EP0207103A1 - Installation and method for the culture and treatment of biocatalysts - Google Patents

Installation and method for the culture and treatment of biocatalysts

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Publication number
EP0207103A1
EP0207103A1 EP86900043A EP86900043A EP0207103A1 EP 0207103 A1 EP0207103 A1 EP 0207103A1 EP 86900043 A EP86900043 A EP 86900043A EP 86900043 A EP86900043 A EP 86900043A EP 0207103 A1 EP0207103 A1 EP 0207103A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reaction
reaction vessel
liquid
biocatalysts
flat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP86900043A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hermann Katinger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MBR Bio Reactor AG
Original Assignee
MBR Bio Reactor AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MBR Bio Reactor AG filed Critical MBR Bio Reactor AG
Publication of EP0207103A1 publication Critical patent/EP0207103A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/58Reaction vessels connected in series or in parallel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/34Internal compartments or partitions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/06Plates; Walls; Drawers; Multilayer plates
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/10Rotating vessel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/18Flow directing inserts
    • C12M27/22Perforated plates, discs or walls

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the cultivation and treatment of biocatalysts, such as cells, particles or soluble substances which influence chemical and / or biological reactions, in which a reaction vessel is arranged rotatably about its longitudinal axis and with at least one Reaction space is provided.
  • biocatalysts such as cells, particles or soluble substances which influence chemical and / or biological reactions
  • roller cultures essentially cylindrical bottles are provided which rest on rollers arranged on a frame which can be driven for the rotation of the bottles.
  • a solution is contained, for example, in US Pat. No. 4,238,568.
  • These bottles are partially filled with inoculated reaction liquid, the remaining bottle volume is filled with a gas, for example air, required for the reaction.
  • the rolling culture allows both the cultivation of suspension cells and cells which are anchored to the cylindrical inner surface of the roller bottles, but only in batch-wise cultivation method. It can be regarded as the standard technique for the culture of sensitive cells and is used for the routine cultivation of cells of all kinds in the laboratory. For the technological production or multiplication of animal cells, the technique of rolling culture is used by using up to thousands of roller bottles in order to enlarge the scale, the so-called "scale up" ; to achieve in multiple units.
  • the known rolling culture is disadvantageous in that it can only be operated in batches, i.e. that continuous cultivation or perfusion cultivation are not possible. This is also because a controlled ventilation of the bottle interior is not possible.
  • the enlargement of the operating scale, i.e. the scale up is limited to the use of multiples of the number of roller bottles.
  • immobilization of the cells i.e. an artificial enrichment of the cells beyond the natural equilibrium is not possible in a continuous culture.
  • the scale up of a single roller bottle in the conventional cylindrical form leads to an unfavorable ratio of the wettable surface to the effective volume of the liquid in the roller bottle, as a result of which the interphasial mass transfer is reduced.
  • the object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset which, in the case of a continuous cultivation and treatment method, enables a higher density of biocatalysts.
  • this object is achieved in that flat parts which extend towards the longitudinal axis thereof are arranged in the reaction vessel, that the supply of the reaction liquid is formed at one end of the reaction vessel and the discharge of the finished reaction product is formed at the same or other end of the reaction vessel and that the inside of the reaction vessel can be charged with gas.
  • Cells such as animal cells, plant cells, parasitic microorganisms, i.e. in vitro systems, which require a high mass transfer under physically mild, i.e. under largely stress-free conditions, are among the most important target groups for their cultivation or Treatment the subject invention is intended. It also enables biochemical conversion reactions that combine high demands on the combination of high interphasial mass transport with physically gentle conditions.
  • the present invention also combines the reaction-kinetic advantages of a tube reactor and the artificial enrichment of the biocatalyst necessary for the reaction, which makes it possible to achieve naturally existing equilibria to positively influence a reaction in favor of a higher production or conversion rate in the direction of an increased reactor space / time yield.
  • the present invention enables, in addition to the advantages of simple procedural procedures, a maximum adaptation to the type of biocatalytic reaction with cells or molecules.
  • the flat parts extending to the longitudinal axis advantageously consist of ring disks, as a result of which a surface enlargement is achieved without the cells or the like containing them being mechanically stressed.
  • the flat, radially inwardly directed parts can be formed by non-perforated annular disks, as a result of which uniform conditions are achieved over the entire circumference of the reaction vessel.
  • the flat, radially inward parts consist of separate segments arranged in a ring.
  • An expedient variant consists in that the flat, radially inward-facing parts are designed as helical conveyor strips. Because this screw conveyor is located inside the reaction vessel, it transports the liquid from one end of the reaction vessel to the other during rotation.
  • the reaction vessel can be divided in the area of the reaction liquid therein by non-perforated ring disks, whereby a division of the reactor interior into individual sections can be achieved.
  • the flat, radially inwardly directed parts can be designed for the surface absorption of the biocatalysts or the reaction liquid.
  • the flat, radially inwardly directed parts can be surface-modified.
  • the biocatalysts immobilizing coatings can be applied to these parts.
  • reaction Liquid can be supplied at several points along the longitudinal extent of the reaction vessel and / or the finished reaction product can be removed at several locations along the longitudinal extent of the reaction vessel, which means that the reactor can also be operated with partial filling.
  • Another form of immobilization of the cells or biocatalysts also lies in the fact that suspended carrier particles for the biocatalysts are arranged between the flat, radially inwardly directed parts in the reaction liquid.
  • biocatalysts mentioned that is to say the biophases, are retained in the reactor by physical forces such as gravity, centrifugal force or the like, while the liquid phases in the reactor are renewed.
  • all essential aspects for a specific process can be optimally designed and implemented in any operating sizes (scale up).
  • the cultivation and treatment of biocatalysts with the device according to the invention is carried out in such a way that the reaction liquid and the biocat introduced, the reaction vessel is set in rotation and the interior of the reaction vessel is continuously charged with reaction gas. After reaching the desired concentration of biocatalysts, further reaction liquid is expediently introduced and the finished reaction product is removed. Sometimes it is advantageous if the reaction liquid is introduced into the reaction vessel at several points and removed from the reaction vessel at several points, for example by suction. For the suction of the reaction product, one or more suction tubes are lowered into the reaction space or spaces between the ring disks. To mix the phases in the reaction vessel, the speed of rotation of the reaction vessel is expediently increased. The centrifugal force is used in this method. If the centrifugal force is sufficient, it is also possible to separate the denser phase containing the biocatalysts from the reaction liquid which has a lower density. For economic reasons, one can also ' connect several reaction vessels in series.
  • FIG. 1a shows the left part of the reaction vessel from FIG. 1 on an enlarged scale
  • FIG. 3 shows the section III-III from FIG. 2a, - 7 -
  • FIG. 11 shows an embodiment in which the sedimented carrier particles are shown schematically
  • FIG. 13 shows a view from the left of the solution according to FIG. 12.
  • the reaction vessel designates the reaction vessel, which in its interior has flat, radially inwardly directed parts 3 which are directed towards its horizontal longitudinal axis 1 'and are in contact with the wall of the vessel.
  • the flat, radially inwardly directed parts 3 are formed by ring disks 3a, b, c which, depending on the area of use of the device according to the invention, are correspondingly surface-modified. For example, they can be roughened or coated for good wettability or have special coverings on which the cells or biocatalysts are immobilized. As such coverings, nonwovens, pile, sponges or the like come into consideration, which are attached to the surface of the flat, radially inwardly directed parts 3.
  • the flat, radially inwardly directed parts 3 are in this case designed as perforated washers 3c, only one non-perforated washer 3a (see FIG. 2) being interposed.
  • the interior of the reaction vessel is subdivided in the area of the reaction liquid, since liquid does not pass through the unperforated annular disk 3a, while the perforated annular disks 3c can be used to exchange liquid between the individual reaction spaces 2.
  • the reaction vessel 1 is on paired Rol ⁇ len 4, by means of which it se about its horizontal Lijnsach ⁇ 1 1 is rotatable.
  • two pairs of rollers 4 are shown as support elements in the upper part of the reaction vessel 1. This construction with four pairs of rollers 4 is intended for the case in which one wants to use high speeds for the rotation of the reaction vessel 1 in order to be able to use the centrifugal force.
  • the reaction vessel is open at its ends, as a result of which it has the character of a so-called tube reactor. Gas and nutrient solution can be introduced via one opening 5 and the finished reaction product can be drawn off and the reaction exhaust gas can be removed via the other opening 6.
  • the gas supply is designated 7 and the gas discharge 8.
  • the reaction liquid is supplied via a through the opening 5 into the nere line 9 of the reaction vessel 1, which can either open directly at the front end of the reaction vessel 1 or extend further into the reaction vessel 1 in order to be able to introduce the reaction liquid into the reactor at various points, as can be seen in FIG 1 is indicated by the arrows 10.
  • the removal of the finished reaction product is denoted by 11, and, as shown by the broken line 12 (FIG. 1), the finished reaction product can be drawn off at the most favorable points in the reaction vessel 1.
  • a suction tube can be provided in a manner not shown in this FIG. 1, which can be introduced into the reaction vessel 1 at different depths and lowered to the desired level of the liquid. Such an embodiment will be explained in more detail later with reference to FIGS. 12 and 13.
  • reaction liquid located in the reaction vessel 1 forms a thin layer 13 on the inner wall of the reaction vessel 1 and on the surfaces of the flat, radially inwardly directed parts 3 in the area of contact with the liquid (see FIGS. 5, 6 and 7).
  • a container 14 or 15 is provided at both ends of the reaction vessel 1, into which the reaction vessel 1 opens via its openings 5, 6.
  • the rotating reaction vessel 1 is sealed with respect to the stationary containers 14, 15 by a labyrinth seal 16, although reaction gas can also escape through this labyrinth seal if there is overpressure in the reaction vessel; this leakage of reaction gas is indicated by the dotted arrows 17.
  • the entire device according to the invention is arranged in a closed room 18 in which the room temperature required for the reaction can be kept constant.
  • the parts shown are also mechanically stored in this room including a drive motor, not shown.
  • FIG. 10 shows a combination of two reaction vessels according to FIG. 1 to form a battery, the reaction product emerging from the first reaction vessel being introduced into the reaction vessel underneath, as a result of which the reaction process continues there, or where the Reaction can be continued under other internal conditions.
  • the rotation of the reaction vessel 1 ensures a very good mass transfer between solid, liquid and gaseous phases.
  • the rotational movement can be carried out continuously with a constant or changing direction of movement or with a changing speed.
  • the type of loading of the reaction vessel with liquid and the removal of the products and the liquids shown in FIG. 1 gives the device according to the invention the character of a tubular reactor, by means of whose reaction-kinetic advantages an improved product implementation is achieved.
  • the interphasial mass transfer takes place on the entire wetted surface of the reaction vessel 1.
  • the gas required for the reaction can flow through the latter in any direction.
  • the flat, radially inwardly directed parts 3 can be designed in the manner of a conveyor screw (FIG.
  • the reaction vessel 1 shown in FIG. 1 is set in a slowly rotating movement about its own horizontal longitudinal axis -1 ', comparable to a rolling culture.
  • the speed of the movement is controlled in such a way that the liquid level in the reaction vessel 1 is predetermined by the level of the outlet opening 6 and the horizontal position of the reaction vessel 1. Due to the larger diameter of the opening 6 with respect to the inlet opening 5, the outlet is deeper than the lower edge of the opening 5, thereby preventing the liquid from escaping through the inlet opening 5.
  • the supply line 9 for the Reaction medium or a pH-regulating medium can be supplied via an additional line (not shown), which, as indicated by the arrows 10, can also be carried out specifically on individual reaction interspaces 2.
  • the majority of the suspending cells or the carriers immobilizing the cells are located in the fluid bulk of the reaction vessel 1.
  • a small proportion of the cell content in the liquid film can also be found on the inner surface of the reaction vessel.
  • the fresh nutrient medium is supplied either when the reaction vessel 1 is rotating, or after a short standstill thereof, preferably into the reaction spaces 2 arranged at the inlet opening 5 of the reaction vessel 1 in order to achieve the reaction characteristics of a tube reactor.
  • the fresh nutrient medium is introduced directly into the rotating reaction vessel 1, since the sedimentation behavior of these particles is usually sufficient to be in the reaction vessel to achieve a cell density which is higher than the equilibrium of cell growth minus wash-out rate in a homogeneously mixed reaction vessel. This is referred to as the immobilization effect, which can be gradually controlled in the device according to the invention.
  • the accumulation of the cell density or the amount of the biocatalyst per unit volume of the reaction vessel 1, which goes beyond the natural cell growth, causes an acceleration of the biocatalytic conversions and thus an increase in the productivity of the system, that is to say the space / time productivity, and leads to higher quantities of the product to be produced per unit volume, that is to say higher titers.
  • a further advantage of the device according to the invention is also given in that the separation of the reaction vessel into reaction spaces, in addition to an artificial enrichment of the biocatalyst, achieves the reaction characteristics of a tube reactor already described, as a result of which the device according to the invention is suitable for all phases of physiological differentiation reproduce growing cells on a continuous basis, which means that regardless of a time factor, the production of the cells, which takes place preferentially in certain phases of the development of cultures, is optimally used for production on a continuous basis.
  • Animal cells that prefer their products as stationary, i.e. as cells which only slowly or not at all release, are particularly advantageous to cultivate in this reactor.
  • the interphasial mass transfer in the reaction vessel 1 and thus the supply of the cells with nutrients and with oxygen or other gases, the immobilization effect on the cells and the characteristics of the tube reactor is determined by the geometry of the reaction vessel 1, specifically by the ratio of the diameter D to the liquid height H ⁇ to the length L R of the reaction space 2 of the individual reaction space 2 shown in FIG. 4, and by the number of combined ⁇ th reaction spaces 2 on the total length of the reaction vessel 1 and the operating conditions.
  • a segmentation of the reaction vessel 1 in favor of a high H ⁇ / LR ratio is preferred.
  • Structural designs of the reaction vessel 1, which aim to enlarge the inner and thus the effective surfaces, can be achieved, for example, by a richer structure such as roughening of the material on the inner surfaces of the reaction vessel 1 or by other measures possible. These measures are suitable for substantially increasing the effect of a high wettable or moldable surface achieved with the device according to the invention in relation to the effective reaction liquid volume.
  • the residence time characteristic of the liquid flowing through, the sedimentation behavior of the cells in the individual reaction spaces 2 of the reaction vessel 1 and the effective ratio of wettable inner surface of the reaction vessel 1 to the liquid volume can be changed by a configuration deviating from the cylindrical shape and thus the physiological requirements of the cells are optimally adapted.
  • the frustoconical reaction vessels shown schematically in FIGS. 5 and 6 are examples of this.
  • the ratio of wettable surface to liquid volume, the sedimentation ratio of the cells and thus the residence time of the cells or biocatalysts can be influenced.
  • FIG. 8 shows an operating state of the device according to the invention, in which the cells are retained in the faster rotating reaction vessel 1 by centrifugal force which is greater than twice the acceleration of gravity, while the reaction liquid in the reaction vessel is continuous is renewed.
  • the cells retained in the reaction vessel by the centrifugal force form a sediment on the inner wall of the reaction vessel 1, while the liquid in the reaction vessel is exchanged by supplying fresh solution through the opening 5.
  • Extensive removal of the liquid from the interior of the reaction vessel 1 is possible by means of additional discharge pipes for drawing off the liquid, which are not shown in this figure.
  • a suction line the opening of which is arranged near the cylindrical jacket of the reaction vessel 1 and which is closed in the normal operating state, is opened, whereby the liquid pressed against the wall of the reaction vessel 1 by the centrifugal forces is drawn off.
  • the flat, radially inwardly directed parts 3 designed as ring disks allow the liquid to flow in from the inlet 5 of the reaction vessel 1 to the suction line and thus largely replace the liquid content of the reaction vessel 1 and also wash away "old" liquid components a reduced liquid volume, which is generally necessary for the renewal of the liquid phase.
  • FIG. 9 shows a schematic operating mode of the device according to the invention, in which the biocatalysts adhering to the inner surfaces of the reaction vessel 1, namely cells, or the functional cell components, such as enzymes, are used for a specific reaction become.
  • the ratio of the settable and wettable surface to the reactive liquid volume in the reaction vessel is important for the following the biological implementation, in particular for the achievable reactor space / time productivity.
  • the loading density of the inner surfaces of the reaction vessel according to the invention with biocatalysts depends on the choice of the material for the coating and, if necessary, on additional measures.
  • Glass, metal alloys, porcelain or plastics, etc. can be used as the material for the execution of the inner surfaces of the device according to the invention, which, because of their charge or because of their chemically reactive groups, enable the binding of a biocatalyst.
  • Inert materials can also preferably be used for the treatment of suspended biocatalysts.
