WO2019180098A1 - Vorrichtung und verfahren zur sterilen probenahme - Google Patents

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WO2019180098A1
WO2019180098A1 PCT/EP2019/057000 EP2019057000W WO2019180098A1 WO 2019180098 A1 WO2019180098 A1 WO 2019180098A1 EP 2019057000 W EP2019057000 W EP 2019057000W WO 2019180098 A1 WO2019180098 A1 WO 2019180098A1
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valve
shut
bioreactor
sensor
line
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PCT/EP2019/057000
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Bernd-Ulrich Wilhelm
Jan MILLAUER
Ronnie WILHELM
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Bbi-Biotech Gmbh
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    • G01N1/02—Devices for withdrawing samples
    • G01N1/10—Devices for withdrawing samples in the liquid or fluent state
    • G01N1/14—Suction devices, e.g. pumps; Ejector devices
    • G01N2001/1418—Depression, aspiration

Definitions

  • the application relates to a sampling device and a method of using the device.
  • EP 2305790 shows such a device, wherein a sample can be manually removed by means of a sterile syringe with a so-called Luer-Lock cone via a connection of autoclavable culture vessels.
  • the device comprises a self-opening when placing the syringe and automatically closing when removing automatic valve.
  • the device is characterized in that between the automatic valve and the connection is provided a closing valve which closes towards the automatic valve.
  • the device of EP 2305790 further shows a spur with an air filter and a check valve, which via a tee is connected to a passage line between the automatic valve and the connection.
  • a syringe is connected to the branch line and the flask is pushed out until the culture solution is completely pushed back out of the lines into the culture vessel.
  • Manual operation requires regular external intervention. Especially with longer attempts a manual operation is complex and costly. Furthermore, a faulty operation can lead to contamination of the bioreactor or the sample.
  • the present application has for its object to develop a device for sampling, in which a contamination of the sample or the bioreactor is avoided and which is designed so that it can be used fully automatically.
  • a device has a connectable to a bioreactor riser, a stub and a
  • Discharge line are connected by means of a T-type connection.
  • the extraction line has a first shut-off valve.
  • the stub is optionally connected to a positive pressure source or connected and the extraction line with a pump.
  • the device has a control unit for controlling the overpressure source, the pump and the first shut-off valve.
  • the overpressure source, the pump and the first shut-off valve can be automatically controlled by activating the individual components in a predetermined order from the control unit.
  • samples can be taken. taken or measurements carried out in the funded medium.
  • the valves, the overpressure source and the pump or other possible components of the device may comprise and / or be connected to corresponding actuators and / or motors in order to enable such activation or actuation triggered by the control unit.
  • Activation or actuation in the case of valves means opening and closing, for example.
  • the pump and the overpressure source this is to be understood as switching on and off. In general, this may be understood to mean, for example, a change in an operating state, which in the present case can preferably be carried out without human intervention and controlled by the control unit.
  • T-type connection via which the riser, the stub and the extraction line are connected to each other, all connections are to be understood that allow a connection of three lines, that is, for example, compounds whose geometry rather a Y-like Represent connection.
  • the use of a standardized and / or commercially available T-piece represents a possible embodiment but is not mandatory in the meaning of the application.
  • the lines may be formed, for example, as tubes.
  • the overpressure source may be formed, for example, as a syringe or syringe-like. It may thus be, for example, a container with a movable bolt, which can be lowered similar to a syringe to generate an overpressure.
  • the overpressure source can also be designed as a process gas source or as a sterile gas source, for example as a gas line or pressurized container.
  • the process gas is preferably a gas which does not influence or negatively influence the biological process inside the reactor.
  • overpressure gas can be used in example nitrogen.
  • the process gas source or sterile Gas source can be provided in the form of a correspondingly connected, for example, replaceable gas tank or in the form of a gas line.
  • the overpressure source may also include a pump for generating a pressure.
  • the overpressure source is automatically controlled, so has a mechanism that electronically controlled the overpressure.
  • the pump which is connected to the extraction line, can be designed, for example, as a peristaltic pump, for example as a peristaltic pump or roller pump.
  • the extraction line is preferably designed as a flexible hose, at least in the area of the pump.
  • the pump is used to generate a negative pressure. The suppression allows the sample to be sucked out of the culture vessel which can be connected to the device, for example into a sample vessel which can be connected to the withdrawal line.
  • Sample vessel is made of plastic or stainless steel, for example.
  • the extraction line can be closed and the riser blown through the pressure source, which is connected to the stub, who the.
  • the pumped medium can be pushed out of the riser.
  • the line volume to be passed through which must be emptied by means of the overpressure source, can be reduced here, thereby enabling easier, faster and more reliable cleaning or flushing.
  • the risk of contamination is reduced because gas, process gas, outside air, sample material or foreign bodies can not get into the lines closed by the first shut-off valve.
  • the first shut-off valve and other valves which can be installed according to the application into the device are designed in one embodiment as electrically or pneumatically controllable valves to allow automation of the sampling process.
  • the valves are preferably configured or arranged not in contact with the media, for example as hose pinch valves.
  • the device described permits, as mentioned, an automated sampling, for example by a pre-programmed execution of steps in which the pump or the overpressure source are switched on or off and the first shut-off valve and possible further shut-off valves are opened or closed. For example, these steps may be time-controlled, executed at preprogrammed intervals, and repeated.
  • Possible further components of the device may also be in communication with the control unit and receive control signals from the control unit and, in some embodiments, also send signals or data to the control unit. Possible embodiments, which include further components as well as possible interactions of the components with the control unit are described below.
  • a system according to this application comprises, for example, a device as described in the application or a device according to one of the Pa tentments and connected to the riser bioreactor.
  • the bioreactor may be, for example, an autoclavable or steam sterilizable or otherwise sterilizable vessel.
  • the stub between the pump and the T-type connection has a sterile filter, so that when using a non-sterile overpressure source, the lines continue to be kept sterile.
  • an optional check valve may further be provided in the stub line. This, when combined with a sterile filter between the sterile filter and the T-type connection, is arranged to be open for fluid flow in the direction of the T-type connection and closed in the opposite direction.
