine zusätzliche Bewegungskomponente zu verleihen, die zur überlagerung mit einer Drehschwingungs bewegung führt. Andererseits kann die Magnetanordnung 34 durch eine nicht dargestellte Einrichtung auch unmittelbar zusätzlich in eine Drehschwingung versetzt werden, oder es ist möglich, die Pendel- und Drehschwingungs bewegung durch eine entsprechende Anordnung und Ansteuerung von Magneten zu erreichen.

Zur Untersuchung der Leistungsfähigkeit der schematisch dargestellten Vorrichtung wurde ein Membrankorb 20 herge-

stellt, auf dem ein Membranhohlfaden aus Accurel Typ PX 190/1/2/8366 mit einem Porenvolumen von 75 % und einer Porengröße von 0,3 μπι aufgewickelt worden war- Die Länge des Membranhohlfadens betrug 121 cm, die äußere Membranoberfläche 98,7 cm^J, und der Membranhohlfaden wurde mit reinem Sauerstoff bei einem überdruck von 30 mm WS von innen begast.

Der Membrankorb wurde in 1,3 1 destilliertes Wasser ei->getaucht und mit einer Auslenkung von 2,5 cm um die Mitte mit 60 Pendel-Drehschwingungen pro Minute durch einen unter dem Behälter angeordneten Magneten bewegt.

Messungen an dieser Vorrichtung ergaben, daß bei einer Temperatur von 25 ⁰C eine SauerstoffÜbertragungsrate OTR von 56 mg O2/ (l*h) ohne Austreten von Sauerstoffblasen aus der Membranoberfläche erreicht werden konnte. Dies entspricht einem spezifischen Sauerstoffluß von Q_n von 0,57 mg O_/ (cm²*h). An der unbewegten Oberfläche wurde an der gleichen Vorrichtung ein Sauerstofiluß Q_Q

2
0,22 mg 0₂/(cm *h) gemessen.

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Die beschriebene Vorrichtung ist beispielsweise für die Züchtung von. Fibroblasten, z. B. der humanen diploiden Vorhautzellen (FS-4), geeignet, die einen spezifischen Sauerstoffbedarf q„. von 0,05 mmol 0-/(1O⁹ Zellen-h) oder

q 2
1,6 mg 0-/(10 Zellen-h) haben. Es wurde berechnet, daß

mit dieser Vorrichtung 3,5 · 10¹⁰ Zellen/l versorgt werden könnten.

Nachfolgend wird die Anwendung ι der Vorrichtung in einem anderen Beispiel beschrieben. Eine Zellkultur mit primären menschlichen Leukozyten mit einer

Zellzahl η von 4,5 · 10 Zellen/l und einem anfänglichen

9 spezifischen Sauerstoffbedarf q_Q von 4,3 mg O₃/(10 Zellen • h) wurde bei 37 ⁰C in einem Kulturmedium RPMI 164 0 und einigen prozeßbedingten Zusätzen bei einer Pendelzahl von 60 Schwingungen/min und einem SauerstoffÜberdruck von 30 mm WS behandelt. Dabei wurde eine SauerstoffÜbertragungsrate OTR von 38 mg 0_/(l-h) bei blasenfreier Begasung erreicht. Dieser Wert übersteigt den notwendigen Wert um 18,5 mg O./d'h). Um die Sauerstoffübertragungsrate auf den Bedarf von 19,5 mg 0-/(1-h) zu verringern, wurde eine einfache Absenkung der Pendelzahl vorgenommen.

Eine bedarfsabhängige Steuerung der Sauerstoffversorgung kann auch durch eine Veränderung der Gaskonzentration im einströmenden Gas erreicht werden. Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wurde beispielsweise eine Regelung vorgenommen, bei der ein Sollwert von 10 % Luftsättigung derart aufrecht erhalten wurde, das durch die Membran ein kontinuierlicher Luftstrom von 1 Nl/h geleitet wurde, dem im Bedarfsfall reiner Sauerstoff zugemischt wurde. Die Zumischung erfolgte mittels eines durch einen Zweipunkt-Regler gesteuerten Magnetventils, wobei der Istwert der Luftsättigung im Medium mit einer Sauerstoffelektrode gemessen wurde.

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Die in der Zellkulturtechnik übliche Einstellung des pH-Wertes über ein Puffer-CO_-Gleichgewicht läßt sich durch Zumischen der notwendigen CO -Menge in das Eintrittsgas erreichen.

e- f <aie erfindungsgemäße Vorrichtung eigne^r sich auch in vorteilhafter Weise f Jr ein blasenfreies 3egasen von Mikrocarrier-Kultüren.

Ein Beispiel für ein vorteilhaftes Membranmaterial ist mikroporöses Polypropylen, beispielsweise Accurel .

Claims

\Vorrichtung zur blasenfreien Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kulturmedien zur Vermehrung von Gewebekulturen Ansprüche

1. Vorrichtung zu,· blasenfreien Begasung von Flüssigkeiten, insbesondere von Kulturmedien zur Vermehrung von Gewebekulturen, mit einem Gasaustausch über eine eingetauchte Membranfläche, gekennzeichnet durch einen röhrenförmigen, aus Membranhohlfäden (21) gebildeten Membrankorb (20), der flexibel in dem zu begasenden Medium (26) aufhängbar (28, 30) und pendelnd bewegbar (32, 34) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Membrankorb (20) an elastischen Schläuchen (28, 30) für die Zu- und Abfuhr von Gas aufgehängt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch

gekennzeichnet

daß der Membrankorb (20) einen

Magnetkern (32) aufweist, dem von einer außerhalb des zu begasenden Mediums (26) vorgesehen Magnetanordnung (34) die Pendel- und Drehschwingungsbewegung vermittelbar ist.