  • Polymerization reactions or reactions which enable the binding of biocatalysts due to a change in temperature can also be used to load the active surface surfaces of the reaction vessel are used.
  • the rotating vessel 1 is rotatably mounted about a horizontal longitudinal axis 1 'and is provided with an end plate 1 "at the left end.
  • Gaps 2 are formed in the interior of the reaction vessel, the upper edge of which determines the liquid level 2' in the lower part.
  • These reaction gaps 2 are delimited by flat, radially inwardly directed parts 3.
  • the flat, radially inwardly directed parts 3 are designed in different ways: 3a is an unperforated washer which can act as a separating washer Provided surface structures, for example with grooves, ridges or other surface deformations.
  • a perforated washer 3c is used to flow through the liquid.
  • the washer 3d consists of segments arranged in a ring. All washers 3a to 3d are provided with central holes 3 '. 3 "are ring-shaped mounts that facilitate the ring slices to keep the reaction vessel first Instead of the ring-shaped holders, it is also possible, for example, to use simple extensions of the ring disks or to insert an O-ring in the circumference of the ring disks.
  • the ring disks are expediently provided with coverings 3 ′′, which can consist of pile, fleece or sponge, so that the active surface is enlarged. Of course, agents can also be used. turn, which increase the wettability of the surface.
  • the rotating reaction vessel is mounted on two pairs of rollers 4, two further pairs of rollers 4 holding the surface of the reaction vessel from the upper part in order to secure the position of the reaction vessel 1 even at high speeds at which the Distribution of the liquid can reach due to the rotational force.
  • the rotational force can be used for mixing as well as for sedimentation.
  • the shafts of the rollers 4 are designated 4 '.
  • the brackets for the shafts 4 ' are not shown, since these are self-evident constructions which are generally known. This also applies to other components, for example the motor drive of the reaction vessel and the fastening means of other containers.
  • the opening 5 serves for the supply of gas and nutrient solution.
  • the opening 6 on the right side of FIG. 1 is intended for the removal or removal of the gas and the nutrient solution.
  • This opening 6 is provided with a flange 6 '.
  • the gas supply is shown with a thick arrow, with a thick arrow in the right part, the gas discharge line 8.
  • a discharge line 19 leads from the left-hand container 14 and two removal lines 20, 21 from the right-hand container 15. The liquid is located in the bottom 22. Sedimented biocatalysts are identified by 23 and sedimented carrier particles by 24. A measuring probe 25 can measure various desired values.
  • FIG. 1a shows in detail and on an enlarged scale the left part of the reaction vessel 1 from FIG. 1.
  • the perforated annular disks 3c allow the flow of the liquid between the reaction interstices 2 and that in contrast the Unperforated washer 3a serves as a separating washer, which separates the left reaction spaces 2 from the right.
  • Rollers 4 also show the shafts 4 'already mentioned.
  • FIG. 2 shows the four examples of the ring disks 3a to 3d already mentioned are shown.
  • the annular disk 2a is also provided with a coating 3 ′′, which is clearly visible in FIG. 3, which shows the section III-III from FIG. 2a.
  • FIG. 2b a structural design is shown where the annular disk 3b has embossed surfaces; in FIG. 2c there is a perforated annular disk 3c and in FIG. 2d the annular disk is divided into four segments 3d, so that there are free spaces between them for the flow of the liquid, which have the same task like the holes 3c 'in the perforated washer 3c according to Fig. 2.
  • Fig. 4 we see two washers 3. In these two washers 3 the outer diameter D, the liquid height HL and the reaction space length LR are shown .
  • the embodiment according to FIG. 5 has a conical reaction vessel 1, the non-perforated annular disks 3a to sufficient for a uniform liquid level 2 1 .
  • the solution according to FIG. 7 shows an embodiment in which cells suspended in the nutrient solution are shown schematically in the reaction spaces 2.
  • the separate segments 3d shown in FIG. 2d are arranged in the form of a screw inside the reaction vessel 1 and can also be designed as at least one continuous screw conveyor.
  • This solution has the advantage that the liquid is transported in the corresponding direction with respect to the rotational movement of the reaction vessel.
  • the segments 2d can also form a screw-like conveyor strip.
  • the reaction vessel 1 is driven at high speed, so that the nutrient solution is distributed over the entire inner circumference of the reaction vessel and the biocatalysts sediment.
  • FIG. 9 shows a state of the device in which 3 cells or biocatalysts are immobilized in layers 13 on the inside of the reaction vessel and the flat, radially inwardly directed parts.
  • Fig. 10 shows a solution in which, for example, two previously described devices are connected in series. Of course, a larger number of these devices can be connected in series.
  • 11 shows an embodiment in which the sedimented carrier particles 24 are shown schematically. The remaining functionality corresponds to that already described.
  • reaction vessel 1 is subdivided with an unperforated washer 3a.
  • This washer 3a is. also provided with the ring-shaped holder 3 ", so that its position in the longitudinal direction in the reaction vessel can be adjusted.
  • the gas supply pipe 7 is mounted in the cover plate 1"
  • the gas discharge pipe 8 12 clearly shows the length of these tubes.
  • a shorter L-shaped tube 26 for the liquid supply line is shown, which is provided with a part 26 ′ bent at right angles.
  • a longer L-shaped pipe 27 for the liquid supply line is arranged, the also has a part 27 'bent at right angles.
  • a shorter L-shaped tube 28 for the removal of liquid with a part 28' bent at right angles is also shown in the same lens 1 ".
  • a longer L-shaped tube 29 for liquid removal is shown, which also has a part 29 * bent at right angles.
  • the latter two pipes 28 and 29 are rotatably arranged in the connecting disk so that their parts 28 1 , 29 'bent at right angles can be moved up and down by rotating the horizontal part of the pipes.
  • FIGS. 12 and 13 show these tubes 28 and 29 in the position in which their ends extend to the bottom of the reaction vessel 1, so that the liquid can be emptied completely.
  • Nutrient medium Dulbecco's DMEM H21 (Gibco) plus 5% fetal calf serum (PAA laboratory, Gallneumaschinen) was used for all experiments without further additives.
  • the cell line was (Denmark disposable goods, the Fa. Nunc AG) preferred initially in Rouxflaschen 4 days at 37 ⁇ C and hier ⁇ of glass on the entire contents of Roux flask to a roller bottle (standard version) transferred with fresh nutrient medium for another 3 days at 37 ⁇ C and a roller speed of approx. 1 revolution per minute. After 3 days, the roller bottle was shaken by hand to suspend cells adhering to the wall and the cell number and the IgG content were analyzed. 100 ml of the culture thus controlled were used for inoculating the device according to the invention.
  • the reactor was spaced apart with 12-hole, lamellar ring disks of about 1 cm packed together. At a distance of 13 cm from the reactor inlet, an annular disc 3a was used, which was only provided with a central opening 3 ', so that the reactor was divided at a distance of 13 cm in the longitudinal direction. A further 30 ring disks at a distance of approximately 1 cm were located in the second segment of the reactor.
  • the total length of the reactor was 50 cm, the diameter was 10 cm and the reactor contained a total of 43 ring disks 3.
  • the material of the reactor was made of glass. Polyester was used for the ring washers, the surface of which was modified in a fibrous manner. The outer diameter of the washers was 10 cm, the inner diameter was about 5.5 cm.
  • the sterile and empty reactor was preheated in an incubation room at 37 C ⁇ and rolled on the roller apparatus (New Brunswick ;.) at about 1 rpm. At the same time, the reactor was gasified with a sterile, moist gas mixture of 95% air and 5% CO2. Hydrophobic filters with an exclusion limit of 0.2 micrometers (Pall) ensured sterility.
  • the empty reactor was inoculated with a 100 ml inoculum from the roller bottle by means of a peristaltic pump through a feed line into the inlet of the reactor. The reactor was rolled at approximately 1 rpm throughout the procedure. The inoculation took approximately 10 minutes, the cell inoculum fed into the first segment being largely absorbed by the 13 lamellae as capillary fluid.
  • the reactor was then further rolled with 1 rpm, and aerated mixed per hour with 95% air, 5% CO2 without further addition of culture medium with about 0.5 liters of gas mixtures and incubated at 37 C ⁇ .
  • Fresh nutrient medium was then metered into the inlet of the reactor until the entire reactor in the first and second segments was filled with a liquid level of approximately 2.5 cm.
  • the metering pump for the nutrient medium was then switched off. During the filling, which lasted approx. 0.5 hour, the rolling speed of the reactor was reset to approx. 1 rpm in individual steps and incubated further at 37.degree.
  • the total volume of nutrient medium in the reactor was then about 950 ml, and the aeration rate with air / CO 2 mixture was arbitrarily increased to about 5 liters per hour.
  • the admixture of CO2 was reduced over the following 3 days from approx. 4% CO 2 content to approx. 1% by hand in order to keep the pH constant.
  • dilution rate 100 ml of fresh nutrient medium per hour, corresponding to a dilution rate (D) of 0.1, was initially metered in over four days. Samples were taken from the outlet of the reactor for the purpose of determining the cell density and the IgG concentration. The dilution rate was then increased arbitrarily to 0.5, corresponding to a flow rate of approximately 500 ml of nutrient medium per hour, and operated for a further four days.
  • the cell number in the samples was determined by counting in the thoma chamber (vital staining with trypan blue).
  • the concentration of IgG in the culture supernatant or the outlet of the reactor was determined using the ELISA technique.
  • Anti-mouse IgG immune serum (from the PAA laboratory, Gallneumaschinen) was precoated in microtiter plates according to standard conditions. The culture supernatants were then incubated on the plates prepared in this way, washed and the IgG content was determined using anti-mouse IgG-goat serum conjugate (from PL Biochemicals, Inc., Milwaukee, WI). Mouse IgG from Sigma (St. Louis, Missouri) was used as the IgG standard. Results
  • the specific IgG production rate (per cell quantity and time) of the hybridoma line used should be a constant for the nutrient medium used, that is to say a variable independent of the cultivation method, then the enrichment factor for the Immobilization of the cells in the film reactor about 6 to 10 times the value compared to other methods.

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Abstract

On aménage dans un récipient à réaction (1) à axe horizontal des parties (3) planes et radiales qui sont dirigées vers l'intérieur et entre lesquelles se trouvent des chambres à réaction (2) où se trouve le liquide de réaction. Ces surfaces radiales (3) dirigées vers l'intérieur peuvent être des disques sans ouvertures (3a) qui constituent des simples séparations. Elles peuvent aussi être percées (3c) de trous (3c') permettant le passage du liquide de réaction. On peut aussi avoir des anneaux constitués de segments circulaires juxtaposés ou ayant une forme à ressort en spirale. Dans la zone de l'axe de rotation (1') du récipient à réaction (1) se situe l'amenée de gaz (7'), l'évacuation de gaz (8) et au moins une conduite (9) ou un endroit d'amenée de liquide. On amène dans le récipient de réaction le liquide de réaction, les biocatalyseurs et le gaz de réaction. Lorsque la concentration des biocatalyseurs est suffisante, on introduit d'autres liquides de réaction et on évacue le produit de réaction.In a reaction vessel (1) having a horizontal axis, planar and radial portions (3) which face inwards and between which there are reaction chambers (2) in which the reaction liquid is located are arranged. These radial surfaces (3) facing inwards can be disks without openings (3a) which constitute simple separations. They can also be pierced (3c) with holes (3c') allowing the passage of the reaction liquid. It is also possible to have rings made up of juxtaposed circular segments or having a spiral spring shape. In the region of the axis of rotation (1') of the reaction vessel (1) there is located the gas supply (7'), the gas outlet (8) and at least one line (9) or a liquid supply point. The reaction liquid, biocatalysts and reaction gas are supplied to the reaction vessel. When the concentration of the biocatalysts is sufficient, other reaction liquids are introduced and the reaction product is discharged.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Kultivierung und Behandlung von BiokatalysatorenDevice and method for cultivating and treating biocatalysts
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Ver¬ fahren zur Kultivierung und Behandlung von Biokatalysatoren, wie Zellen, Partikel oder lösliche, chemische und/oder bio¬ logische Reaktionen beeinflussende Substanzen, bei welchen ein Reaktionsgefäss um seine Längsachse drehbar angeordnet und mit wenigstens einem Reaktionsraum versehen ist.The invention relates to a device and a method for the cultivation and treatment of biocatalysts, such as cells, particles or soluble substances which influence chemical and / or biological reactions, in which a reaction vessel is arranged rotatably about its longitudinal axis and with at least one Reaction space is provided.
Bei den bekannten Vorrichtungen dieser Art, den sogenannten Rollkulturen, sind im wesentlichen zylindrische Flaschen vorgesehen, die auf auf einem Gestell angeordneten Rollen aufliegen, welche für die Rotation der Flaschen antreibbar sind. Eine solche Lösung ist z.B. in der US-PS- 4,238,568 enthalten. Diese Flaschen sind teilweise mit beimpfter Reak- tionsflussigkeit gefüllt, das restliche Flaschenvolumen ist durch ein für die Reaktion benötigtes Gas, z.B. Luft, ausge¬ füllt. Die Rollkultur erlaubt dabei sowohl die Kultivie¬ rung von Suspensionszellen wie auch von Zellen, die an der zylindrischen Innenfläche der Rollflaschen verankert sind, jedoch ausschliesslich in chargenweiser Kultivierungsmetho- de. Sie kann als Standardtechnik der Kultur von empfindli¬ chen Zellen gewertet werden und wird für die Routinekulti¬ vierung von Zellen aller Art im Labor eingesetzt. Für die technologische Produktion bzw. Vermehrung von tierischen Zellen wird die Technik der Rollkultur durch Verwendung von bis zu tausenden Rollerflaschen eingesetzt, um auf diese Weise eine assstabsvergrδsserung, das sogenannte "Scale up"; in multiplen Einheiten zu erzielen.In the known devices of this type, the so-called roller cultures, essentially cylindrical bottles are provided which rest on rollers arranged on a frame which can be driven for the rotation of the bottles. Such a solution is contained, for example, in US Pat. No. 4,238,568. These bottles are partially filled with inoculated reaction liquid, the remaining bottle volume is filled with a gas, for example air, required for the reaction. The rolling culture allows both the cultivation of suspension cells and cells which are anchored to the cylindrical inner surface of the roller bottles, but only in batch-wise cultivation method. It can be regarded as the standard technique for the culture of sensitive cells and is used for the routine cultivation of cells of all kinds in the laboratory. For the technological production or multiplication of animal cells, the technique of rolling culture is used by using up to thousands of roller bottles in order to enlarge the scale, the so-called "scale up"; to achieve in multiple units.
Die Vorteile der Rollkultur und ihr routinemässiger Einsatz für Kulturen aller Art sind eindeutig darauf zurückzuführen. - 2 -The advantages of the rolling culture and its routine use for cultures of all kinds can clearly be attributed to this. - 2 -
dass die Rotation, also das Rollen, von zylindrischen Fla¬ schen in langsamer Bewegung die schonendste Methode dar¬ stellt, ein Zellsystem zu Belüften und/oder in Suspension zu halten.that the rotation, that is to say the rolling, of cylindrical bottles in slow motion represents the gentlest method of aerating and / or keeping a cell system in suspension.