  • Another optional check valve may be located in the sampling line. It is directed to allow fluid flow from the T-type connection toward the pump and prevent flow in the opposite direction.
  • the device may further comprise a second shut-off valve is arranged in the riser, preferably designed as an electrically controllable valve and connectable to the control unit, so that also functions that relate to this second shut-off valve, can be automated.
  • a second shut-off valve is arranged in the riser, preferably designed as an electrically controllable valve and connectable to the control unit, so that also functions that relate to this second shut-off valve, can be automated.
  • the device may further comprise one or more sensor units, for example arranged in the riser and / or in the
  • Each of the one or more sensor units may include one or more sensors that serve to detect one or more measurements that describe a condition or property of the sample.
  • a sensor unit can also be arranged in the bioreactor in order to measure measured values of the sample still present in the bioreactor. For example, a thermometer placed in the bioreactor can constantly monitor the temperature in the reactor.
  • At least one of the sensor units is connected to the control unit and configured to send measured values to the control unit and / or configured to be controlled by the control unit to who.
  • Sensors connected to the control unit can initiate a preprogrammed step sequence for sampling or for further measurements by means of a signal transmitted to the control unit.
  • Sampling or measurement can be triggered, for example, by a value measured by the sensor which exceeds or falls below a preset limit, for example. So the sample is taken when a particular event occurs.
  • the preprogrammed sampling steps may thus be event driven in this sense, i. be triggered by the measurement of a specific value by a sensor.
  • the measured value is transmitted from the sensor to the control unit, which in turn sends the appropriate signals for sampling to the units required for sampling, such as pumps, shut-off valves and overpressure sources.
  • time-controlled sampling which is predefined times are automatically controlled by the control unit takes place, for example, a start time and time intervals are set by a user.
  • Timed and event controlled sampling can be used as alternatives or in combination. It is also possible that the timing and the event control interact with each other and represent boundary conditions for each other. For example, sampling may be performed at a particular time provided that a particular sensor signal is present or sampling is performed on a particular sensor signal provided that at least a predetermined amount of time has elapsed since the last sampling.
  • sensors various physical, chemical or biological sensors can be used.
  • Examples of these are mechanical, electrical, optical or microelectromechanical sensors, electrochemical sensors, enzyme sensors or bioarray or biochip sensors.
  • optical sensors can be used for spectral analysis or for measuring an optical density.
  • chemical sensors can be used for pH measurement or for oxygen measurement.
  • Enzyme sensors can be used to detect the reaction of an enzyme proportional to the concentration of a substrate, such as glucose, lactate, glutamate, glutamine, etc.
  • the sensors can, depending on which measured variable is to be detected, be designed as non-contact sensors or media-contacting sensors.
  • a measurement by means of a sensor in contact with the media usually results in the sample not being able to be pumped back into the bioreactor since it is consumed or changed by the measurement, for example by a chemical reaction or a biological process they would contaminate the remaining material in the bioreactor.
  • a non-contact measurement is provided which is suitable for determining whether the sample material in the bioreactor has already reached a state in which the media-contacting measurement makes sense. For example, it can be determined by means of an upstream optical analysis whether a reaction in the bioreactor has progressed far enough to carry out a media-contacting measurement. On the basis of such an upstream non-contact measurement can also be determined whether a sampling should take place.
  • the non-contacting sensors upstream in the line thus acquire, for example, measured values which make it possible to decide whether a further measurement is to be performed and / or a sample is taken.
  • a first sensor unit with a non-contact sensor and a second sensor unit with a media-contacting sensor are arranged one after the other, wherein preferably at least one shut-off valve is arranged between the two sensor units.
  • This allows an upstream measurement by means of the non-contact sensor, whereupon, based on the measured values determined by the non-contact sensor, which are preferably transmitted to the control unit, preferably automatically, for example by comparison with user-defined values, decide thereon. whether the sample is either pumped back into the bioreactor or whether the sample is pumped on to be analyzed and / or removed by the media-contacting sensor.
  • a first sensor unit is present in the riser, this may for example be on the bioreactor side facing the second from shut-off valve. In one embodiment, this first sensor unit is equipped only with non-contact sensors.
  • the second sensor unit may be arranged between the first shut-off valve and the pump.
  • the one or more sensors of the second sensor unit can be designed as media-contacting sensors or as contactless sensors.
  • the sample can then be discarded, stored or made available for other measuring methods.
  • the pumping and / or pumping back is made possible by pump and valve arrangements proposed in the application.
  • a signal attenuation in an absorption measurement carried out by means of a sensor of the first sensor unit may indicate an increase in the biomass, ie an increased number of cells.
  • a substrate for example glucose
  • the concentration of which is then measured by means of a media-contacting measurement in an enzyme sensor of the second sensor unit.
  • the second measurement with the enzyme sensor is expensive and the sensor is typically limited in the number of measurement cycles. Therefore, the measurement with the sensor of the second sensor unit is only started when the sensor of the first sensor unit has pointed to a sufficient cell concentration.
  • the substrate concentration should in one embodiment, for example, despite cell concentration can be kept constant, which can be ensured via an automatic feedback to a possible substrate pump, which is also coupled to the control unit and controllable by this.
  • measurements of the substrate concentration by means of the first sensor unit are carried out closely in time.
  • Another object of the invention relates to the practical handling of the sampling device. This includes, for example, preparatory steps that are necessary to enable a safe and contamination-free reaction process and safe and contamination-free sensor measurements and probing.
  • safe and contamination-free handling by a device according to the application can be further facilitated by one or more sterile couplings that allow for sterilization of individual components or portions of the device and also replacement of sensors or other components , in some embodiments, even during the reaction process, allow.
  • sterile couplings are for example as described below or in the figures of this application or shown integrated into the lines.
  • the sterilization of the media-contacting sensors of the sensor units is often a challenge for a person skilled in the art, since they must be sterile in some cases due to their direct contact with the sample, but often can not be sterilized together with the bioreactor, since they do not temperature resistant and thus not autoclavable or steam sterilizable.