Die bekannte Rollkultur ist jedoch insofern nachteilig, weil sie nur chargenweise betrieben werden kann, d.h., dass kon¬ tinuierliche Kultivierung oder Perfusionskultivierung nicht möglich sind. Dies zuletzt auch deshalb, weil eine gesteuer¬ te Durchlüftung des Flascheninnenraumes nicht möglich ist. Weiters ist die Vergrδsserung des Betriebsmassstabes, also das Scale up, auf die Verwendung vom Vielfachen der Zahl der Rollerflaschen begrenzt. Darüberhinaus ist eine Immobilisie¬ rung der Zellen, d.h. eine künstliche Anreicherung der Zel¬ len über das natürliche Gleichgewicht hinaus in kontinuier- licher Kultur nicht möglich. Schliesslich führt das Scale up einer einzelnen Rollerflasche in der konventionellen zylin¬ drischen Form zu einem ungünstigen Verhältnis von benetzba¬ rer Oberfläche zum effektiven Volumen der Flüssigkeit in der Rollerflasche, wodurch der interphasiale Stofftransport ver- mindert wird.However, the known rolling culture is disadvantageous in that it can only be operated in batches, i.e. that continuous cultivation or perfusion cultivation are not possible. This is also because a controlled ventilation of the bottle interior is not possible. Furthermore, the enlargement of the operating scale, i.e. the scale up, is limited to the use of multiples of the number of roller bottles. In addition, immobilization of the cells, i.e. an artificial enrichment of the cells beyond the natural equilibrium is not possible in a continuous culture. Finally, the scale up of a single roller bottle in the conventional cylindrical form leads to an unfavorable ratio of the wettable surface to the effective volume of the liquid in the roller bottle, as a result of which the interphasial mass transfer is reduced.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei kontinuierlicher Kul- tivierungs- und Behandlungsmethode eine höhere Dichte von Biokatalysatoren ermöglicht.The object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset which, in the case of a continuous cultivation and treatment method, enables a higher density of biocatalysts.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass in dem Reaktionsgefäss zu dessen Längsachse hin sich er¬ streckende flache Teile angeordnet sind, dass die Zufuhr der Reaktionsflüssigkeit an .einem Ende des Reaktionsgefässes und die Abfuhr des fertigen Reaktionsproduktes an demselben oder anderem Ende des Reaktionsgefässes ausgebildet sind und dass das Innere des Reaktionsgefässes mit Gas beschickbar ist. Dadurch wird ermöglicht, die schonenden physikalischen Prin¬ zipien der Rollkultivierung zu nutzen und darüberhinaus hin¬ sichtlich der Betriebsweise auf alle bekannten Methoden der kontinuierlichen Kultivierungsweise von Zellen oder Biokata¬ lysatoren, der Immobilisierung von Zellen oder anderer Bio¬ katalysatoren mit praktisch unbegrenztem interphasialem Stofftransport anzuwenden. So wird also ein hoher interpha- sialer Stofftransport unter physikalisch schonenden Bedin¬ gungen zwischen fester Biophase, flüssiger Phase und Gaspha¬ se gewährleistet.According to the invention, this object is achieved in that flat parts which extend towards the longitudinal axis thereof are arranged in the reaction vessel, that the supply of the reaction liquid is formed at one end of the reaction vessel and the discharge of the finished reaction product is formed at the same or other end of the reaction vessel and that the inside of the reaction vessel can be charged with gas. This makes it possible to use the gentle physical principles of roller cultivation and, moreover, to operate with all known methods of cultivation continuous cultivation of cells or biocatalysts, the immobilization of cells or other biocatalysts with practically unlimited interphasial mass transfer. Thus, a high interphasical mass transfer is ensured under physically gentle conditions between the solid biophase, the liquid phase and the gas phase.
Zellen, wie tierische Zellen, pflanzliche Zellen, parasitäre Mikroorganismen, in vitro Systeme also, die unter physika- lisch milden, also unter weitestgehend stress-freien Bedin¬ gungen, einen hohen Stofftransport benötigen, zählen zu den hauptsächlichsten Zielgruppen, für deren Kultivierung bzw. Behandlung die gegenständliche Erfindung bestimmt ist. Sie ermöglicht auch biochemische Umsetzreaktionen, die hohe An- sprüche an die Kombination eines hohen interphasialen Stoff¬ transportes mit physikalisch schonenden Bedingungen verknüp¬ fen.Cells such as animal cells, plant cells, parasitic microorganisms, i.e. in vitro systems, which require a high mass transfer under physically mild, i.e. under largely stress-free conditions, are among the most important target groups for their cultivation or Treatment the subject invention is intended. It also enables biochemical conversion reactions that combine high demands on the combination of high interphasial mass transport with physically gentle conditions.
Zusätzlich zu den genannten Bedingungen eines maximalen in¬ terphasialen Stofftransportes unter schonenden physikali- sehen Bedingungen vereint die gegenständliche Erfindung noch die reaktionskinetischen Vorteile eines Rδhrenreaktors und der künstlichen Anreicherung des für die Reaktion notwendi¬ gen Biokatalysators, wodurch es möglich ist, natürlich be¬ stehende Gleichgewichte einer Reaktion zugunsten einer hδhe- ren Produktions- bzw. Umsatzrate in Richtung einer erhöhten Reaktorraum/Zeit-Ausbeute positiv zu beeinflussen. Schliess- lich ermöglicht die vorliegende Erfindung noch, zusätzlich zu den Vorteilen einfacher verfahrenstechnischer Vorgangs¬ weisen eine maximale Anpassung an den Typus der biokatalyti- sehen Reaktion mit Zellen oder Molekülen vorzunehmen.In addition to the conditions mentioned for maximum interphasial mass transfer under gentle physical conditions, the present invention also combines the reaction-kinetic advantages of a tube reactor and the artificial enrichment of the biocatalyst necessary for the reaction, which makes it possible to achieve naturally existing equilibria to positively influence a reaction in favor of a higher production or conversion rate in the direction of an increased reactor space / time yield. Finally, the present invention enables, in addition to the advantages of simple procedural procedures, a maximum adaptation to the type of biocatalytic reaction with cells or molecules.
Die allgemeine Problematik bei der Züchtung empfindlicher Zellen ist beispielsweise in Acta Biotechnologica 2 (1982) 1 , 3-41 , beschrieben. Vorteilhafterweise bestehen die sich zu der Längsachse er¬ streckenden flachen Teile aus Ringscheiben, wodurch eine Oberflächenvergrδsserung erzielt wird, ohne dass die enthal¬ tenden Zellen oder dergleichen mechanisch beansprucht wer- den. Dabei können die flachen, radial nach innen gerichteten Teile durch ungelochte Ringscheiben gebildet sein, wodurch über den gesamten Umfang des Reaktionsgefässes gleichmässige Verhältnisse erzielt werden. Nach einer zweckmässigen Lösung bestehen die flachen, radial nach innen gerichteten Teile aus ringförmig angeordneten getrennten Segmenten. Ein Vor¬ teil dieser Lösung ist darin zu sehen, dass zwischen den Segmenten freie Durchgangsspalten entstanden sind, durch welche die Flüssigkeit strömen kann. Eine andere Art kon¬ struktiv einfach da*s Kommunizieren der Zwischenräume zu er- reichen besteht darin, dass wenigstens einige der flachen radial nach innen gerichteten Teile perforiert sind. Eine zweckmässige Variante besteht darin, dass die flachen, ra¬ dial nach innen gerichteten Teile als schneckenartige Fδr- derstreifen ausgebildet sind. Weil diese Förderschnecke im Inneren des Reaktionsgefässes angeordnet ist, transportiert sie die Flüssigkeit während der Rotation von einem Ende des Reaktionsgefässes zum anderen. Das Reaktionsgefäss kann im Bereich der darin befindlichen Reaktionsflüssigkeit durch ungelochte Ringscheiben unterteilt sein, wodurch eine Unter- teilung des Reaktorinnenraumes in einzelne Abschnitte er¬ reichbar ist. Für einen besonders guten interphasialen Stofftransport können die flachen, radial nach innen gerich¬ teten Teile für die oberflächliche Aufnahme der Biokatalysa¬ toren bzw. der Reaktionsflüssigkeit ausgebildet sein. Dazu können die flachen, radial nach innen gerichteten Teile oberflächenmodifiziert sein. Um die Biokatalysatoren in ei¬ nem besonders günstigen Produktionsverhältnis an den flachen radial nach innnen gerichteten Teilen festlegen zu können, können auf diesen Teilen die Biokatalysatoren immobilisie- rende Beläge aufgebracht sein.The general problem in the cultivation of sensitive cells is described, for example, in Acta Biotechnologica 2 (1982) 1, 3-41. The flat parts extending to the longitudinal axis advantageously consist of ring disks, as a result of which a surface enlargement is achieved without the cells or the like containing them being mechanically stressed. The flat, radially inwardly directed parts can be formed by non-perforated annular disks, as a result of which uniform conditions are achieved over the entire circumference of the reaction vessel. According to an expedient solution, the flat, radially inward parts consist of separate segments arranged in a ring. One advantage of this solution can be seen in the fact that there are free passage gaps between the segments through which the liquid can flow. Another type kon¬ structurally simple since s * is rich communicating the gaps to ER that at least some of the flat radially perforated inwardly directed parts. An expedient variant consists in that the flat, radially inward-facing parts are designed as helical conveyor strips. Because this screw conveyor is located inside the reaction vessel, it transports the liquid from one end of the reaction vessel to the other during rotation. The reaction vessel can be divided in the area of the reaction liquid therein by non-perforated ring disks, whereby a division of the reactor interior into individual sections can be achieved. For a particularly good interphasial mass transfer, the flat, radially inwardly directed parts can be designed for the surface absorption of the biocatalysts or the reaction liquid. For this purpose, the flat, radially inwardly directed parts can be surface-modified. In order to be able to fix the biocatalysts in a particularly favorable production ratio on the flat, radially inwardly directed parts, the biocatalysts immobilizing coatings can be applied to these parts.
Um ein leichtes Scale up zu erzielen kann die Reaktions- flüssigkeit an mehreren Stellen der Längserstreckung des Re¬ aktionsgefässes zuführbar und/oder das fertige Reaktionspro¬ dukt an mehreren Stellen der Längserstreckung des Reaktions¬ gefässes abführbar sein, wodurch auch ein Betrieb des Reak- tors mit teilweiser Befüllung möglich ist. Eine weitere Form der Immobilisierung der Zellen oder Biokatalysatoren ist auch darin gelegen, dass zwischen den flachen, radial nach innen gerichteten Teilen in der Reaktionsflüssigkeit suspen¬ dierte Trägerpartikel für die Biokatalysatoren angeordnet sind.In order to achieve a slight scale up, the reaction Liquid can be supplied at several points along the longitudinal extent of the reaction vessel and / or the finished reaction product can be removed at several locations along the longitudinal extent of the reaction vessel, which means that the reactor can also be operated with partial filling. Another form of immobilization of the cells or biocatalysts also lies in the fact that suspended carrier particles for the biocatalysts are arranged between the flat, radially inwardly directed parts in the reaction liquid.
Weitere Vorteile der er indungsgemässen Vorrichtung sind auch darin zu erblicken, dass eine künstliche Anreicherung von Zellen, eine Immobilisierung löslicher oder suspendier¬ ter Biokatalysatoren oder die Erzielung der Reaktionskinetik eines Rδhrenreaktors, eines sogenannten plug flow reactor, zur Erhöhung der Raum/Zeit-Ausbeuten und Menge an gebildetem Produkt pro Volumeneinheit ermöglicht ist, und dass die # künstliche Anreicherung von Zellen bzw. Biokatalysatoren durch chemische Bindungen erzielt werden kann. Weiters ist eine künstliche Anreicherung von Einzelzellen in freier Sus¬ pension von Zellaggregaten oder Pellets, von Zellen auf Mi- crocarriern oder in Mikrokapseln hinaus über jenes Ausmass möglich, das durch die Prinzipien der kontinuierlichen Kul¬ tur (flow cultures) vorgegeben ist. Die genannten Biokataly- satoren, also die Biophasen, werden dabei durch physikali¬ sche Kräfte, wie Schwerkraft, Zentrifugalkraft oder derglei¬ chen, im Reaktor zurückgehalten, während die flüssigen Pha¬ sen im Reaktor erneuert werden. Ausserdem sind durch die Auslegung der geometrischen Konfiguration der Apparatur und deren Betriebsbedingungen alle wesentlichen Aspekte für ei¬ nen bestimmten Prozess optimal auslegbar und in beliebige Betriebsgrδssen umsetzbar (scale up) .Further advantages of the device according to the invention can also be seen in the fact that an artificial enrichment of cells, an immobilization of soluble or suspended biocatalysts or the achievement of the reaction kinetics of a tube reactor, a so-called plug flow reactor, to increase the space / time yields and Amount of product formed per unit volume is enabled, and that the # artificial enrichment of cells or biocatalysts can be achieved through chemical bonds. Furthermore, an artificial enrichment of single cells in the free suspension of cell aggregates or pellets, of cells on microcarriers or in microcapsules is possible beyond that which is predetermined by the principles of continuous culture (flow cultures). The biocatalysts mentioned, that is to say the biophases, are retained in the reactor by physical forces such as gravity, centrifugal force or the like, while the liquid phases in the reactor are renewed. In addition, due to the design of the geometric configuration of the apparatus and its operating conditions, all essential aspects for a specific process can be optimally designed and implemented in any operating sizes (scale up).
Die Kultivierung und Behandlung von Biokatalysatoren mit der erfindungsgemässen Vorrichtung wird so durchgeführt, dass in das Reaktionsgefäss die Reaktionsflüssigkeit und die Bioka- talysatoren eingebracht, das Reaktionsgefäss in Drehung ge¬ setzt und der Innenraum des Reaktionsgefässes mit Reaktions¬ gas permanent beschickt wird. Zweckmässig wird nach Errei¬ chen der gewünschten Konzentration an Biokatalysatoren wei¬ tere Reaktionsflüssigkeit eingebracht und das fertige Reak- tionsprodukt abgeführt. Manchmal ist es vorteilhaft, wenn die Reaktionsflüssigkeit an mehreren Stellen in das Reak¬ tionsgefäss eingebracht und an mehreren Stellen aus dem Re¬ aktionsgefäss abgeführt, z.B. abgesaugt wird. Für das Absau¬ gen des Reaktionsproduktes werden ein oder mehrere Absaug- röhre in den bzw. die Reaktionszwischenräume zwischen den Ringscheiben abgesenkt. Zum Durchmischen der im Reaktionsge¬ fäss befindlichen Phasen wird zweckmässig die Umdrehungsge¬ schwindigkeit des Reaktionsgefässes erhöht. Bei diesem Ver¬ fahren nützt man die Zentrifugalkraft aus. Bei einer ausrei- chenden Zentrifugalkraft kann man auch das Abtrennen der dichteren, die Biokatalysatoren enthaltenden Phase, von der eine geringere Dichte aufweisenden Reaktionsflüssigkeit, er¬ reichen. Aus wirtschaftlichen Gründen kann man auch' mehrere Reaktionsgefässe in Serie schalten.The cultivation and treatment of biocatalysts with the device according to the invention is carried out in such a way that the reaction liquid and the biocat introduced, the reaction vessel is set in rotation and the interior of the reaction vessel is continuously charged with reaction gas. After reaching the desired concentration of biocatalysts, further reaction liquid is expediently introduced and the finished reaction product is removed. Sometimes it is advantageous if the reaction liquid is introduced into the reaction vessel at several points and removed from the reaction vessel at several points, for example by suction. For the suction of the reaction product, one or more suction tubes are lowered into the reaction space or spaces between the ring disks. To mix the phases in the reaction vessel, the speed of rotation of the reaction vessel is expediently increased. The centrifugal force is used in this method. If the centrifugal force is sufficient, it is also possible to separate the denser phase containing the biocatalysts from the reaction liquid which has a lower density. For economic reasons, one can also ' connect several reaction vessels in series.
Die Erfindung wird näher anhand einiger Zeichnungen erläu¬ tert:The invention is explained in more detail with reference to some drawings:
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erfindungs- gemässe Gesamtanlage, wobei die Führung der Phasen durch das Reaktionsgefäss angedeutet sind,1 shows a schematic section through an overall system according to the invention, the guidance of the phases through the reaction vessel being indicated,
Fig. 1a in vergrδssertem Massstab den linken Teil des Reak¬ tionsgefässes aus der Fig. 1,1a shows the left part of the reaction vessel from FIG. 1 on an enlarged scale,
Fig. 2 vier Ausführungsformen der flachen, radial nach in- nen gerichteten Teile,2 four embodiments of the flat, radially inwardly directed parts,
Fig. 3 den Schnitt III-III aus Fig. 2a, - 7 -3 shows the section III-III from FIG. 2a, - 7 -
Fig. 4 zwei Ringscheiben in perspektivischer Ansicht,4 two ring disks in perspective view,
Fig. 5 eine Lösung mit einem konischen Reaktionsgefäss und mit gleichem Flüssigkeitsniveau,5 shows a solution with a conical reaction vessel and with the same liquid level,
Fig. 6 eine Variante mit einem konischen Reaktionsgefäss und mit stufenweise angeordneten Ringscheiben,6 shows a variant with a conical reaction vessel and with annular disks arranged in stages,
Fig. 7 schematisch die Kultur von suspendierten Zellen mit einem schneckenartigen Fδrderstreifen,7 schematically shows the culture of suspended cells with a screw-like conveyor strip,
Fig. 8 die Verteilung der im Reaktionsgefäss befindlichen Flüssigkeiten bei im Reaktionsgefäss durch die Zen- trifugalkraft des schnell rotierenden Reaktionsge¬ fässes zurückgehaltenen Zellen,8 shows the distribution of the liquids in the reaction vessel in the case of cells retained in the reaction vessel by the centrifugal force of the rapidly rotating reaction vessel,
Fig. 9 die Betriebsweise der erfindungsgemässen Vorrich¬ tung mit an der Innenseite des Reaktionsgefässes immobilisierten Zellen oder Biokatalysatoren,9 shows the mode of operation of the device according to the invention with cells or biocatalysts immobilized on the inside of the reaction vessel,
Fig. 10 eine Kombination einzelner Reaktionsgefasse zu ei¬ nem Reaktorverband, wobei je nach Einsatz der Vor¬ richtung beliebige Kombinationen möglich sind,10 shows a combination of individual reaction vessels to form a reactor assembly, any combinations being possible depending on the use of the device,
Fig. 11 eine Ausführungsform, in der schematisch die sedi- mentierten Trägerpartikeln eingezeichnet sind,11 shows an embodiment in which the sedimented carrier particles are shown schematically,
Fig. 12 eine schematische Anordnung der Zufuhr- und Abfuhr¬ rohre und12 shows a schematic arrangement of the supply and discharge pipes and
Fig. 13 eine Ansicht von links auf die Lösung gemäss der Fig. 12.13 shows a view from the left of the solution according to FIG. 12.
Mit Fig. 1 ist das Reaktionsgefäss bezeichnet, das in seinem Inneren zu seiner horizontalen .Längsachse 1' hin gerichtete, mit der Gefässwandung im Kontakt stehende flache, radial nach innen gerichtete Teile 3 aufweist. Bei den Ausführungs- beispielen mit Ausnahme der Fig. 2d und Fig. 7 sind die fla¬ chen, radial nach innen gerichteten Teile 3 durch Ringschei¬ ben 3a,b,c gebildet, die je nach dem Einsatzgebiet der er- findungsgemässen Vorrichtung entsprechend oberflächenmodini- ziert sind. So können sie für eine gute Benetzbarkeit aufge¬ rauht oder beschichtet sein oder spezielle Beläge aufweisen, an denen die Zellen bzw. Biokatalysatoren immobilisiert wer¬ den. Als derartige Beläge kommen Vliese, Flore, Schwämme oder dergleichen in Betracht, die an der Oberfläche der fla- σhen, radial nach innen gerichteten Teile 3 befestigt sind. Diese Teile 3 liegen dabei mit ihren Aussenkanten direkt an der Innenwandung dos Reaktorgefässes 1 an. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, sind die flachen, radial nach innen gerichteten Teile 3 in diesem Fall als gelochte Ringscheiben 3c ausgebildet, wobei lediglich eine ungelochte Ringscheibe 3a (s. Fig. 2) zwischengeschaltet ist. Dadurch ist im Be¬ reich der Reaktionsflüssigkeit der Innenraum des Reaktions¬ gefässes unterteilt, da durch die ungelochte Ringscheibe 3a ein Durchtritt von Flüssigkeit verhindert ist, wogegen durch die gelochten Ringscheiben 3c ein Flüssigkeitsaustausch zwi¬ schen den einzelnen Reaktionszwischenräumen 2 erfolgen kann.1 designates the reaction vessel, which in its interior has flat, radially inwardly directed parts 3 which are directed towards its horizontal longitudinal axis 1 'and are in contact with the wall of the vessel. In the execution Examples, with the exception of FIGS. 2d and 7, the flat, radially inwardly directed parts 3 are formed by ring disks 3a, b, c which, depending on the area of use of the device according to the invention, are correspondingly surface-modified. For example, they can be roughened or coated for good wettability or have special coverings on which the cells or biocatalysts are immobilized. As such coverings, nonwovens, pile, sponges or the like come into consideration, which are attached to the surface of the flat, radially inwardly directed parts 3. These parts 3 lie with their outer edges directly against the inner wall of the reactor vessel 1. As shown schematically in FIG. 1, the flat, radially inwardly directed parts 3 are in this case designed as perforated washers 3c, only one non-perforated washer 3a (see FIG. 2) being interposed. As a result, the interior of the reaction vessel is subdivided in the area of the reaction liquid, since liquid does not pass through the unperforated annular disk 3a, while the perforated annular disks 3c can be used to exchange liquid between the individual reaction spaces 2.
Das Reaktionsgefäss 1 liegt auf paarweise angeordneten Rol¬ len 4 auf, mittels welcher es um seine horizontale Längsach¬ se 11 drehbar ist. In Fig. 1 sind zwei Paare Rollen 4 als Abstützelemente auch im oberen Teil des Reaktionsgefässes 1 eingezeichnet. Diese Konstruktion mit vier Paaren von Rollen 4 ist für den Fall bestimmt, dass man für die Rotation des Reaktionsgefässes 1 grosse Geschwindigkeiten verwenden will, um die Zentrifugalkraft ausnützen zu können. An seinen Enden ist das Reaktionsgefäss offen, wodurch es den Charakter ei¬ nes sogenannten Rδhrenreaktors aufweist. Über die eine Öff¬ nung 5 ist Gas und Nährlösung einbringbar und über die ande¬ re Öffnung 6 ist das fertige Reaktionsprodukt abziehbar und das Reaktionsabgas abführbar. Die Gaszufuhr ist mit 7 und die Gasableitung mit 8 bezeichnet. Die Zufuhr der Reaktions¬ flüssigkeit erfolgt über eine durch die Öffnung 5 in das In- nere des Reaktionsgefässes 1 reichende Leitung 9, wobei die¬ se sowohl direkt am vorderen Ende des Reaktionsgefässes 1 ausmünden oder aber weiter in das Reaktionsgef ss 1 hinein¬ reichen kann, um die Reaktionsflüssigkeit an verschiedenen Stellen in den Reaktor einbringen zu können, wie dies in der Fig. 1 durch die Pfeile 10 angedeutet ist. Die Abfuhr des fertigen Reaktionsproduktes ist mit 11 bezeichnet, wobei, wie durch die gestrichelte Linie 12 (Fig. 1) gezeigt, der Abzug des fertigen Reaktionsproduktes an den jeweils gün- stigsten Stellen des Reaktionsgef sses 1 erfolgen kann. Dazu kann in einer in dieser Fig. 1 nicht dargestellten Weise ein Absaugrohr vorgesehen sein, das unterschiedlich tief in das Reaktionsgefäss 1 eingeführt und auf die gewünschte Niveau¬ höhe der Flüssigkeit abgesenkt werden kann. Eine solche Aus- fertigung wird später anhand der Fig. 12 und 13 näher er¬ klärt.The reaction vessel 1 is on paired Rol¬ len 4, by means of which it se about its horizontal Längsach¬ 1 1 is rotatable. In Fig. 1, two pairs of rollers 4 are shown as support elements in the upper part of the reaction vessel 1. This construction with four pairs of rollers 4 is intended for the case in which one wants to use high speeds for the rotation of the reaction vessel 1 in order to be able to use the centrifugal force. The reaction vessel is open at its ends, as a result of which it has the character of a so-called tube reactor. Gas and nutrient solution can be introduced via one opening 5 and the finished reaction product can be drawn off and the reaction exhaust gas can be removed via the other opening 6. The gas supply is designated 7 and the gas discharge 8. The reaction liquid is supplied via a through the opening 5 into the nere line 9 of the reaction vessel 1, which can either open directly at the front end of the reaction vessel 1 or extend further into the reaction vessel 1 in order to be able to introduce the reaction liquid into the reactor at various points, as can be seen in FIG 1 is indicated by the arrows 10. The removal of the finished reaction product is denoted by 11, and, as shown by the broken line 12 (FIG. 1), the finished reaction product can be drawn off at the most favorable points in the reaction vessel 1. For this purpose, a suction tube can be provided in a manner not shown in this FIG. 1, which can be introduced into the reaction vessel 1 at different depths and lowered to the desired level of the liquid. Such an embodiment will be explained in more detail later with reference to FIGS. 12 and 13.
Die im Reaktionsgefäss 1 befindliche Reaktionsflüssigkeit bildet im Betrieb eine dünne Schicht 13 an der Innenwandung des Reaktionsgefässes 1 und an den Oberflächen der flachen, radial nach innen gerichteten Teile 3 im Bereich des Kontak¬ tes mit der Flüssigkeit (s. Fig. 5, 6 und 7).During operation, the reaction liquid located in the reaction vessel 1 forms a thin layer 13 on the inner wall of the reaction vessel 1 and on the surfaces of the flat, radially inwardly directed parts 3 in the area of contact with the liquid (see FIGS. 5, 6 and 7).
Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Gesamtanordnung ist an beiden Enden des Reaktionsgefässes 1 je ein Behälter 14 bzw. 15 vorgesehen, in welche das Reaktionsgefäss 1 über seine Öffnungen 5, 6 einmündet. Das rotierende Reaktionsge¬ fäss 1 ist dabei gegenüber den feststehenden Behältern 14, 15 über eine Labyrinthdichtung 16 abgedichtet, wobei aller¬ dings Reaktionsgas gegebenenfalls auch über diese Labyrinth¬ dichtung austreten kann, falls im Reaktionsgefäss Überdruck herrscht; dieser Austritt von Reaktionsgas ist durch die punktiert eingezeichneten Pfeile 17 angedeutet. Die gesamte erfindungsgemässe Vorrichtung ist in einem abgeschlossenen Raum 18 angeordnet, in welchem die für die Reaktion nötige Raumtemperatur konstant gehalten werden kann. In diesem Raum werden auch die dargestellten Teile mechanisch gelagert inkl. eines nicht dargestellten Antriebsmotors.In the overall arrangement shown in FIG. 1, a container 14 or 15 is provided at both ends of the reaction vessel 1, into which the reaction vessel 1 opens via its openings 5, 6. The rotating reaction vessel 1 is sealed with respect to the stationary containers 14, 15 by a labyrinth seal 16, although reaction gas can also escape through this labyrinth seal if there is overpressure in the reaction vessel; this leakage of reaction gas is indicated by the dotted arrows 17. The entire device according to the invention is arranged in a closed room 18 in which the room temperature required for the reaction can be kept constant. The parts shown are also mechanically stored in this room including a drive motor, not shown.
In Fig. 10 ist eine Kombination zweier Reaktionsgefasse ge¬ mäss Fig. 1 zu einer Batterie dargestellt, wobei das aus dem ersten Reaktionsgefäss austretende Reaktionsprodukt in das darunterliegende Reaktionsgefäss eingebracht wird, wodurch es dort zu einer Fortsetzung des Reaktionsprozesses kommt, bzw. wobei dort die Reaktion unter anderen inneren Bedingun¬ gen fortgesetzt werden kann.FIG. 10 shows a combination of two reaction vessels according to FIG. 1 to form a battery, the reaction product emerging from the first reaction vessel being introduced into the reaction vessel underneath, as a result of which the reaction process continues there, or where the Reaction can be continued under other internal conditions.
Die Rotation des Reaktionsgefässes 1 gewährleistet einen sehr guten Stofftransport zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Phasen. Die Rotationsbewegung kann mit konstan¬ ter oder wechselnder Bewegungsrichtung stetig oder mit wech¬ selnder Geschwindigkeit durchgeführt werden. Die in Fig. 1 gezeigte Art der Beschickung des Reaktionsgefässes mit Flüs- sigkeit und des Abzuges der Produkte und der Flüssigkeiten- verleiht der erfindungsgemässen Vorrichtung den Charakter eines Rohrreaktors, durch dessen reaktionskinetische Vortei¬ le eine verbesserte ProduktUmsetzung erzielt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Flüssigkeitszufuhr bzw. -abfuhr in- dividuell auf jeden einzelnen Zwischenraum 2 gezielt vorzu¬ nehmen, wobei die Zwischenräume 2 durch zwischengeschaltete ungelochte Ringscheiben 3a abgeteilt sind. Durch die geome¬ trische Konfiguration kann je nach Bedarf ein ideal an den Prozess angepasstes Verhältnis von benetzbaren Oberflächen in bezug auf ein bestimmtes Füllvolumen erzielt werden, wo¬ bei die Zahl und der Aufbau der flachen, radial nach innen gerichteten Teile 3 und auch die Mantelform des Reaktionsge¬ fässes 1 massgebend sind. Der interphasiale Stofftransport erfolgt an der gesamten benetzten Oberfläche des Reaktions- gefässes 1. Dabei kann letzteres in beliebiger Richtung von dem zur Reaktion benötigten Gas durchströmt werden. Die fla¬ chen, radial nach innen gerichteten Teile 3 können förder¬ schneckenartig ausgebildet sein (Fig. 7), was neben der Oberflächenvergrösserung auch eine Förderwirkung der Reak- tionsflussigkeit bewirkt, wobei z.B. bei sedimentierten Zel- len oder auf Microcarriern immobilisierten Biokatalysatoren durch eine gegenläufige Schnecke die Zellen gegen die Durch- strδmung der Flüssigkeit durch das Reaktionsgef ss bewegt werden, was die Verweilzeit der Zellen in der Reaktionsflüs- sigkeit entsprechend verlängert.The rotation of the reaction vessel 1 ensures a very good mass transfer between solid, liquid and gaseous phases. The rotational movement can be carried out continuously with a constant or changing direction of movement or with a changing speed. The type of loading of the reaction vessel with liquid and the removal of the products and the liquids shown in FIG. 1 gives the device according to the invention the character of a tubular reactor, by means of whose reaction-kinetic advantages an improved product implementation is achieved. However, it is also possible to carry out the liquid supply or removal specifically for each individual intermediate space 2, the intermediate spaces 2 being divided by interposed non-perforated annular disks 3a. As a result of the geometric configuration, a ratio of wettable surfaces with respect to a certain filling volume, which is ideally adapted to the process, can be achieved, the number and structure of the flat, radially inwardly directed parts 3 and also the jacket shape of the reaction vessel 1 are decisive. The interphasial mass transfer takes place on the entire wetted surface of the reaction vessel 1. The gas required for the reaction can flow through the latter in any direction. The flat, radially inwardly directed parts 3 can be designed in the manner of a conveyor screw (FIG. 7), which, in addition to the surface enlargement, also has a promoting effect on the reaction fluid, for example in the case of sedimented cells If the biocatalysts are immobilized or immobilized on microcarriers, the cells are moved against the flow of liquid through the reaction vessel by a counter-rotating screw, which correspondingly extends the dwell time of the cells in the reaction liquid.
Zur Kultivierung von Zellen wird das in Fig. 1 dargestellte Reaktionsgefäss 1 in eine langsam rotierende Bewegung um die eigene, horizontale Längsachse -1 ' , vergleichbar einer Roll¬ kultur, versetzt. Die Geschwindigkeit der Bewegung wird der- art gesteuert, dass das Flüssigkeitsniveau im Reaktionsge¬ fäss 1 durch das Niveau der AblaufÖffnung 6 und die horizon¬ tale Lage des Reaktionsgef sses 1 vorgegeben ist. Dabei liegt zufolge des in bezug auf die Eingangsδffnung 5 grδsse- ren Durchmessers der Öffnung 6 der Ablauf tiefer als die Un- terkante der Öffnung 5, wodurch ein Austreten der Flüssig¬ keit durch die Eingangsδffnung 5 verhindert ist. Sollte es * durch eine unsachgemässe Handhabung oder durch eine etwaige Betriebsstörung zu einem Flüssigkeitsaustritt durch die Öff¬ nung 5 kommen, dann wird die Flüssigkeit im Behälter 14 auf- gefangen und über die Leitung 19 abgeführt. Das fertige Re¬ aktionsprodukt tritt gemäss der Pfeile 11 entlang des Flan¬ sches 6' in den Behälter 15 aus, aus welchem es über die Leitung 20 bzw. 21 entnommen wird. Ein Teil der Flüssigkeit, also des Nährmediums, bildet einen Flüssigkeitsfilm über die gesarate, oberhalb des Flussigkeitsbulkes liegenden Bereich der inneren Oberfläche des Reaktionsgefässes 1 und der fla¬ chen, radial nach innen gerichteten Teile 3. Durch die gros- se Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Flüssigkeitsfilm ei¬ nerseits und dem eingebrachten Gas andererseits - in der Re- gel Luft und/oder CO2 - ist ein hoher interphasialer Stoff¬ transport gewährleistet, woduch sowohl die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und/oder anderen Gasen als auch die Einstellung eines gewünschten pH-Wertes vorgenommen wird.For the cultivation of cells, the reaction vessel 1 shown in FIG. 1 is set in a slowly rotating movement about its own horizontal longitudinal axis -1 ', comparable to a rolling culture. The speed of the movement is controlled in such a way that the liquid level in the reaction vessel 1 is predetermined by the level of the outlet opening 6 and the horizontal position of the reaction vessel 1. Due to the larger diameter of the opening 6 with respect to the inlet opening 5, the outlet is deeper than the lower edge of the opening 5, thereby preventing the liquid from escaping through the inlet opening 5. If it * voltage by improper handling or a possible malfunction to a liquid outlet through the Öff¬ 5 come, then the liquid in the tank 14 is moved up caught and discharged via line nineteenth The finished reaction product exits according to the arrows 11 along the flange 6 'into the container 15, from which it is removed via the line 20 or 21. Part of the liquid, that is to say the nutrient medium, forms a liquid film over the entire area of the inner surface of the reaction vessel 1 lying above the liquid bulk and the flat, radially inwardly directed parts 3. Through the large interface between the liquid and the liquid film On the one hand and the introduced gas on the other hand - usually air and / or CO2 - a high interphasial mass transport is guaranteed, which means that both the supply of cells with oxygen and / or other gases and the setting of a desired pH Value is made.