  • the bioreactor is preferably sterilized by autoclaving, for example, the media-contacting sensors are not suitable for these types of sterilization and must instead be sterilized by, for example, gamma sterilization, electron beam sterilization, plasma sterilization, or ethylene oxide sterilization. This can equally apply to other components of the device, so that the solution presented here of this problem is analogously applicable to other components.
  • the media-contacting sensors may also be non-sterile and are according to the application sterile couplings separated from a sterile part of the device or arranged separable.
  • the non-contact sensors unlike the media-contacting sensors, are typically easy to integrate into the device because they have no direct contact with the sample and can be removed before sterilization. In the arrangement of non-contact sensors, accordingly, additional possibilities arise, which are utilized in the described arrangements. The same situation can apply, for example, to the shut-off valves used, if they are configured, for example, as pinch valves.
  • the sterile couplings used include, for example, two
  • joinable sockets These are provided at two cable ends, which should be connectable to each other.
  • the nozzles can be placed on top of each other in a liquid-tight manner and pulled apart to separate the cable ends.
  • the disconnected conduit ends are preferably sealed by the sterile coupling.
  • the line ends are at least before they are placed on each other for the first time sealed by the sterile coupling liquid-tight.
  • the stubs may be formed as two complementary plastic stubs, each of the stubs may have a membrane which seals the respective line end and which can be pulled out after attachment or coupling of the two plastic stub to release a fluid path through the sterile coupling.
  • membrane which seals the respective line end and which can be pulled out after attachment or coupling of the two plastic stub to release a fluid path through the sterile coupling.
  • One embodiment provides for the use of plastic gamma sterilizable disposable couplings.
  • the use of steel-steel or steel-plastic couplings is provided, wherein in the latter case preferably a steel coupling piece on the side of the bioreactor and a plastic coupling piece on the side of the sensor is arranged.
  • the one or more sterile coupling can be arranged, for example, in the riser line and / or in the extraction line and enable separation and connection of a line section and the components located thereon from the rest of the device.
  • a sterile coupling in the riser as the first component after the bioreactor be arranged.
  • the sampling device can be separated from the bioreactor with all shut-off valves, non-return valves, sensor units and possible further components as well as a first coupling socket.
  • the bioreactor itself remain a portion of the riser and a second coupling socket.
  • the bioreactor with the riser section and the second coupling stub are autoclaved prior to coupling the coupling stubs together.
  • the remaining part of the device can then be sterilized, for example, by gamma sterilization or by another method for which the sensors used are designed.
  • a sterile coupling can be arranged, for example, between the first shutoff valve and the second sensor unit. Then the bioreactor and the first and the second shut-off valve are located on the side of the first coupling stub and the second sensor unit is located on the side of the second coupling stub, together with possible further components, such as flushing lines and / or mixing chambers.
  • This section also typically includes the stub line with check valve and sterile filter.
  • the section on the side of the second coupling socket, which comprises the second sensor unit with the media-contacting sensor It can also be nonsterile or it can be gamma sterilized, for example.
  • the media-contacting sensor may be, for example, a glucose sensor or an enzymatic sensor.
  • the arrangement can prevent a sample that passes through the second shut-off valve and thus inevitably enters the potentially unsterile area contaminating the bioreactor. This arrangement of the sterile coupling allows replacement of the second sensor unit during operation by separating the sterile coupling.
  • the sterile part of the device comprising the bioreactor and the first and second shut-off valves remains unaffected by the exchange.
  • the second sensor unit is decoupled, further non-contact measurements can be carried out with the possible first sensor unit.
  • the lifetime of, for example, enzymatic sensors is limited to a few weeks. With the device described here, a measurement over a longer period of time is made possible because the sensor, whose lifetime has expired, can be decoupled during operation and then a new sensor can be reconnected.
  • a system in the sense of the application is designed so that the device for sampling is integrated into the bioreactor.
  • the sampling device may be incorporated into an outer plate such as a faceplate or side plate of the bioreactor.
  • Such an arrangement is particularly space-saving and allows a simple provision of the sampling system.
  • the user is prevented from having to assemble, plug hoses, and check the connections. For example, he only has to mount the outer plate equipped with the sampling system on the bioreactor.
  • Such a compact arrangement or integration allows a rapid analysis, wherein in addition only a small volume of media must be removed from the bioreactor for a sensor measurement by means of a sensor of the first and / or the second sensor unit.
  • a system includes, for example at least one sampling step, in which the first and the second shut-off valve are open and the sample is sucked by the pump from the Biore actuator. Furthermore, it may comprise at least one step for blowing through the extraction line, wherein an overpressure is applied to the stub line by means of the overpressure source, with simultaneous operation of the stub line
  • first shut-off valve and closed second shut-off valve may comprise at least one step for blowing through the riser by applying an overpressure by means of the overpressure source with the second shut-off valve open and the first shut-off valve closed.
  • the duration of the individual steps can be programmed in advance. Depending on the duration of a certain effect is achieved. For example, a larger amount of sample is taken from a longer-lasting sampling step.
  • the steps for blowing through for example, be so long that in the fürpustzeit, according to the size of the overpressure source provided by the overpressure, something as much air is introduced into the Wegzupustende pipe as in the Vietnamesezupustenden pipe has room to ensure on the one hand that the Pipe is completely puffed, but no unnecessarily high pressure is built up and / or not excessive
  • Process gas or other gas used for blowing through in example the bioreactor or the sample vessel is introduced.
  • the steps mentioned can be carried out once or several times in a single sampling.
  • the riser is puffed before and after sampling.
  • the steps can be done manually or programmed and fully automatic.
  • the execution of the steps can be initiated, for example, time-controlled or event-controlled, for example based on a value measured by a sensor, automatically.
  • time-controlled or event-controlled for example based on a value measured by a sensor, automatically.
  • the selection may be limited to a start time, an interval between sampling and a number of sampling.
  • the sampling event triggered by a measured by a device arranged in the Steiglei sensor value so for example the following procedure can be used: At a certain time, for example, a pre-programmed time or triggered by an input from the user, when open Absperrven valves, generated by the pump a negative pressure. However, this suppression is only so strong that organisms are sucked into the riser and preferably do not reach the level of the sensor up to the T-type connection or into the extraction line. The sensor then performs a measurement. Based on the result of the measurement, which may be, for example, above or below a specified limit, sampling is then either performed or not.