Für den Fall, dass die Kontrolle des pH-Wertes über die Gas¬ phase nicht ausreicht, kann über die Zufuhrleitung 9 für das Reaktionsmedium oder über eine nicht dargestellte zusätzli¬ che Leitung ein das pH regelndes Medium zugeführt werden, was, wie die Pfeile 10 andeuten, auch auf einzelne Reak¬ tionszwischenräume 2 gezielt erfolgen kann.In the event that the control of the pH value via the gas phase is insufficient, the supply line 9 for the Reaction medium or a pH-regulating medium can be supplied via an additional line (not shown), which, as indicated by the arrows 10, can also be carried out specifically on individual reaction interspaces 2.
Bei flachen, radial nach innen gerichteten Teilen 3, die nicht mit einem die Zellen immobilisierenden Belag versehen sind, befindet sich die Hauptmenge der suspendierenden Zel¬ len bzw. der die Zellen immobilisierenden Träger im Flüssig- keitsbulk des Reaktionsgefässes 1. Je nach dem Sedimenta- tionsverhalten der Zellen ist fallweise auch ein geringer Anteil des Zellgehaltes im Flüssigkeitsfilm an der inneren Oberfläche des Reaktionsgefässes zu finden.In the case of flat, radially inwardly directed parts 3 which are not provided with a coating that immobilizes the cells, the majority of the suspending cells or the carriers immobilizing the cells are located in the fluid bulk of the reaction vessel 1. Depending on the sediment behavior of the cells, a small proportion of the cell content in the liquid film can also be found on the inner surface of the reaction vessel.
Die Zuführung des frischen Nährmediums erfolgt entweder bei drehendem Reaktionsgefäss 1 , bzw. nach einem kurzen Still- stand desselben, vorzugsweise in die an der Eingangsδffnung 5 des Reaktionsgefässes 1 angeordneten Reaktionszwischenräu¬ me 2, um die Reaktionscharakteristik eines Rδhrenreaktors zu erzielen.The fresh nutrient medium is supplied either when the reaction vessel 1 is rotating, or after a short standstill thereof, preferably into the reaction spaces 2 arranged at the inlet opening 5 of the reaction vessel 1 in order to achieve the reaction characteristics of a tube reactor.
Im Fall der Kultur von Zellpellets,, Zellaggregaten, Micro- carriern oder von Zellen bzw. Biokatalysatoren in Mikrokap- seln wird das frische Nährmedium direkt in das rotierende Reaktionsgefäss 1 eingeführt, da das Sedimentationsverhalten dieser Partikel in der Regel ausreicht, um im Reaktionsge¬ fäss eine Zelldichte zu erreichen, die höher liegt, als es dem Gleichgewicht aus Zellwachstum minus Auswaschrate in ei¬ nem homogen durchmischten Reaktionsgefäss entspricht. Dies wird als Immobilisierungseffekt bezeichnet, welcher bei der erfindungsgemässen Vorrichtung graduell steuerbar ist.In the case of the culture of cell pellets, cell aggregates, microcarriers or of cells or biocatalysts in microcapsules, the fresh nutrient medium is introduced directly into the rotating reaction vessel 1, since the sedimentation behavior of these particles is usually sufficient to be in the reaction vessel to achieve a cell density which is higher than the equilibrium of cell growth minus wash-out rate in a homogeneously mixed reaction vessel. This is referred to as the immobilization effect, which can be gradually controlled in the device according to the invention.
Wenn nichtaggregierende Einzelzellen mit langsamer Sedimen- tation in der erfindungsgemässen Vorrichtung kultiviert wer¬ den und das Ausschwemmen der Zellen aus dem Reaktionsgefäss bzw. aus den einzelnen Reaktionszwischenräumen niedriger ge¬ halten werden soll als der natürlichen Zellzuwachsrate ent- spricht, dann ist eine kurze Unterbrechung der Rotationsbe¬ wegung des Reaktionsgefässes 1 vor der Zudosierung der Nähr¬ lösung einzulegen. Die Dauer des Stillstandes des Reaktions¬ gefässes richtet sich einerseits nach dem Sedimentationsver- halten der Zellen und andererseits nach dem gewünschten An¬ reicherungsgrad der Zellen. Der durch den Stillstand des Re¬ aktionsgefässes bewirkte Betriebszustand ist in Fig. 9 ver¬ anschaulicht.If non-aggregating individual cells with slow sedimentation are cultivated in the device according to the invention and the flushing out of the cells from the reaction vessel or from the individual reaction spaces is to be kept lower than the natural cell growth rate. speaks, then a brief interruption of the rotational movement of the reaction vessel 1 must be inserted before the nutrient solution is metered in. The duration of the standstill of the reaction vessel depends on the one hand on the sedimentation behavior of the cells and on the other hand on the desired degree of enrichment of the cells. The operating state brought about by the standstill of the reaction vessel is illustrated in FIG. 9.
Die über den natürlichen Zellzuwachs hinausgehende Anreiσhe- rung der Zelldichte bzw. der Menge des Biokatalysators pro Volumeneinheit des Reaktionsgefässes 1 bewirkt eine Be¬ schleunigung der biokatalytischen Umsetzungen und damit eine Erhöhung der Produktivität des Systems, also der Raum/Zeit- Produktivität, und führt zu höheren Mengen des zu erzeugen- den Produktes pro Volumeneinheit, also zu höheren Titern.The accumulation of the cell density or the amount of the biocatalyst per unit volume of the reaction vessel 1, which goes beyond the natural cell growth, causes an acceleration of the biocatalytic conversions and thus an increase in the productivity of the system, that is to say the space / time productivity, and leads to higher quantities of the product to be produced per unit volume, that is to say higher titers.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Vorrichtung ist auch dadurch gegeben, dass die Trennung des Reaktionsgefäs¬ ses in Reaktionszwischenräume neben einer künstlichen Anrei¬ cherung des Biokatalysators die bereits beschriebene Reak- tionscharakteristik eines Rδhrenreaktors erzielt, wodurch die erfindungsgemässe Vorrichtung geeignet ist, alle Phasen der physiologischen Differenzierung wachsender Zellen auf kontinuierlicher Basis zu reproduzieren, wodurch unabhängig von einem Zeitfaktor die Produktion der Zellen, die in be- stimmten Phasen der Entwicklung von Kulturen bevorzugt stattfindet, optimal für die Produktion auf kontinuierlicher Basis ausgenutzt wird. Tierische Zellen, die ihre Produkte bevorzugt als stationäre, d.h. als nur langsam oder über¬ haupt nicht propagierende Zellen abgeben, sind besonders vorteilhaft in diesem Reaktor zu kultivieren.A further advantage of the device according to the invention is also given in that the separation of the reaction vessel into reaction spaces, in addition to an artificial enrichment of the biocatalyst, achieves the reaction characteristics of a tube reactor already described, as a result of which the device according to the invention is suitable for all phases of physiological differentiation reproduce growing cells on a continuous basis, which means that regardless of a time factor, the production of the cells, which takes place preferentially in certain phases of the development of cultures, is optimally used for production on a continuous basis. Animal cells that prefer their products as stationary, i.e. as cells which only slowly or not at all release, are particularly advantageous to cultivate in this reactor.
Der interphasiale Stofftransport im Reaktionsgefäss 1 und damit die Versorgung der Zellen mit Nährstoffen sowie mit Sauerstoff oder anderen Gasen, der Immobilisierungseffekt auf die Zellen sowie die Charakteristik des Röhrenreaktors wird durch die Geometrie des Reaktionsgefässes 1 vorgegeben, und zwar im speziellen durch das Verhältnis von Durchmesser D zu Flüssigkeitshöhe H^ zur Länge LR des Reaktionszwi¬ schenraumes 2 des einzelnen in Fig. 4 wiedergegebenen Reak- tionszwischenraumes 2, sowie durch die Anzahl der kombinier¬ ten Reaktionszwischenräume 2 auf die Gesamtlänge des Reak¬ tionsgefässes 1 und die Betriebsbedingungen. Für biologische Reaktionen mit hohen Ansprüchen an den interphasialen Stoff¬ transport ist eine Segmentierung des Reaktionsgefässes 1 zu- gunsten eines hohen H^/LR-Verhältnisses bevorzugt. Kon¬ struktive Ausgestaltungen des Reaktionsgefässes 1 , die dar¬ auf abzielen, die inneren, und damit die wirksamen Oberflä¬ chen zu vergrδssern, sind z.B. durch eine reichere Struktu¬ rierung wie Aufrauhung des Materials an den inneren Ober- flächen des Reaktionsgefässes 1 oder durch andere Massnahmen möglich. Diese Massnahmen sind dazu geeignet, den mit der erfingsgemässen Vorrichtung erzielten Effekt einer hohen benetzbaren oder beschάchtbaren Oberfläche im Verhältnis zum effektiven Reaktionsflüssigkeitsvolumen wesentlich zu ver- grδssern.The interphasial mass transfer in the reaction vessel 1 and thus the supply of the cells with nutrients and with oxygen or other gases, the immobilization effect on the cells and the characteristics of the tube reactor is determined by the geometry of the reaction vessel 1, specifically by the ratio of the diameter D to the liquid height H ^ to the length L R of the reaction space 2 of the individual reaction space 2 shown in FIG. 4, and by the number of combined ¬ th reaction spaces 2 on the total length of the reaction vessel 1 and the operating conditions. For biological reactions with high demands on the interphasial material transport, a segmentation of the reaction vessel 1 in favor of a high H ^ / LR ratio is preferred. Structural designs of the reaction vessel 1, which aim to enlarge the inner and thus the effective surfaces, can be achieved, for example, by a richer structure such as roughening of the material on the inner surfaces of the reaction vessel 1 or by other measures possible. These measures are suitable for substantially increasing the effect of a high wettable or moldable surface achieved with the device according to the invention in relation to the effective reaction liquid volume.
Die Verweilzeitcharakteristik der durchströmenden Flüssig¬ keit, das Sedimentationsverhalten der Zellen in den einzel¬ nen Reaktionszwischenräumen 2 des Reaktionsgefässes 1 und das effektive Verhältnis von benetzbarer innerer Oberfläche des Reaktionsgefässes 1 zum Flüssigkeitsvolumen, kann durch eine von der zylindrischen Form abweichende Konfiguration verändert werden und damit den physiologischen Erfordernis¬ sen der Zellen optimal angepasst werden. Die in Fig. 5 und 6 schematisch dargestellten kegelstumpffδrmigen Reaktionsge- fasse sind derartige Beispiele. Je nach dem Öffnungswinkel des Mantels, dem Abstand und der Höhe der einzelnen Ring¬ scheiben 3a zueinander kann das Verhältnis von benetzbarer Oberfläche zu Flüssigkeitsvolumen, das Sedimentationsver¬ hältnis der Zellen und damit die Verweilzeit der Zellen bzw. Biokatalysatoren beeinflusst werden. In Fig. 8 ist ein Betriebszustand der erfindungsgemässen Vorrichtung wiedergegeben, in welchem die Zellen durch Zen¬ trifugalkraft, die grosser ist als die zweifache Erdbe¬ schleunigung, im schneller rotierenden Reaktionsgef ss 1 zu- rückgehalten werden, während die Reaktionsflüssigkeit im Re¬ aktionsgefäss kontinuierlich erneuert wird. Die im Reak¬ tionsgefäss durch die Zentrifugalkraft zurückgehaltenen Zel¬ len bilden an der Innenwandung des Reaktionsgefässes 1 ein Sediment, während die Flüssigkeit im Reaktionsgefäss durch Zufuhr frischer Lösung durch die Öffnung 5 ausgetauscht wird. Eine weitgehende Entfernung der Flüssigkeit aus dem Inneren des Reaktionsgefässes 1 ist durch zusätzliche in dieser Figur nicht dargestellte Ableitungsrohre zum Abzug der Flüssigkeit möglich. In dieser Variante des Betriebes wird eine Absaugleitung, deren Öffnung nahe dem zylindri¬ schen Mantel des Reaktionsgefässes 1 angeordnet und die im Normalbetriebszustand geschlossen ist, geöffnet, wodurch die durch die Zentrifugalkräfte an die Wand des Reaktionsgefäs¬ ses 1 gedrückte Flüssigkeit abgezogen wird. Die als Ring- Scheiben ausgebildeten flachen, radial nach innen gerichte¬ ten Teile 3 erlauben dabei ein Nachströmen der Flüssigkeit von Eingang 5 des Reaktionsgefässes 1 bis zur Absaugleitung und so eine weitgehende Erneuerung des Flüssigkeitsinhaltes des Reaktionsgefässes 1 sowie ein Freiwaschen von "alten" Flüssigkeitsbestandteilen mit einem reduzierten Flüssig¬ keitsvolumen, welches zur Erneuerung der flüssigen Phase ge¬ nerell notwendig ist.The residence time characteristic of the liquid flowing through, the sedimentation behavior of the cells in the individual reaction spaces 2 of the reaction vessel 1 and the effective ratio of wettable inner surface of the reaction vessel 1 to the liquid volume can be changed by a configuration deviating from the cylindrical shape and thus the physiological requirements of the cells are optimally adapted. The frustoconical reaction vessels shown schematically in FIGS. 5 and 6 are examples of this. Depending on the opening angle of the jacket, the distance and the height of the individual ring disks 3a to one another, the ratio of wettable surface to liquid volume, the sedimentation ratio of the cells and thus the residence time of the cells or biocatalysts can be influenced. 8 shows an operating state of the device according to the invention, in which the cells are retained in the faster rotating reaction vessel 1 by centrifugal force which is greater than twice the acceleration of gravity, while the reaction liquid in the reaction vessel is continuous is renewed. The cells retained in the reaction vessel by the centrifugal force form a sediment on the inner wall of the reaction vessel 1, while the liquid in the reaction vessel is exchanged by supplying fresh solution through the opening 5. Extensive removal of the liquid from the interior of the reaction vessel 1 is possible by means of additional discharge pipes for drawing off the liquid, which are not shown in this figure. In this variant of the operation, a suction line, the opening of which is arranged near the cylindrical jacket of the reaction vessel 1 and which is closed in the normal operating state, is opened, whereby the liquid pressed against the wall of the reaction vessel 1 by the centrifugal forces is drawn off. The flat, radially inwardly directed parts 3 designed as ring disks allow the liquid to flow in from the inlet 5 of the reaction vessel 1 to the suction line and thus largely replace the liquid content of the reaction vessel 1 and also wash away "old" liquid components a reduced liquid volume, which is generally necessary for the renewal of the liquid phase.
In Fig. 9 ist eine schematisσhe Betriebsweise der erfin¬ dungsgemässen Vorrichtung gezeigt, bei welcher die an den inneren Oberflächen des Reaktionsgefässes 1 anhaftenden Bio¬ katalysatoren, nämlich Zellen, bzw. die funktioneilen Zell¬ bestandteile, wie z.B. Enzyme, für eine bestimmte Reaktion eingesetzt werden. Wie schon weiter oben im Zusammenhang mit suspendierten Partikeln erwähnt, ist in diesem Fall das Ver- hältnis von besiedelbarer und benetzbarer Oberfläche zu dem reaktiven Flüssigkeitsvolumen im Reaktionsgefäss für den Er- folg der biologischen Umsetzung, im speziellen für die er¬ zielbare Reaktor-Raum/Zeit-Produktivität, ausschlaggebend.FIG. 9 shows a schematic operating mode of the device according to the invention, in which the biocatalysts adhering to the inner surfaces of the reaction vessel 1, namely cells, or the functional cell components, such as enzymes, are used for a specific reaction become. As already mentioned above in connection with suspended particles, in this case the ratio of the settable and wettable surface to the reactive liquid volume in the reaction vessel is important for the following the biological implementation, in particular for the achievable reactor space / time productivity.
Für den Einsatz der erfindungsgemässen Vorrichtung unter Verwendung von spezifisch an den effektiven Oberflächen ge- bundenen Biokatalysatoren, und zwar unabhängig davon, ob es Zellen oder deren funktioneile Bestandteile sind, gelten analoge Prinzipien wie vergleichsweise für in der Flüssig¬ keit suspendierte Partikel hinsichtlich des interphasialen Stofftransportes in Relation zum Oberflächen/Volumen-Ver- hältnis und des Verweilzeitverhaltens von Flüssigkeitsteil¬ chen und dem Biokatalysator. Die effektive Oberfläche, wel¬ che zur Bindung der Zellen und/oder anderen Biokatalysatoren durch elektrostatische Verhältnisse oder andere Bindungsme¬ chanismen zur Verfügung stehen, ist für das Ergebnis der im Reaktionsgefäss ausgeführten Reaktion wichtig. Fig. 9 zeigt in schematisσher Darstellung die an die inneren Oberflächen des Reaktionsgefässes zur Umsetzung der Reaktionsflüssigkeit in kontinuierlicher Verfahrensweise immobilisierten Biokata¬ lysatoren-Schichten 13.For the use of the device according to the invention using biocatalysts which are specifically bound to the effective surfaces, regardless of whether they are cells or their functional components, analogous principles apply as compared to particles suspended in the liquid with regard to the interphasial mass transfer in relation to the surface / volume ratio and the residence time behavior of liquid particles and the biocatalyst. The effective surface, which is available for binding the cells and / or other biocatalysts through electrostatic conditions or other binding mechanisms, is important for the result of the reaction carried out in the reaction vessel. 9 shows a schematic representation of the biocatalyst layers 13 immobilized on the inner surfaces of the reaction vessel for converting the reaction liquid in a continuous process.
Die Beladungsdichte der inneren Oberflächen des erfindungs¬ gemässen Reaktionsgefässes mit Biokatalysatoren ist von der Wahl des Werkstoffes für die Beschichtung und gegebenenfalls noch von zusätzlichen Massnahmen abhängig.The loading density of the inner surfaces of the reaction vessel according to the invention with biocatalysts depends on the choice of the material for the coating and, if necessary, on additional measures.
Als Werkstoff für die Ausführung der inneren Oberflächen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind Glas, Metallegierungen, Porzellan oder Kunststoffe usw. verwendbar, welche aufgrund ihrer Ladung oder aufgrund ihrer chemisch reaktiven Gruppen die Bindung eines Biokatalysators ermöglichen. Auch inerte Materialien können vorzugsweise für die Behandlung suspen- dierter Biokatalysatoren eingesetzt werden.Glass, metal alloys, porcelain or plastics, etc. can be used as the material for the execution of the inner surfaces of the device according to the invention, which, because of their charge or because of their chemically reactive groups, enable the binding of a biocatalyst. Inert materials can also preferably be used for the treatment of suspended biocatalysts.
Auch Polymerisationsreaktionen oder Reaktionen, die aufgrund einer Änderung der Temperatur die Bindung von Biokatalysato¬ ren ermöglichen, können für die Beladung der wirksamen Ober- flächen des Reaktionsgefässes verwendet werden.Polymerization reactions or reactions which enable the binding of biocatalysts due to a change in temperature can also be used to load the active surface surfaces of the reaction vessel are used.
Die bisherige Beschreibung anhand einiger Zeichnungen hatte dazu gedient, den Erfindungsgegenstand einfach zu erklären. Es ist selbstverständlich, dass alle Zeichnungen den Erfin- dungsgegenstand bzw. seine Bestandteile und seine Funktions¬ weise darstellen. In allen Zeichnungen sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen. Nachfolgend werden al¬ le Zeichnungen übersichtlich beschrieben, wobei die Bezugs¬ ziffern numerisch hintereinander beschrieben werden.The previous description based on a few drawings had served to explain the subject of the invention in a simple manner. It goes without saying that all drawings represent the subject of the invention or its components and its mode of operation. In all drawings, the same parts are provided with the same reference numbers. All drawings are clearly described below, the reference numbers being described numerically one after the other.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Gesamt¬ einlage wobei die Führung der einzelnen Phasen durch das Re¬ aktionsgefäss 1 angedeutet ist. Das Rotationsgefäss 1 ist um eine horizontale Längsachse 1 ' drehbar gelagert und am lin¬ ken Ende mit einer Abschlussscheibe 1 " versehen. Im Inneren des Reaktionsgefässes sind Zwischenräume 2 ausgebildet, de¬ ren oberer Rand im unteren Teil das Flüssigkeitsniveau 2 ' bestimmt. Diese Reaktionszwischenräume 2 sind durch flache, radial nach innen gerichtete Teile 3 begrenzt. Die flachen, radial nach innen gerichteten Teile 3 sind verschiedenartig ausgebildet. Als 3a ist eine ungelochte Ringscheibe bezeich¬ net, die die Funktion einer Trennringscheibe übernehmen kann. Eine Ringscheibe 3b ist mit veränderter Oberflächen¬ strukturen versehen, z.B. mit Rillen, Erhöhungen oder ande¬ ren Flächendeformationen. Eine gelochte Ringscheibe 3c dient zur Durchstrδmung der Flüssigkeit. Die Ringscheibe 3d be¬ steht aus ringförmig angeordneten Segmenten. Alle Ringschei¬ ben 3a bis 3d sind mit zentralen Löchern 3' versehen. 3" sind ringförmige Halterungen, die erleichtern, die Ring¬ scheiben im Reaktionsgefäss 1 zu halten. Anstelle der ring- fδrmigen Halterungen kann man auch z.B. einfache Erweiterun¬ gen der Ringscheiben verwenden oder im Umfang der Ringschei¬ ben je einen O-Ring einsetzen. Die Ringscheiben sind zweck¬ mässig mit Belägen 3"' versehen, die aus Flor, Vlies oder Schwamm bestehen können, so dass die aktive Oberfläche ver- grδssert wird. Man kann selbstverständlich auch Mittel ver- wenden, die die Benetzbarkeit der Oberfläche vergrδssern. Gemäss Fig. 1 ist das rotierende Reaktionsgefäss auf je zwei Paaren von Rollen 4 gelagert, wobei zwei weitere Paare von Rollen 4 die Oberfäche des Reaktionsgefässes vom oberen Teil halten, um die Lage des Reaktionsgefässes 1 auch während grόsser Geschwindigkeiten zu sichern, mit welchen man die Verteilung der Flüssigkeit infolge der Rotationskraft er¬ reichen kann.1 shows a schematic section through an overall insert, the guidance of the individual phases through the reaction vessel 1 being indicated. The rotating vessel 1 is rotatably mounted about a horizontal longitudinal axis 1 'and is provided with an end plate 1 "at the left end. Gaps 2 are formed in the interior of the reaction vessel, the upper edge of which determines the liquid level 2' in the lower part. These reaction gaps 2 are delimited by flat, radially inwardly directed parts 3. The flat, radially inwardly directed parts 3 are designed in different ways: 3a is an unperforated washer which can act as a separating washer Provided surface structures, for example with grooves, ridges or other surface deformations. A perforated washer 3c is used to flow through the liquid. The washer 3d consists of segments arranged in a ring. All washers 3a to 3d are provided with central holes 3 '. 3 "are ring-shaped mounts that facilitate the ring slices to keep the reaction vessel first Instead of the ring-shaped holders, it is also possible, for example, to use simple extensions of the ring disks or to insert an O-ring in the circumference of the ring disks. The ring disks are expediently provided with coverings 3 ″, which can consist of pile, fleece or sponge, so that the active surface is enlarged. Of course, agents can also be used. turn, which increase the wettability of the surface. 1, the rotating reaction vessel is mounted on two pairs of rollers 4, two further pairs of rollers 4 holding the surface of the reaction vessel from the upper part in order to secure the position of the reaction vessel 1 even at high speeds at which the Distribution of the liquid can reach due to the rotational force.
Die Rotationskraft kann sowohl zum Mischen als auch zum Se- dimentieren verwendet werden. Die Wellen der Rollen 4 sind mit 4' bezeichnet. Die Halterungen der Wellen 4' sind nicht dargestellt, da es sich um selbstverständliche Konstruktio¬ nen handelt, die allgemein bekannt sind. Dies betrifft auch andere Bestandteile, z.B. der Motorantrieb des Reaktionsge- fässes und die Befestigungsmittel von anderen Behältern. Die Öffnung 5 dient für die Zufuhr von Gas und Nährlösung. Die Öffnung 6 auf der rechten Seite der Fig. 1 ist für den Abzug bzw. die Abfuhr des Gases und der Nährlösung bestimmt. Diese Öffnung 6 ist mit einem Flansch 6' versehen. Im linken Teil der Zeichnung ist mit einem dicken Pfeil die Gaszufuhr dar¬ gestellt, mit einem dicken Pfeil im rechten Teil die Gasab¬ leitung 8. Im linken Teil ist gestrichelt eine in das Innere reichende Leitung für die Nährlösung eingezeichnet, wobei die Pfeile 10 die Richtungen zeigen, in welchen die Nährlδ- sung strömen kann. Im rechten Teil sieht man die Abfuhr 11 des fertigen Reaktionsproduktes, die mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Abnahmestellen des Reaktionsproduktes sind mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet. Auf den für die Re¬ aktion wirksamen Teilen bildet sich eine dünne Schicht 13 aus Reaktionsflüssigkeit, was den Austausch zwischen der Re¬ aktionsflüssigkeit und dem Reaktionsgas fördert. Um die Ver¬ bindung zwischen zwei seitlichen Behältern 14 und 15 mit dem rotierenden Reaktionsgefäss 1 zu schaffen, sind beidseitig Labyrinthdichtungen 16 ausgeführt. Als ein Teil dieser Laby- rinthdichtungen dienen die Wände der Behälter 14, 15, gegen¬ über ihnen ringförmige Scheiben 16' der Labyrinthdichtung 16 - 1 9 -The rotational force can be used for mixing as well as for sedimentation. The shafts of the rollers 4 are designated 4 '. The brackets for the shafts 4 'are not shown, since these are self-evident constructions which are generally known. This also applies to other components, for example the motor drive of the reaction vessel and the fastening means of other containers. The opening 5 serves for the supply of gas and nutrient solution. The opening 6 on the right side of FIG. 1 is intended for the removal or removal of the gas and the nutrient solution. This opening 6 is provided with a flange 6 '. In the left part of the drawing, the gas supply is shown with a thick arrow, with a thick arrow in the right part, the gas discharge line 8. In the left part, a line extending into the interior for the nutrient solution is shown in broken lines, with the arrows 10 indicating the Show directions in which the nutrient solution can flow. In the right part you can see the discharge 11 of the finished reaction product, which is shown with a dashed arrow. Tapping points of the reaction product are designated by reference number 12. A thin layer 13 of reaction liquid forms on the parts which are effective for the reaction, which promotes the exchange between the reaction liquid and the reaction gas. In order to create the connection between two lateral containers 14 and 15 with the rotating reaction vessel 1, labyrinth seals 16 are implemented on both sides. The walls of the containers 14, 15 serve as part of these labyrinth seals, with annular disks 16 ′ of the labyrinth seal 16 opposite them - 1 9 -
befestigt sind. Punktierte Pfeile 17 zeigen Austritte von Reaktionsgas. Die ganze Vorrichtung ist in einem angeschlos¬ senen Raum 18 gelagert und befestigt. Aus dem linken Behäl¬ ter 14 führt eine Abfuhrleitung 19, aus dem rechten Behälter 15 zwei Entnahmeleitungen 20, 21. Die Flüssigkeit befindet sich im Boden 22. Sedimentierte Biokatalysatoren sind mit 23 und sedimentierte Trägerpartikel mit 24 benannt. Eine Messonde 25 kann verschiedene gewünschte Werte messen.are attached. Dotted arrows 17 show escaping reaction gas. The entire device is stored and fastened in a connected room 18. A discharge line 19 leads from the left-hand container 14 and two removal lines 20, 21 from the right-hand container 15. The liquid is located in the bottom 22. Sedimented biocatalysts are identified by 23 and sedimented carrier particles by 24. A measuring probe 25 can measure various desired values.
Fig. 1a zeigt im Detail und vergrδssertem Massstab den lin- ken Teil des Reaktionsgefässes 1 aus der Fig. 1. In dieser Zeichnung ist gut sichtbar, dass die gelochten Ringscheiben 3c die Strömung der Flüssigkeit zwischen den Reaktionszwi¬ schenräumen 2 erlauben und dass demgegenüber die ungelochte Ringscheibe 3a da als Trennringscheibe dient, die die linken Reaktionszwischenräume 2 von den rechten trennt. Bei denFIG. 1a shows in detail and on an enlarged scale the left part of the reaction vessel 1 from FIG. 1. In this drawing it is clearly visible that the perforated annular disks 3c allow the flow of the liquid between the reaction interstices 2 and that in contrast the Unperforated washer 3a serves as a separating washer, which separates the left reaction spaces 2 from the right. Both
Rollen 4 sind auch zusätzlich die schon erwähnten Wellen 4' dargestellt.Rollers 4 also show the shafts 4 'already mentioned.
In der Fig. 2 sind die schon vorher genannten vier Beispiele der Ringscheiben 3a bis 3d gezeigt. Die Ringscheibe 2a ist auch mit einem Belag 3"' versehen, was gut in der Fig. 3 sichtbar ist, die den Schnitt III-III aus der Fig. 2a zeigt. In der Fig. 2b ist eine konstruktive Ausbildung ge¬ zeigt, wo die Ringscheibe 3b geprägte Oberflächen aufweist; in Fig. 2c ist eine gelochte Ringscheibe 3c und in Fig. 2d ist die Ringscheibe in vier Segmente 3d geteilt, so dass zwischen ihnen freie Räume für den Durchfluss der Flüssig¬ keit vorhanden sind, die dieselbe Aufgabe haben, wie die Löcher 3c' in der gelochten Ringscheibe 3c gemäss Fig. 2c. In. der Fig. 4 sehen wir zwei Ringscheiben 3. Bei diesen zwei Ringscheiben 3 sind der äussere Durchmesser D, die Flüssig- keitshδhe HL und Reaktionszwischenraumlänge LR einge¬ zeichnet.2 the four examples of the ring disks 3a to 3d already mentioned are shown. The annular disk 2a is also provided with a coating 3 ″, which is clearly visible in FIG. 3, which shows the section III-III from FIG. 2a. In FIG. 2b, a structural design is shown where the annular disk 3b has embossed surfaces; in FIG. 2c there is a perforated annular disk 3c and in FIG. 2d the annular disk is divided into four segments 3d, so that there are free spaces between them for the flow of the liquid, which have the same task like the holes 3c 'in the perforated washer 3c according to Fig. 2. In Fig. 4 we see two washers 3. In these two washers 3 the outer diameter D, the liquid height HL and the reaction space length LR are shown .
Die Ausführungsform gemäss Fig. 5 weist ein konisches Reak¬ tionsgefäss 1 auf, wobei die ungelochten Ringscheiben 3a bis zu einem einheitlichen Flüssigkeitsniveau 21 reichen.The embodiment according to FIG. 5 has a conical reaction vessel 1, the non-perforated annular disks 3a to sufficient for a uniform liquid level 2 1 .
Die Lösung gemäss Fig. 6 verwendet wieder ein konisches Re¬ aktionsgef ss 1 , die Ringscheiben 3a sind jedoch stufenweise angeordnet, so dass auch eine stufenweise Abstufung des Flüssigkeitsniveaus 2' erreicht wird. Mit der Bezugsziffer 13 sind sich im Betrieb ausbildende dünne Schichten aus Re¬ aktionsflüssigkeit auf den Ringscheiben 3a und inneren Flä¬ chen des Reaktionsgefässes 1 versehen.6 again uses a conical reaction vessel 1, but the annular disks 3a are arranged in stages, so that a gradual gradation of the liquid level 2 'is also achieved. With the reference number 13, thin layers of reaction liquid which form during operation are provided on the annular disks 3a and inner surfaces of the reaction vessel 1.
Die Lösung nach Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, in der in den Reaktionszwischenräumen 2 in der Nährlösung suspendierte Zellen schematisch eingezeichnet sind. Die in der Fig. 2d dargestellten getrennten Segmente 3d sind in diesem Beispiel schneckenartig im Inneren des Reaktionsgefässes 1 angeordnet und können auch so als wenigstens eine kontinuierliche Fδr- derschneσke ausgebildet sein. Diese Lösung hat den Vorteil, dass in bezug auf die Rotationsbewegung des Reaktionsgefäs¬ ses die Flüssigkeit in der entsprechenden Richtung transpor¬ tiert wird. Die Segmente 2d können auch einen schneckenarti¬ gen Förderstreifen bilden.The solution according to FIG. 7 shows an embodiment in which cells suspended in the nutrient solution are shown schematically in the reaction spaces 2. In this example, the separate segments 3d shown in FIG. 2d are arranged in the form of a screw inside the reaction vessel 1 and can also be designed as at least one continuous screw conveyor. This solution has the advantage that the liquid is transported in the corresponding direction with respect to the rotational movement of the reaction vessel. The segments 2d can also form a screw-like conveyor strip.