  • the pump will continue to generate a suppression and organisms will be directed through the sampling line into a sample vessel and subsequently blow through the lines as described above. If the measured value is such that no sampling is to be carried out at the time, for example because the process in the bioreactor has not progressed far enough, then the first shut-off valve can be automatically closed again and an overpressure can be provided with the second shut-off valve open and the organisms in the riser are returned to the bioreactor. After a specified time interval, a new measurement can then be carried out by means of the sensor in the riser, as just described, and it can again be decided whether the sample should be taken or not.
  • steps for preparing a measurement such as rinsing steps in which a buffer solution is pumped into the tube system, steps for dilution or pressure filtration or for the other pretreatment of the sample.
  • steps for preparing a measurement such as rinsing steps in which a buffer solution is pumped into the tube system, steps for dilution or pressure filtration or for the other pretreatment of the sample.
  • a mixing chamber may further be integrated into the line system, preferably after the first shut-off valve.
  • the control unit may for example be part of a bioreactor control or integrated into it.
  • the valves, the pump and the overpressure source can be connected to the bioreactor control and controlled via the bioreactor control, for example via the control of an xCUBIO reactor.
  • FIG. 1 shows a bioreactor system, a bioreactor and a device for sampling, comprising a first sensor arrangement
  • FIG. 2 shows the bioreactor system with a second sensor arrangement
  • FIG. 3 shows the bioreactor system with a third sensor arrangement
  • FIG. 4 shows the bioreactor system from FIG. 3 with a flushing line
  • FIG. 5 shows the bioreactor system with the first sensor arrangement and a sterile coupling
  • FIG. 6 shows the bioreactor system with the second sensor arrangement and the sterile coupling
  • FIG. 7 shows the bioreactor system with the third sensor arrangement and the sterile coupling
  • FIG. 8 shows the bioreactor system from FIG. 6 with an alternative arrangement of the sterile coupling
  • FIG. 9 shows the bioreactor system from FIG. 6, additionally comprising a mixing chamber
  • Figure 10 is a tabular listing of a sequence of steps for using the bioreactor system.
  • a bioreactor system is shown, wherein a bioreactor 11, which is formed in example as autoclavable or steam-sterilizable vessel, is connected to a riser 1 of a device for sampling.
  • the riser 1 is connected on the side facing away from the bioreactor 11 with a spur line 2 and a sampling line 3 T-like, for example by means of a tee.
  • the extraction line has a pump 7, for example a roller pump or peristaltic pump, with which a negative pressure in the extraction line 3 can be generated.
  • the extraction line 3 has a first shut-off valve 4.
  • the riser 1 has a second shut-off valve 8 with which the riser 1 can be closed.
  • a first sensor unit 10 which is equipped with one or more sensors.
  • the first sensor unit is preferably equipped with contactless sensors, eg with optical sensors.
  • the device according to the application is not limited to the fact that one or more sensors must be provided in a single first sensor unit 10. It is also possible to distribute several sensors over several sensor units.
  • the stub line 2 has on the side facing away from the T-like connection on a pressure source 5 for generating an overpressure in the stub 2.
  • Such a back pressure source 5 may be formed as a simple syringe or other gas source, such as a pressurized gas container or a container with a movable pin, preferably by automatically lowering the bolt, similar to a syringe , put under pressure can be.
  • the gas used to generate the overpressure can be, for example, a process gas, nitrogen or air.
  • it can come from a sterile gas source.
  • the originating from the pressure source 5 gas can be filtered by an additional possible sterile filter 6, which is arranged in the Stichlei device before it comes into contact with the organisms in the bioreactor 11 or in the other lines 1, 2.
  • a check valve 9 is provided, which is arranged on the T-like connection facing side of the sterile filter 6 in the stub 2.
  • This check valve serves as an additional security measure, but it can also be dispensed with, since in the stub pipe preferably no suppression arises, which causes the organisms get into the stub, but in the stub 2 is generated before preferably overpressure for blowing through, while suppressors preferably only is generated in the sampling line 3.
  • Sampling line 3 has a pump 7 for generating a negative pressure in the extraction line 3, in particular with respect to the riser 1 and with respect to the bioreactor 11, on. Furthermore, the extraction line 3, a first shut-off valve 4. Optionally, the extraction line 3 may further comprise a check valve, not shown, which allows fluid flow only from the T-type connection in the direction of the pump 7, but not in the opposite direction.
  • the bioreactor 11 may be autoclaved together with the hoses 1, 2, 3 formed as hoses, with hoses preferably being kept closed to prevent contamination after sterilization.
  • the sterile coupling 6 helps to prevent contamination.
  • the shut-off valves 4, 8 can be mounted.
  • the first sensor unit 10 can preferably be attached to the outside of the ascending pipe 1 designed as a hose and, for example, to measure an optical density through the hose.
  • the device After sterilization, the device can be constructed as described above and a reaction started in the bioreactor.
  • control unit 13 Via a control unit 13, the pump 7, the overpressure source 5, as well as the first and the second shut-off valve 4, 8 are controlled.
  • the communication connection of the individual components with the control unit 13 is indicated in the figure by dashed lines.
  • the control unit 13 can be programmed, for example, so that the removal operation is carried out at predetermined intervals. For this purpose, for example, a start time, an interval between the sampling and a number of sampling can be specified by the user.
  • the control unit 13 can also be in communication with the sensor 10 so that a sample is triggered by means of a preprogrammed step sequence, which is explained in detail below, when a measured value measured by the sensor of the first sensor unit 10 is a fixed one Criterion fulfilled.
  • a sampling provided at a given time will only be carried out if the measured value measured fulfills such a criterion.
  • a sampling can be started at a fixed point in time, sample material from the biorector 11 being pumped into the riser line at least as far as the first sensor unit 10. Based on the measured values acquired by the sensor of the first sensor unit 10, the sample is either further pumped and removed or pumped back into the bioreactor.
  • this makes it possible to perform multiple sampling or measurements over a longer period of time and to minimize the need for human interaction.
  • control unit 13 which receives signals from the individual components or to the individual Sends components.
  • sterile compressed air can be preliminarily introduced into the branch line 2 by means of the overpressure source, in conjunction with the sterile filter 6, wherein the first shut-off valve is preferably kept closed while the second shut-off valve is opened.
  • the first shut-off valve is preferably kept closed while the second shut-off valve is opened.
  • the pump 7 is started, wherein the first shut-off valve 4 is preferably kept closed initially. Then, the first from shut-off valve 4 is opened and the second shut-off valve 8 is kept closed to create a negative pressure in the extraction line 3, or to produce an overpressure in the bioreactor 11 and at least a portion of the riser 1 compared to the extraction line 3. In a later step, the second shut-off valve 8 is then opened, and thus upon further operation of the pump 7, a fixed amount of organisms in the bioreactor 11 are pumped or sucked from the bioreactor 11 into the riser 1. These organisms pass through the first sensor unit 10 arranged in the riser 1 and are measured by means of the one sensor or by means of at least one of the plurality of sensors of the first sensor unit 10 and the measured values are transmitted to the control unit 13.
  • the organisms can then be forced back into the bioreactor 11, for example, depending on the measured values thus acquired, which are adjusted, for example, in the control unit 13 with user-defined threshold values, by closing the first shut-off valve 4 by the control unit 13 and the overpressure source 5 is activated.
  • both Absperrven tile 4, 8 can be closed.
  • the steps relating to the back-feeding of the sample after the measurement are provided in the devices according to the application in which one or more sensors are arranged in the riser 1. As will be explained below in connection with other figures, not all devices provide sensors in the riser 1, so that the steps to backfire are provided in methods of using feedforward. directions without sensors in the riser 1 typically find no application.
  • the sample can be removed by passing the first sensor unit 10 by continuing to operate the pump 7 with open shut-off valves 4, 8 into the extraction line 3 and through the extraction line 3, for example, in a sample vessel (not shown) is pumped.
  • the second shut-off valve 8 is then closed again and an overpressure in the branch line is generated by the overpressure source 5.
  • the sampling line is impressedgepus tet.
  • the first shut-off valve 4 can be closed and the second shut-off valve 8 can be opened while the overpressure source 5 remains switched on.
  • the pump 7 can be turned off. So the riser 1 is blown through.
  • the duration of this fürpust Kunststoffs the riser 1 can be selected so that only a small amount of gas is introduced into the biore- reactor.
  • the steps for blowing through the extraction line 3 and the riser 1 may, in order to avoid contamination, be carried out not only after but also before sampling.
  • FIG. 2 shows the bioreactor system, wherein a second sensor unit 10 'is arranged in the extraction line 3 instead of the first sensor unit 10 shown in FIG.
  • the second sensor unit 10 ' may include non-contact and / or media-contacting sensors, provided that the media-contacting sensors are suitable for being sterilized together with the bioreactor.
  • the sampling steps are carried out in a manner similar to that described in connection with FIG. 1, but there is no possibility here of pumping the sample back into the reactor after the measurement. As mentioned above, therefore, typically no steps to repress the sample are performed. Instead, the sample is withdrawn as described above, and when taken, readings are taken which can be assigned to the sample taken.
  • the advantage of this arrangement is that the second sensor unit 10 'through the shut-off valves 4, 8 can be separated from the bioreactor, so that the sensors of the second sensor unit 10 'can be cleaned by blowing through the extraction line 3 and unwanted contact of the sensors with the organisms from the bioreactor can be avoided between the measurements.
  • FIG. 3 shows the bioreactor system, the sampling device comprising as a combination of the embodiments shown in FIGS. 1 and 2 both the first sensor unit 10 and the second sensor unit 10 '. This combines the advantages of both devices described above.
  • the device can accordingly be operated as described in connection with FIG.
  • the second sensor unit 10 ' may be configured to send a signal to the control unit 13 when the sample arrives at or passes the second sensor unit 10' during the sampling process.
  • the sampling can then be ended, for example, as soon as the sample arrives at the second sensor unit 10 ', for example by the second shut-off valve 8 being closed by the control unit.
  • This allows the volume of samples taken to be checked. For example, it can be ensured that each sample has the same volume or approximately the same volume.
  • volume control is preferable to timing, especially if the viscosity of the sample or the pressure ratios in the bioreactor system are not constant and change, for example, during the reaction or during withdrawal.
  • a combination of the described volume control with a time control is also possible.
  • FIG. 4 shows the bioreactor system from FIG. 3, wherein a purge line 14 is provided in the withdrawal line 3, between the first shut-off valve 4 and the second sensor unit 10 '.
  • About the purge line 14 can, for example, sterile gas and / or liquids are fed into the extraction line 3.
  • This can for example be used to clean the extraction line 3 itself, in which case the second sensor unit 10 'does not have to be contained in the sampling device.
  • it can also be used to clean the sensors of the second sensor unit 10 or be necessary for the use of the sensors of the second sensor unit 10 'if, for example, buffers used to protect enzymatic sensors are or extend their life, are fed via the purge line 14 in the extraction line.
  • solutions for calibrating the sensors of the second sensor unit 10 ' can be flowed.
  • these are supplied via the purge line 14 between two removal processes and then, with the first shut-off valve 4 open and the second shut-off valve 8 closed, the withdrawal line is blown with sterile gas by means of the overpressure source 5 in order to produce the following Measurement should be possible no residues of the inflowing solution, which could adversely affect a measurement.
  • the method steps described here, which relate to the flushing line can also be carried out in modified devices, for example, no first sensor unit 10 is required for this purpose.
  • FIG. 5 shows the bioreactor system as in FIG. 1, wherein an optional purge line 14 is additionally arranged on the extraction line and a sterile coupling is provided between the first sensor unit 10 and the bioreactor 11.
  • the sterile coupling comprises two coupling stubs 12.1, 12.2, which can be connected to each other to produce an outwardly dense Fluidverbin tion between two hose or pipe ends on which the Kuppiungs- are arranged.