Fig. 8 zeigt eine Verwendung der erfindungsgemässen Vorrich¬ tung als eine Zentrifuge. Das Reaktionsgefäss 1 wird mit ho¬ her Drehzahl angetrieben, so dass .sich die Nährlösung über den ganzen inneren Umfang des Reaktionsgefässes verteilt und die Biokatalysatoren sedimentieren.8 shows a use of the device according to the invention as a centrifuge. The reaction vessel 1 is driven at high speed, so that the nutrient solution is distributed over the entire inner circumference of the reaction vessel and the biocatalysts sediment.
Die Fig. 9 zeigt einen Zustand der Vorrichtung, bei dem an der Innenseite des Reaktionsgefässes und der flachen, radial nach innen gerichteten Teile 3 Zellen oder Biokatalysatoren in Schichten 13 immobilisiert sind.FIG. 9 shows a state of the device in which 3 cells or biocatalysts are immobilized in layers 13 on the inside of the reaction vessel and the flat, radially inwardly directed parts.
Fig. 10 zeigt eine Lösung, bei der beispielsweise zwei schon früher beschriebene Vorrichtungen in Serie angeschlossen sind. Selbstverständlich kann man eine grδssere Anzahl von diesen Vorrichtungen in Serie anschliessen. Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, in der schematisch die sedimentierten Trägerpartikel 24 eingezeichnet sind. Die übrige Funktionsweise entspricht der schon beschriebenen.Fig. 10 shows a solution in which, for example, two previously described devices are connected in series. Of course, a larger number of these devices can be connected in series. 11 shows an embodiment in which the sedimented carrier particles 24 are shown schematically. The remaining functionality corresponds to that already described.
Fig. 12 und 13 zeigen den linken Teil eines Reaktionsgefäs- ses, wobei dieser Teil sowohl zur Zufuhr als auch zur Abfuhr von Flüssigkeiten und Gasen verwendet wird. Das Reaktionsge¬ fäss 1 ist in diesem Beispiel mit einer ungelochten Ring¬ scheibe 3a unterteilt. Diese Ringscheibe 3a ist. auch mit der ringförmigen Halterung 3" versehen, so dass man ihre Lage in Längsrichtung in dem Reaktionsgefäss einstellen kann. Wie besonders gut in der Fig. 13 sichtbar ist, ist das Gaszu¬ fuhrrohr 7 in der Abschlussscheibe 1" gelagert, ebenfalls das Gasableitungsrohr 8. Aus der Fig. 12 ersieht man gut die Länge dieser Rohre. Im unteren Teil der Abschlussscheibe 1" ist ein kürzeres L-fδrmiges Rohr 26 für die Flüssigkeitszu¬ leitung gezeigt, das mit einem rechtwinklig gebogenen Teil 26' versehen ist. Ahnlich ist ein läng-eres L-fδrmiges Rohr 27 für die Flüssigkeitszuleitung angeordnet, das ebenfalls einen rechtwinklig gebogenen Teil 27' aufweist. In derselben Abschlussscheibe 1 " ist auch ein kürzeres L-fδrmiges Rohr 28 für die Flüssigkeitsentnahme mit einem rechtwinklig geboge¬ nen Teil 28' dargestellt. Daneben ist ein längeres L-fδrmi¬ ges Rohr 29 für die Flüssigkeitsentnahme abgebildet, das ebenfalls einen rechtwinklig gebogenen Teil 29* aufweist. Die letztgenannten zwei Rohre 28 und 29 sind in der An¬ schlussscheibe drehbar angeordnet so dass man ihre recht¬ winklig gebogene Teile 281, 29' durch Drehen des horizonta¬ len Teiles der Rohre nach oben und wieder nach unten bewe¬ gen kann. In den Figuren 12 und 13 sind diese Rohre 28 und 29 in der Lage eingezeichnet, in welcher ihre Enden bis zum Boden des Reaktionsgefässes 1 reichen, so dass man voll die Flüssigkeit entleeren kann. In der Fig. 13 sieht man, dass man die Rohre 28 und 29 so in den Richtungen der Pfeile 30 drehen kann, dass die Enden der genannten Rohre bis oberhalb des Flüssigkeitsniveaus 2' kommen und somit kein Absaugen der Flüssigkeit stattfinden kann. Die genaue Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung wird nachstehend anhand eines mit dieser Vorrichtung ausgeführten Verfahrensbeispiels beschrieben.12 and 13 show the left part of a reaction vessel, this part being used both for supplying and for removing liquids and gases. In this example, the reaction vessel 1 is subdivided with an unperforated washer 3a. This washer 3a is. also provided with the ring-shaped holder 3 ", so that its position in the longitudinal direction in the reaction vessel can be adjusted. As can be seen particularly well in FIG. 13, the gas supply pipe 7 is mounted in the cover plate 1", likewise the gas discharge pipe 8 12 clearly shows the length of these tubes. In the lower part of the cover plate 1 ″, a shorter L-shaped tube 26 for the liquid supply line is shown, which is provided with a part 26 ′ bent at right angles. Similarly, a longer L-shaped pipe 27 for the liquid supply line is arranged, the also has a part 27 'bent at right angles. A shorter L-shaped tube 28 for the removal of liquid with a part 28' bent at right angles is also shown in the same lens 1 ". In addition, a longer L-shaped tube 29 for liquid removal is shown, which also has a part 29 * bent at right angles. The latter two pipes 28 and 29 are rotatably arranged in the connecting disk so that their parts 28 1 , 29 'bent at right angles can be moved up and down by rotating the horizontal part of the pipes. FIGS. 12 and 13 show these tubes 28 and 29 in the position in which their ends extend to the bottom of the reaction vessel 1, so that the liquid can be emptied completely. 13 shows that the tubes 28 and 29 can be rotated in the directions of the arrows 30 in such a way that the ends of the said tubes come above the liquid level 2 'and therefore no suction of the liquid can take place. The exact function of the device according to the invention is described below with reference to a method example carried out with this device.
BEISPIEL ZUR VERANSCHAOLICHUNG DER FUNKTION DES REAKTORSEXAMPLE OF ILLUSTRATING THE FUNCTION OF THE REACTOR
Verwendete Materialien und MethodenMaterials and methods used
Zellinie: Maus/Maus Hybridoma-Linie 3RFUD6C3 aus der Samm¬ lung des Instituts für angewandte Mikrobiologie (IAM) produ¬ ziert einen monoklonalen Antikörper der Klasse IgG mit nicht näher definierter Spezifität und wurde für alle Versuche verwendet.Cell line: Mouse / mouse hybridoma line 3RFUD6C3 from the collection of the Institute for Applied Microbiology (IAM) produces a monoclonal antibody of the IgG class with unspecific specificity and was used for all experiments.
Nährmedium: Dulbeccos DMEM H21 (Fa. Gibco) plus 5 % foetales Kälberserum (Fa. PAA-Labor, Gallneukirchen) wurde für alle Versuche ohne weitere Zusätze verwendet.Nutrient medium: Dulbecco's DMEM H21 (Gibco) plus 5% fetal calf serum (PAA laboratory, Gallneukirchen) was used for all experiments without further additives.
Bereitung des Inoculums:Preparation of the inoculum:
Die Zellinie wurde zunächst in Rouxflaschen (Einwegware der Fa. Nunc AG, Dänemark) 4 Tage bei 37 βC vorgezogen und hier¬ auf der gesamte Inhalt der Rouxflasche in eine Rollerflasche aus Glas (Standardausführung) übergeführt und mit frischem Nährmedium weitere 3 Tage bei 37 βC und einer Rollerge- schwindigkeit von ca. 1 Umdrehung pro Minute inkubiert. Nach 3 Tagen wurde die Rollerflasche von Hand durchgeschüttelt, um an der Wand haftende Zellen in Suspension zu bringen und die Zellzahl und der IgG-Gehalt analysiert. 100 ml der so kontrollierten Kultur wurden für die Beimpfung der erfin- dungsgemässen Vorrichtung verwendet.The cell line was (Denmark disposable goods, the Fa. Nunc AG) preferred initially in Rouxflaschen 4 days at 37 β C and hier¬ of glass on the entire contents of Roux flask to a roller bottle (standard version) transferred with fresh nutrient medium for another 3 days at 37 β C and a roller speed of approx. 1 revolution per minute. After 3 days, the roller bottle was shaken by hand to suspend cells adhering to the wall and the cell number and the IgG content were analyzed. 100 ml of the culture thus controlled were used for inoculating the device according to the invention.
Versuchsanordnung mit der erfindungsgemässen Vorrichtung (kurz Reaktor)Experimental arrangement with the device according to the invention (reactor for short)
Der Reaktor wurde für die Versuchsdurchführung mit 12 löch¬ rigen, lamellenartig angeordneten Ringscheiben im Abstand von ca. 1 cm zueinander gepackt. Im Abstand von 13 cm zum Reaktoreingang wurde eine Ringscheibe 3a eingesetzt, welche nur mit einer zentralen Öffnung 3' versehen war, so dass der Reaktor im Abstand von 13 cm in der Längsrichtung unterteilt war. Weitere 30 Ringscheiben im Abstand von ca. 1 cm befan¬ den sich im zweiten Segment des Reaktors.For carrying out the experiment, the reactor was spaced apart with 12-hole, lamellar ring disks of about 1 cm packed together. At a distance of 13 cm from the reactor inlet, an annular disc 3a was used, which was only provided with a central opening 3 ', so that the reactor was divided at a distance of 13 cm in the longitudinal direction. A further 30 ring disks at a distance of approximately 1 cm were located in the second segment of the reactor.
Die Gesamtlänge des Reaktors betrug 50 cm, der Durchmesser 10 cm und insgesamt enthielt der Reaktor 43 Ringscheiben 3.The total length of the reactor was 50 cm, the diameter was 10 cm and the reactor contained a total of 43 ring disks 3.
Das Material des Reaktors bestand aus Glas. Für die Ring- Scheiben wurde Polyester verwendet, dessen Oberfläche faser¬ artig modifiziert war. Der äussere Durchmesser der Ring¬ scheiben betrug 10 cm, der innere Durchmesser ca. 5,5 cm.The material of the reactor was made of glass. Polyester was used for the ring washers, the surface of which was modified in a fibrous manner. The outer diameter of the washers was 10 cm, the inner diameter was about 5.5 cm.
Der so aufgebaute Reaktor wurde nacheinander mit 0,1 n HC1, mit Leitungswasser, mit 0,1 n NaOH und zuletzt mit destil- liertem Wasser gründlich gereinigt und dann im Autoklaven 1 Stunde bei 120 °C sterilisiert (n = normal).The reactor constructed in this way was thoroughly cleaned in succession with 0.1 N HC1, with tap water, with 0.1 N NaOH and finally with distilled water and then sterilized in an autoclave at 120 ° C. for 1 hour (n = normal).
Der sterile und leere Reaktor wurde im Brutraum bei 37 βC vortemperiert und auf dem Rollerapparat (New;. Brunswick) bei ca. 1 Upm gerollt. Gleichzeitig wurde der Reaktor mit einem sterilen feuchten Gasgemisch von 95 % Luft und 5 % CO2 durchgast. Hydrophobe Filter mit der Ausschlussgrenze von 0,2 Mikrometer (Fa. Pall) sorgten für die Sterilhaltung. Durch eine Zuleitung in den Eingang des Reaktors wurde der leere Reaktor mit 100 ml Inokulum aus der Rollerflasche mit- tels einer peristaltischen Pumpe inokuliert. Der Reaktor wurde während der gesamten Prozedur mit ca. 1 Upm gerollt. Das Inokulieren nahm ca. 10 Minuten in Anspruch, wobei das in das erste Segment zugeführte Zell-Inokulum weitgehend von den 13 Lamellen als Kapillarflüssigkeit aufgesaugt wurde.The sterile and empty reactor was preheated in an incubation room at 37 C β and rolled on the roller apparatus (New Brunswick ;.) at about 1 rpm. At the same time, the reactor was gasified with a sterile, moist gas mixture of 95% air and 5% CO2. Hydrophobic filters with an exclusion limit of 0.2 micrometers (Pall) ensured sterility. The empty reactor was inoculated with a 100 ml inoculum from the roller bottle by means of a peristaltic pump through a feed line into the inlet of the reactor. The reactor was rolled at approximately 1 rpm throughout the procedure. The inoculation took approximately 10 minutes, the cell inoculum fed into the first segment being largely absorbed by the 13 lamellae as capillary fluid.
Nachdem sich das Inokulum im Reaktor befand, wurde mit der gleichen peristaltischen Pumpe über ein T-Stück im Ansaug¬ schlauch ca. 150 ml frisches Nährmedium zudosiert. Das erste Segment des Reaktors war danach bis zu einem Flüssigkeits¬ niveau von ca. 2,5 cm gefüllt.After the inoculum was in the reactor, about 150 ml of fresh nutrient medium were metered in with the same peristaltic pump via a T-piece in the suction tube. The first The segment of the reactor was then filled to a liquid level of approximately 2.5 cm.
Der Reaktor wurde danach weiter mit 1 Upm gerollt und ohne weitere Zudosierung von Nährmedium mit ca. 0,5 Liter Gasge- misch pro Stunde mit 95 % Luft, 5 % CO2 begast und bei 37 βC inkubiert.The reactor was then further rolled with 1 rpm, and aerated mixed per hour with 95% air, 5% CO2 without further addition of culture medium with about 0.5 liters of gas mixtures and incubated at 37 C β.
Nach ca. 24 Stunden wurde der Cθ2~Anteil des Gasgemisches leicht auf ca. 3-4 % CO2. 96-97 % Luft reduziert, um den pH-Wert, visuell an der Indikatorfarbe des Nährmediums er- kennbar, auf ca. pH 7,0 zu halten. Durch eine visuelle Kon¬ trolle durch den Glasbehälter könnte keine sichtbare Trübung des Nährmediums festgestellt werden. Ca. 60 Stunden nach Be¬ ginn der Kultur wurde die Rollgeschwindigkeit der Kultivie¬ rung auf ca. 30 Upm erhöht. Schon wenige Minuten nach Erhδ- hung der Rollgeschwindigkeit zeigte eine deutliche Trübung des Nährmediums an, dass sich Hybridomazellen aus der Ober¬ fläche der lamellenartigen Ringscheiben im Nährmedium sus¬ pendierten.After approx. 24 hours the CO 2 content of the gas mixture rose slightly to approx. 3-4% CO2. 96-97% air reduced in order to keep the pH to approx. PH 7.0, visually recognizable by the indicator color of the nutrient medium. A visual inspection through the glass container could not detect any visible clouding of the nutrient medium. Approximately 60 hours after the start of the culture, the rolling speed of the cultivation was increased to approximately 30 rpm. Just a few minutes after the rolling speed increased, a clear turbidity of the nutrient medium indicated that hybridoma cells suspended from the surface of the lamellar ring disks in the nutrient medium.
Hierauf wurde frisches Nährmedium in den Eingang des Reak- tors solange zudosiert, bis der gesamte Reaktor im ersten und zweiten Segment mit einem Flüssigkeitsniveau von ca. 2,5 cm gefüllt war. Die Dosierpumpe für das Nährmedium wurde da¬ nach abgestellt. Während der Befüllung, die ca. 0,5 Stunde dauerte, wurde die Rollgeschwindigkeit des Reaktors in ein- zelnen Schritten wieder auf ca. 1 Upm zurückgestellt und weiter bei 37 °C inkubiert. Das gesamte Nährmediumvolumen im Reaktor betrug danach ca. 950 ml, und die Belüftungsrate mit Luft/Cθ2-Gemisch wurde willkürlich auf ca. 5 1 pro Stunde erhöht. Die Zumischung von CO2 wurde während der folgenden 3 Tage von ca. 4 % Cθ2~Anteil auf ca..1 % von Hand reduziert, um den pH-Wert konstant zu halten.Fresh nutrient medium was then metered into the inlet of the reactor until the entire reactor in the first and second segments was filled with a liquid level of approximately 2.5 cm. The metering pump for the nutrient medium was then switched off. During the filling, which lasted approx. 0.5 hour, the rolling speed of the reactor was reset to approx. 1 rpm in individual steps and incubated further at 37.degree. The total volume of nutrient medium in the reactor was then about 950 ml, and the aeration rate with air / CO 2 mixture was arbitrarily increased to about 5 liters per hour. The admixture of CO2 was reduced over the following 3 days from approx. 4% CO 2 content to approx. 1% by hand in order to keep the pH constant.