  • a first coupling stub 12.1 is in the riser 1 on the side of the first sensor unit 10 angeord net and a second coupling stub 12.2 in the riser on the side of the bioreactor 11, so that the bioreactor 11 together with a part of the riser 1 and the second Kuppiungsstutzen 12.2 can be separated from the other com ponents of the sampling device.
  • the illustrated embodiment with the sterile coupling is particularly advantageous if the sensor or one of the sensors of the first sensor unit 10 'is designed as a sensor in contact with the media. Media-contacting sensors are common not steam sterilizable and therefore can not be sterilized together with the bioreactor.
  • Sterile coupling permits separate sterilization of the section of the device comprising the sensor or media-contacting sensors, for example by gamma sterilization, plasma sterilization or by means of ethylene oxide.
  • the coupling sockets connected in each case to the sections are designed to be sterilizable. For example, lying on the side of the first sensor unit 10 first coupling nozzle 12.1 gammasterilisierbar and be made of plastic or steel and lying on the side of the bioreactor 11 second coupling nozzle 12.2 steam sterilizable and out of plastic or metal out forms.
  • FIG. 6 shows the bioreactor system, wherein the sterile coupling is arranged at the same position as in the example of FIG. 5, but, as also shown in FIG. 2, instead of the first sensor unit 10 only the second sensor unit 10 'is provided.
  • This arrangement is particularly advantageous when the second sensor unit comprises media-contacting sensors.
  • the purge line 14 allows, as described above, the cleaning and / or calibration of the sensors, on the other hand, a separate sterilization of the media-contacting sensors is made possible by the sterile coupling.
  • the use of such a system is otherwise as described in connection with Figure 2.
  • the sterile coupling allows the bioreactor 11 separate sterilization of the media-contacting sensors of the second sensor unit 10 '.
  • the sterile filter 6 and the check valve 9 can then be gamma sterilized together with the second sensor unit 10 ', for example, and then connected to the autoclaved bioreactor 11.
  • the shut-off valves 4, 8 may for example be designed as a pinch valves and installed after sterilization.
  • FIG. 7 shows a combination of the embodiments from FIGS. 5 and 6.
  • the sterile coupling is furthermore arranged as the first component after the bioreactor 11 in the riser 1.
  • the device comprises both the first sensor unit 10 and the second sensor unit 10 'and a Spülli- direction.
  • both sensor units 10, 10 ' can be sterilized separately from the bioreactor, for example if both sensor units have media-contacting sensors.
  • the use of the system shown is otherwise as described in connection with Figure 3, wherein in addition the advantages of the flushing line described above can be exploited.
  • Figure 8 shows the bioreactor system, wherein the sterile coupling is arranged instead of in the riser line 1 in the extraction line 3. In this case, the sterile coupling between the first shut-off valve 4 and the purge line 14 is positioned.
  • Bioreactor 11 can then, for example, be steam-sterilized together with non-return valve 9 and sterile filter 6 and riser 1, stub 2, a part of extraction line 3 and first coupling stub 12.1, with stop valves 4, 8 again after sterilization. can be stalled.
  • the second sensor unit and the flushing line 14, as well as the associated section of the extraction line 3 and the second coupling connection 12.2 can either be sterilized separately or be non-sterile.
  • such an arrangement can also have a first sensor unit 10 and / or a sterile coupling arranged as in FIGS. 5 to 7.
  • FIG. 9 shows the bioreactor system, wherein the sensors and the sterile coupling are arranged as in FIG. 6, but a mixing chamber 16 is provided in the extraction line 3 between the second sensor unit and the first shut-off valve 4.
  • a purge line 15 is connected to the mixing chamber 16 and, moreover, it has a mixing chamber outlet 17 with a valve.
  • the mixing chamber 16 may also be a media-contacting sensor befin, such as a pH sensor.
  • the removed sample first enters the Mixing chamber before it passes the second sensor unit 10 'and can be left in the mixing chamber 16 by a corresponding short-term shutdown of the pump 7 and / or by actuation of valves for a certain period of time.
  • valves for this purpose, other valves may be provided in possible embodiments.
  • the sample can be pretreated before it is pumped further along the sampling line to be measured by the second sensor unit 10 'and subsequently removed or discarded.
  • a medium can be added to dilute the sample. It is also possible for chemicals to be introduced into the mixing chamber 16 via the flushing line 15, for example, which make sensor measurement possible. For example, it is possible to add acids or bases which shift the pH of the sample in such a way that a measurement with a sensor of the second sensor unit 10 'is possible.
  • the mixing chamber can be emptied via the mixing chamber drain 17 and cleaned with the aid of the flushing line 15.
  • FIG. 10 shows in tabular form a possible sequence of steps for using the bioreactor system according to the invention, which can be triggered automatically, for example, by the control unit.
  • the steps S1 to S10 are carried out in the order listed here.
  • a duration of each step is usually a few seconds.
  • the status of the valves 4, 8 or of the pump 7 and of the overpressure source 5 during each step is indicated by "0" or "1" in the corresponding columns. In this case, “0” stands for "closed” or “off” and “1” for "open” or “on”.
  • the valves 4, 8 are closed and the pump 7 and the overpressure source 5 are switched off.
  • step S2 is initiated.
  • pressure is applied to the spur line 2 by switching on the overpressure source 5, while all other components remain in the "0" position, in which, in addition to the activated overpressure source 5, the second shut-off Valve 8 opened and the riser 1 gepufetet.
  • the overpressure source 5 is switched off in order to reduce the pressure in the riser 1 while the second shut-off valve 8 is still open.
  • step SS all valves 4, 8 are then closed again and the overpressure source 5 is left in the switched-off state, while the pump 7 is approached.
  • step SS by opening the first shut-off valve 4 with simultaneous pump operation, an overpressure is generated in the riser 1 with respect to the withdrawal line 3.
  • S7 By a subsequent additional opening of the second shut-off valve 8, the complete fluid path from the bioreactor 11 to the pump 7 is released in S7 so that organisms can be removed.
  • the duration of this removal process S7 varies depending on how much volume is to be removed.
  • the second shut-off valve 8 and thus the riser 1 is closed again in S8, so that the
  • Sampling line 3 can be blown through and cleaned.
  • the overpressure source 5 is additionally switched on. This step is performed so long as to ensure that the entire sample has entered the sample vessel.
  • the riser pipe 1 is blown by the first shut-off valve 4 is closed and the second shut-off valve 8 is opened again, continue operation of the pressure source 5.
  • steps 8 and 9 are after the removal process in the riser 1 remaining organisms back to the reactor 11 been supplied and in the withdrawal line remaining organisms have been supplied to the sample removed, so that the process has no or a negligibly small Totvolu men.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Probenahme aus Bioreaktoren, mit einer mit einem Bioreaktor verbindbaren Steigleitung (1), einer Stichleitung (2) und einer Entnahmeleitung (3), die mit einer T-artigen Verbindung verbunden sind. Die Entnahmeleitung (3) weist ein erstes Absperrventil (4) auf, die Stichleitung (2) ist mit einer Überdruckquelle (5) verbunden und die Entnahmeleitung (3) ist mit einer Pumpe (7) verbunden. Bei der Vorrichtung zur Probenahme sind die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) über eine Kontrolleinheit (13) automatisiert steuerbar. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Probenahme.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur sterilen Probenahme
Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Probenahme sowie ein Verfahren zur Verwendung der Vorrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Probenahme von Kulturlösungen wie Mikroorganismen oder Zellen aus beispielsweise Bioreaktoren, wie autoklavierbaren Kulturgefäßen, Fermentern oder anderen Kultivierungs- systemen bekannt. Die EP 2305790 zeigt eine solche Vorrichtung, wobei mit einer sterilen Spritze mit sogenanntem Luer-Lock-Konus über eine Verbindung aus autoklavierbaren Kulturgefäßen eine Probe manuell entnommen werden kann. Dabei umfasst die Vorrichtung ein beim Aufsetzen der Spritze selbsttätig öffnendes und beim Abnehmen selbsttätig schließendes Automatikventil. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Automatikventil und der Verbindung ein zum Automatikventil hin schließendes Rückschlagven- til vorgesehen ist. Die Vorrichtung aus der EP 2305790 zeigt ferner eine Stichleitung mit einem Luftfilter und einem Rückschlagventil, die über ein T-Stück mit einer Durchgangsleitung zwischen dem Automatikventil und der Verbin- dung verbunden ist. Zum Spülen der Vorrichtung wird nach der EP 2305790 eine Spritze an die Stichleitung angeschlossen und der Kolben so oft heraus- ged rückt bis die Kulturlösung aus den Leitungen in das Kulturgefäß vollständig zurückverdrängt ist.
Die Bedienung von Hand erfordert ein regelmäßiges Eingreifen von außen. Besonders bei längeren Versuchen ist eine manuelle Bedienung aufwändig und kostenintensiv. Ferner kann es bei einer Fehlbedienung zu einer Konta- mination des Bioreaktors oder der Probe kommen.
Der gegenwärtigen Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Probenahme zu entwickeln, bei der eine Kontamination der Probe oder des Bioreaktors vermieden wird und die so konzipiert ist, dass sie voll automa- tisiert eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Hauptan- spruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprü- chen.
Eine Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Anmeldung weist eine mit einem Bioreaktor verbindbare Steigleitung, eine Stichleitung und eine
Entnahmeleitung auf. Die Steigleitung, die Stichleitung und die
Entnahmeleitung sind dabei mittels einer T-artigen Verbindung verbunden.
Die Entnahmeleitung weist ein erstes Absperrventil auf. Die Stichleitung ist optional mit einer Überdruckquelle verbunden bzw. verbindbar und die Entnahmeleitung mit einer Pumpe.
Ferner weist die Vorrichtung eine Kontrolleinheit zur Steuerung der Über- druckquelle, der Pumpe und des ersten Absperrventils auf.
Durch diese Anordnung können die Überdruckquelle, die Pumpe und das ers- te Absperrventil automatisch gesteuert werden, indem die einzelnen Kompo- nenten in einer festgelegten Reihenfolge von der Kontrolleinheit aktiviert bzw. betätigt werden. So können ohne menschliches Eingreifen Proben ent- nommen bzw. Messungen im geförderten Medium durchgeführt werden. Da- für können die Ventile, die Überdruckquelle und die Pumpe bzw. weitere mögliche Bauteile der Vorrichtung entsprechende Aktuatoren und/oder Motoren aufweisen und/oder mit solchen verbunden sein, um eine derartige durch die Kontrolleinheit ausgelöste Aktivierung oder Betätigung zu ermögli chen. Aktivierung bzw. Betätigung bedeutet im Falle von Ventilen beispiels- weise ein Öffnen und Schließen. Im Falle der Pumpe und der Überdruckquelle sind darunter ein Ein- und Ausschalten zu verstehen. Generell kann darunter beispielsweise eine Änderung eines Betriebszustands verstanden werden, die im vorliegenden Fall vorzugsweise ohne menschliches Eingreifen und durch die Kontrolleinheit gesteuert vorgenommen werden kann.
Dadurch wird es insbesondere vereinfacht, mehrere Probenahmen und/oder Messungen über einen längeren Zeitraum auszuführen. Es ist dann zum Beispiel nicht erforderlich, dass eine Person während der Probenahme zugegen ist, um diese manuell auszulösen oder durchzuführen.
Als T-artige Verbindung, über die die Steigleitung, die Stichleitung und die Entnahmeleitung miteinander verbunden sind, sind dabei alle Verbindungen zu verstehen, die eine Verbindung von drei Leitungen ermöglichen, also bei- spielsweise auch Verbindungen die von ihrer Geometrie eher eine Y-artige Verbindung darstellen. Der Einsatz eines genormten und/oder handelsübli- chen T-Stücks stellt eine mögliche Ausführung dar, ist im Sinne der Anmel dung aber nicht zwingend.
Die Leitungen können beispielsweise als Schläuche ausgebildet sein.