Ca. 72 Stunden nach der weiteren Auffüllung des Reaktors, also ca. 100 Stunden nach der ersten Inokulation, wurde be- - 25 -Approximately 72 hours after the reactor was refilled, i.e. approximately 100 hours after the first inoculation, - 25 -
gönnen, den Reaktor kontinuierlich mit frischem Nährmedium zu beschicken, um so eine kontinuierliche Perfusionskultur einzuleiten. 100 ml frisches Nährmedium pro Stunde, entspre¬ chend einer Verdünnungsrate (D) von 0,1 wurde zunächst über vier Tage zudosiert. Aus dem Ablauf des Reaktors wurden Pro¬ ben zwecks Bestimmung der Zelldichte und der IgG Konzentra¬ tion gezogen. Danach wurde die Verdünnungsrate willkürlich auf 0,5, entsprechend einer Fliessgeschwindigkeit von ca. 500 ml Nährmedium pro Stunde erhöht und weitere vier Tage betrieben.allow the reactor to be fed continuously with fresh nutrient medium in order to initiate a continuous perfusion culture. 100 ml of fresh nutrient medium per hour, corresponding to a dilution rate (D) of 0.1, was initially metered in over four days. Samples were taken from the outlet of the reactor for the purpose of determining the cell density and the IgG concentration. The dilution rate was then increased arbitrarily to 0.5, corresponding to a flow rate of approximately 500 ml of nutrient medium per hour, and operated for a further four days.
Die Abläufe aus dem Reaktor wurden hinsichtlich Zellzahl und IgG-Konzentration analysiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.The processes from the reactor were analyzed with regard to cell number and IgG concentration. The results are shown in Table 1.
AnalytikAnalytics
ZellzahlCell count
Die Bestimmung der Zellzahl in den Proben erfolgte durch Auszählung in der Thoma Kammer (Vitalfärbung mit Trypan- blau) .The cell number in the samples was determined by counting in the thoma chamber (vital staining with trypan blue).
IgG-KonzentrationIgG concentration
Die Bestimmung der Konzentration von IgG im Kulturüberstand bzw. Ablauf des Reaktors erfolgte mittels der ELISA-Tech- nik. In Mikrotiterplatten wurde nach Standardbedingungen mit anti-Maus IgG-Immunserum (Fa. PAA-Labor, Gallneukirchen) vorgekoatet. Die Kulturüberstände wurden hierauf auf den so vorbereiteten Platten inkubiert, gewaschen und mit anti-Maus IgG-Ziegenserum Konjugat (Fa. P-L Biochemicals, Inc., Mil- waukee, WI) der IgG-Gehalt bestimmt. Als IgG-Standard wurde Maus-IgG der Fa. Sigma (St. Louis, Missouri) verwendet. ErgebnisseThe concentration of IgG in the culture supernatant or the outlet of the reactor was determined using the ELISA technique. Anti-mouse IgG immune serum (from the PAA laboratory, Gallneukirchen) was precoated in microtiter plates according to standard conditions. The culture supernatants were then incubated on the plates prepared in this way, washed and the IgG content was determined using anti-mouse IgG-goat serum conjugate (from PL Biochemicals, Inc., Milwaukee, WI). Mouse IgG from Sigma (St. Louis, Missouri) was used as the IgG standard. Results
Tabelle 1 : Ergebnisse der Kultur von 3RFUD6C3 während der Kultur im Filmreaktor mit DMEM + 5 %FCSTable 1: Results of the culture of 3RFUD6C3 during the culture in the film reactor with DMEM + 5% FCS
Kulturmethode Reaktortyp Zel .lzahl IgGCulture method reactor type cell number IgG
Zeit (10β Z/ml) (ug/ml)Time (10 β Z / ml) (µg / ml)
(Stunden)(Hours)
Batch ca. 96 Roux-Flasche 1,2 260Batch approx. 96 Roux bottle 1.2 260
Batch ca. 72 Rollerflasche 1,4 240Batch approx. 72 roller bottle 1.4 240
Batch ca. 72 Filmreaktor - -Batch approx. 72 film reactor - -
Batch ca. 72 Filmreaktor - -Batch approx. 72 film reactor - -
Perfusion 1/D cä. 1/0,1 Filmreaktor ca. 0,08* 190*Perfusion 1 / D ca. 1 / 0.1 film reactor approx.0.08 * 190 *
Perfusion 1/D ca. 1/0,5 Filmreaktor ca. 0,06* 85*Perfusion 1 / D approx. 1 / 0.5 film reactor approx. 0.06 * 85 *
* im Ablauf* in the process
Die Ergebnisse aus Tabelle 1 , insbesondere der Vergleich der einzelnen Kultivierungszeiten mit den verschiedenen Kulti¬ vierungsmethoden, lassen folgende Schlüsse zu:The results from Table 1, in particular the comparison of the individual cultivation times with the different cultivation methods, allow the following conclusions:
1) Unter der Annahme, dass die spezifische IgG-Produktions- rate (pro Zellmenge und Zeit) der verwendeten Hybridoma-Li¬ nie für das verwendete Nährmedium eine Konstante, also eine von der Kultivierungsmethode unabhängige Grδsse darstellen sollte, dann hätte der Anreicherungsfaktor für die Immobili- sierung der Zellen im Filmreaktor gegenüber anderen Methoden den ca. 6- bis 10-fachen Wert.1) Assuming that the specific IgG production rate (per cell quantity and time) of the hybridoma line used should be a constant for the nutrient medium used, that is to say a variable independent of the cultivation method, then the enrichment factor for the Immobilization of the cells in the film reactor about 6 to 10 times the value compared to other methods.
2) Falls der unter Punkt 1) konstatierte Immobilisierungs¬ faktor für die Zellen nicht zutreffen sollte, dann würde dies bedeuten, dass im Filmreaktor eine gesteigerte spe¬ zifische Produktionsrate der Bildung des IgG festzustel¬ len ist.2) If the immobilization factor stated under point 1) should not apply to the cells, this would mean that an increased specific production rate of the formation of the IgG can be ascertained in the film reactor.
3) Wie auch immer die Ursachen liegen, ob Punkt 1) oder Punkt 2) mehr gültig ist, die volumetrische Produktivi¬ tät der monoklonalen Antikδrperbildung (=IgG/Reaktorvo- lumen x Zeit) ist im erfindungsgemässen Filmreaktor und im konkreten Versuch um das 6- bis 10-fache gesteigert, gegenüber einer stationären Suspensionskultur.3) Whatever the cause, whether point 1) or Point 2) is more valid, the volumetric productivity of the monoclonal antibody formation (= IgG / reactor volume x time) is increased by 6 to 10 times in the film reactor according to the invention and in the concrete experiment compared to a stationary suspension culture.
Es ist selbstverständlich, dass der Erfindungsgegenstand auf das Dargestellte nicht beschränkt ist. So kann man die An¬ zahl der Ringscheiben 3 dem konkreten anpassen, was selbst¬ verständlich auch die Zufuhr- und Abfuhrleitungen betrifft. Auch der Antrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung kann in einer an sich bekannten Weise auch anders ausgebildet sein als dargestellt ist. It goes without saying that the subject matter of the invention is not limited to what is shown. The number of annular disks 3 can thus be adapted to the specific one, which of course also applies to the supply and discharge lines. The drive of the device according to the invention can also be designed in a manner known per se differently than shown.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Vorrichtung zur Kultivierung und Behandlung von Biokata¬ lysatoren, wie Zellen, Partikel oder lösliche, chemische und/oder biologische Reaktionen beeinflussende' Substan¬ zen, bei welcher ein horizontal angeordnetes Reaktions- gefäss (1) um seine Längsachse (1') drehbar angeordnet und mit wenigstens einem Reaktionsraum (2) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktionsgefäss (1) zu dessen Längsachse (11) hin sich erstreckende flache Teile angeordnet sind, dass die Zufuhr der Reaktions- flüssigkeit an einem Ende des Reaktionsgefässes (1) und die Abfuhr des fertigen Reaktionsproduktes an demselben oder anderem Ende des Reaktionsgefässes (1) ausgebildet sind und dass das Innere des Reaktionsgefässes (1) mit Gas beschickbar ist. (Fig. 1, 4 bis 12)1. A device for culturing and treatment of Biokata¬ catalysts, such as cells, particles or soluble chemical and / or biological reactions influencing 'Substan¬ zen, in which a horizontally disposed reaction vessel (1) about its longitudinal axis (1' rotatably) arranged and provided with at least one reaction chamber (2), characterized in that in the reaction vessel (1) to its longitudinal axis (1 1 ) extending flat parts are arranged that the supply of the reaction liquid at one end of the reaction vessel ( 1) and the discharge of the finished reaction product are formed at the same or different end of the reaction vessel (1) and that the inside of the reaction vessel (1) can be charged with gas. (Figs. 1, 4 to 12)
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zu der Längsachse (1 ') erstreckenden fla¬ chen Teile (3) aus Ringscheiben (3a bis 3c) bestehen. (Fig. 2)2. Device according to claim 1, characterized in that the flat parts (3) extending to the longitudinal axis (1 ') consist of ring disks (3a to 3c). (Fig. 2)
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der flachen, radial nach innen gerichteten Teile (3)- als gelochte Ringscheiben (3c) ausgebildet sind. (Fig. 2c)3. Device according to claim 2, characterized in that at least some of the flat, radially inwardly directed parts (3) - are designed as perforated washers (3c). (Fig. 2c)
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der flachen, radial nach innen gerichteten Teile (3) als ringförmig angeordnete Segmen- te (3d) ausgebildet sind. (Fig. 2d)4. The device according to claim 2, characterized in that at least some of the flat, radially inwardly directed parts (3) are designed as annular segments (3d). (Fig. 2d)
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass wenigstens einige der flachen, radial nach innen gerichteten Teile (3) als schneckenartige Fδrderstreifen ausgebildet sind. (Fig. 7)5. The device according to claim 1, characterized. that at least some of the flat, radially inwardly directed parts (3) are designed as screw-like conveyor strips. (Fig. 7)
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zu der Achse erstreckenden flachen Teile6. The device according to claim 1, characterized in that the flat parts extending to the axis
(3) ihre Oberfläche für Aufnahme von Biokatalysatoren bzw. der Reaktionsflüssigkeit ausgebildet haben. (Fig. 2b)(3) have formed their surface for receiving biocatalysts or the reaction liquid. (Fig. 2b)
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich zu der Achse erstreckenden flachen Teile7. The device according to claim 6, characterized in that the flat parts extending to the axis
(3) oberflächenmodifiziert sind, z.B. mit Hilfe der Oberflächenstruktur oder mit Hilfe von Erhöhung der Be¬ netzbarkeit. (Fig. 2a,b)(3) are surface modified, e.g. with the help of the surface structure or with the help of increased wettability. (Fig. 2a, b)
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf den zu der Achse erstreckenden flachen Teilen8. The device according to claim 7, characterized in that on the flat parts extending to the axis
(3) immobilisierenden Belege aufgebracht sind. Z.B. Flor, Vlies. (Fig. 8)(3) immobilizing documents are applied. For example, Pile, fleece. (Fig. 8)
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Reaktionsgefäss (1) an mehreren Stellen (9, 10) die Reaktionsflüssigkeit zuführbar und/oder das fertige Reaktionsprodukt an mehreren Stellen (12) der Längser¬ streckung des Reaktionsgefässes (1) abführbar ist. (Fig. 1, 12)9. The device according to claim 1, characterized in that in the reaction vessel (1) at several points (9, 10) the reaction liquid can be supplied and / or the finished reaction product at several points (12) of the longitudinal extension of the reaction vessel (1) can be removed . (Fig. 1, 12)
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den flachen, sich radial nach innen er¬ streckenden Teilen (3) Reaktionszwisσhenräume (2) für die in der Reaktionsflüssigkeit suspendierten Trägerpar¬ tikel für die Biokatalysatoren angeordnet sind. (Fig. 11)10. The device according to claim 1, characterized in that between the flat, radially inwardly extending parts (3) reaction intermediate spaces (2) for the suspended in the reaction liquid carrier particles for the biocatalysts are arranged. (Fig. 11)
11. Verfahren zur Kultivierung und Behandlung von Biokataly¬ satoren mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch ge- kennzeichnet, dass in das Reaktionsgefäss (1) die Reak¬ tionsflüssigkeit und die Biokatalysatoren eingebracht, das. Reaktionsgefäss in Drehung gesetzt und der Innenraum des Reaktionsgef sses mit Reaktionsgas permanent be- schickt wird.11. Process for the cultivation and treatment of biocatalysts with the device according to claim 1, thereby indicates that the reaction liquid and the biocatalysts are introduced into the reaction vessel (1), the reaction vessel is set in rotation and the interior of the reaction vessel is continuously charged with reaction gas.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der gewünschten Konzentration an Biokata¬ lysatoren weitere Reaktionsflüssigkeit eingebracht und das fertige Reaktionsprodukt abgeführt wird.12. The method according to claim 11, characterized in that after reaching the desired concentration of Biokata¬ analyzers further reaction liquid is introduced and the finished reaction product is removed.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsflüssigkeit an mehreren Stellen (9, 19) in das Reaktionsgefäss (1) eingebracht und an mehreren Stellen (12) aus dem Reaktionsgefäss (1) abgeführt, z.B. abgesaugt wird.13. The method according to claim 11, characterized in that the reaction liquid is introduced into the reaction vessel (1) at a plurality of points (9, 19) and discharged from the reaction vessel (1) at a plurality of points (12), e.g. is suctioned off.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Absaugen des Reaktionsproduktes ein oder mehrere Ab¬ saugrohre (28,29) in den bzw. die Reaktionszwischenräume (2) zwischen den Ringscheiben (3a) abgesenkt werden.14. The method according to claim 13, characterized in that one or more suction pipes (28, 29) are lowered into the reaction space or spaces (2) between the ring disks (3a) for suctioning off the reaction product.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Durchmischen der im Reaktions¬ gefäss (1) befindlichen Phasen die Umdrehungsgeschwin¬ digkeit des Reaktionsgefässes (1) erhöht wird.15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the speed of rotation of the reaction vessel (1) is increased in order to mix the phases in the reaction vessel (1).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Abtrennen der dichteren, die Biokatalysatoren enthaltenden Phase, von der eine gerin¬ gere Dichte aufweisenden Reaktionsflüssigkeit, das Reak¬ tionsgefäss (1) in schnelle Rotation versetzt wird, um ausreichende Zentrifugalkraft zu erzeugen.16. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that for separating the denser phase containing the biocatalysts, from the reaction liquid having a lower density, the reaction vessel (1) is set in rapid rotation, by sufficient To generate centrifugal force.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reaktionsgefasse (1) in Se¬ rie geschaltet werden. 17. The method according to any one of claims 11 to 15, characterized in that a plurality of reaction vessels (1) are switched in series.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4962033A (en) * 1987-12-09 1990-10-09 In Vitro Scientific Products Roller bottle method of culturing cells
US5010013A (en) * 1987-12-09 1991-04-23 In Vitro Scientific Products, Inc. Roller bottle for tissue culture growth
DE4112236C1 (en) * 1991-04-15 1992-07-09 Forschungszentrum Juelich Gmbh, 5170 Juelich, De
US5151366A (en) * 1991-05-24 1992-09-29 Invitro Scientific Products, Inc. Cell culture flask
US5272084A (en) * 1991-12-18 1993-12-21 Corning Incorporated Cell culture vessels having interior ridges and method for cultivating cells in same
FR2688007A1 (en) * 1992-02-27 1993-09-03 Bourgogne Universite Piston-flow bioreactor intended for the culture of cells and microorganisms
EP1304370A1 (en) * 2001-10-22 2003-04-23 Integra Biosciences Holding AG Insert for rotatable bottle

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2337056B2 (en) * 1972-07-21 1976-12-02 Worthington Biochemical Corp., Freehold, N.J. (V.StA.) DEVICE FOR GENERATING CONTACT BETWEEN AN IMMOBILIZED BIOLOGICAL REACTION PARTICIPANT AND A SUBSTRATE SOLUTION
US4238568A (en) * 1978-10-10 1980-12-09 Becton, Dickinson And Company Roller bottle
GB2055397B (en) * 1979-06-05 1983-02-02 Univ Strathclyde Rotating biological film contactor
US4317886A (en) * 1980-08-11 1982-03-02 Becton, Dickinson And Company Multiple interior surface roller bottle
GB2097817B (en) * 1981-03-16 1985-01-16 Prendergast Angela Fermentation apparatus
US4377639A (en) * 1982-01-18 1983-03-22 University Of Toledo Tissue culture device for mass cell culture
DE3246590A1 (en) * 1982-12-16 1984-06-20 Josef 8000 München Neubauer DEVICE FOR TAKING ENERGY IN THE FORM OF BIOGAS OR RED HEAT

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO8604085A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
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ATA412084A (en) 1986-10-15
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AT383142B (en) 1987-05-25

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