Die Überdruckquelle kann beispielsweise als Spritze oder spritzenähnlich aus gebildet sein. Es kann sich also beispielsweise um einen Behälter mit einem beweglichen Bolzen handeln, der ähnlich wie bei einer Spritze gesenkt werden kann zur Erzeugung eines Überdrucks. Die Überdruckquelle kann auch als Pro zessgasquelle oder als sterile Gasquelle ausgebildet sein, beispielsweise als Gasleitung oder unter Druck stehender Behälter. Das Prozessgas ist dabei vor- zugsweise ein Gas, das den biologischen Prozess im Inneren des Reaktors nicht beeinflusst oder nicht negativ beeinflusst. Als Überdruckgas kann bei spielsweise Stickstoff zum Einsatz kommen. Die Prozessgasquelle oder sterile Gasquelle kann in Form eines entsprechend angeschlossenen beispielsweise austauschbaren Gastanks oder in Form einer Gasleitung bereitgestellt wer- den. Die Überdruckquelle kann auch eine Pumpe zum Erzeugen eines Drucks aufweisen. Vorzugsweise ist die Überdruckquelle automatisiert steuerbar, verfügt also über einen Mechanismus, der elektronisch ansteuerbar den
Überdruck zur Verfügung stellt, ohne dass menschliches Eingreifen erforder- lich ist.
Die Pumpe, die mit der Entnahmeleitung verbunden ist, kann beispielsweise als Schlauchpumpe wie zum Beispiel als Schlauchquetschpumpe bzw. Rollen- pumpe ausgestaltet sein. Hierfür ist die Entnahmeleitung zumindest im Be- reich der Pumpe vorzugsweise als flexibler Schlauch ausgebildet. Die Pumpe dient zur Erzeugung eines Unterdrucks. Durch den Unterdrück kann die Probe aus dem mit der Vorrichtung verbindbaren Kulturgefäß gesaugt werden, bei- spielsweise in ein mit der Entnahmeleitung verbindbares Probengefäß. Das
Probengefäß ist beispielsweise aus Kunststoff oder Edelstahl gefertigt.
Durch die Anordnung des ersten Absperrventils in der Entnahmeleitung kann die Entnahmeleitung verschlossen werden und mittels der Überdruckquelle, die an die Stichleitung anschließbar ist, die Steigleitung durchgepustet wer den. Das geförderte Medium kann so aus der Steigleitung herausgedrückt werden. Im Gegensatz zu Anordnungen, bei denen die Entnahmeleitung nicht verschließbar ist, kann das durchzupustende Leitungsvolumen, das mittels der Überdruckquelle leergepustet werden muss, hier verringert werden, wodurch eine einfachere, schnellere und zuverlässigere Reinigung oder Spülung ermög- licht wird. Ferner wird bei einem Durchpustvorgang die Gefahr einer Konta- mination verringert, weil Gas, Prozessgas, Außenluft, Probenmaterial oder Fremdkörper nicht in die von dem ersten Absperrventil verschlossenen Lei- tungen gelangen kann.
Das erste Absperrventil und weitere Ventile, die anmeldungsgemäß in die Vorrichtung eingebaut werden können, sind in einer Ausführung als elektrisch oder pneumatisch steuerbare Ventile ausgestaltet, um eine Automatisierung des Probenahmeprozesses zu erlauben. Die Ventile sind vorzugsweise nicht medienberührend ausgestaltet bzw. angeordnet, zum Beispiel als Schlauch quetschventile. Die beschriebene Vorrichtung erlaubt, wie erwähnt, eine automatisierte Pro- benahme, beispielsweise durch eine vorab programmierte Ausführung von Schritten, in denen die Pumpe oder die Überdruckquelle ein- oder ausgeschal- tet werden und das erste Absperrventil und mögliche weitere Absperrventile geöffnet oder geschlossen werden. Diese Schritte können beispielsweise zeit- gesteuert, in vorprogrammierten Intervallen ausgeführt und wiederholt wer- den. Mögliche weitere Komponenten der Vorrichtung können ebenfalls in Kommunikation mit der Kontrolleinheit stehen und Kontrollsignale von der Kontrolleinheit empfangen und in manchen Ausführungen auch Signale bzw. Daten an die Kontrolleinheit senden. Mögliche Ausgestaltungen, die weitere Komponenten umfassen sowie mögliche Interaktionen der Komponenten mit der Kontrolleinheit sind nachfolgend beschrieben.
Ein System gemäß dieser Anmeldung umfasst beispielsweise eine Vorrichtung wie in der Anmeldung beschrieben oder eine Vorrichtung nach einem der Pa tentansprüche und einen mit der Steigleitung verbundenen Bioreaktor. Der Bioreaktor kann beispielsweise ein autoklavierbares oder mit Dampf sterilisierbares oder anderweitig sterilisierbares Gefäß sein.
In einer Ausführungsform weist die Stichleitung zwischen der Pumpe und der T-artigen Verbindung einen Sterilfilter auf, so dass bei Verwendung einer nicht sterilen Überdruckquelle die Leitungen weiterhin steril gehalten werden. Um eine Verblockung des Sterilfilters oder der Überdruckquelle zu vermeiden, kann weiterhin ein optionales Rückschlagventil in der Stichleitung vorgesehen sein. Dieses ist bei einer Kombination mit einem Sterilfilter zwischen dem Sterilfilter und der T-artigen Verbindung so angeordnet, dass es für einen Fluidfluss in Richtung der T-artigen Verbindung geöffnet und in die entgegen- gesetzte Richtung geschlossen ist.
Ein weiteres optionales Rückschlagventil kann in der Entnahmeleitung ange- ordnet sein. Es ist so gerichtet, dass ein Fluidfluss von der T-artigen Verbin- dung in Richtung der Pumpe ermöglicht und der Fluss in die entgegengesetzte Richtung verhindert wird.
Die Vorrichtung kann weiterhin ein zweites Absperrventil aufweisen welches in der Steigleitung angeordnet ist, vorzugsweise als elektrisch steuerbares Ventil ausgebildet und mit der Kontrolleinheit verbindbar, so dass auch Funktionen die dieses zweite Absperrventil betreffen, automatisierbar sind.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine oder mehrere Sensoreinheiten aufwei- sen, beispielsweise angeordnet in der Steigleitung und/oder in der
Entnahmeleitung. Jede der einen oder mehreren Sensoreinheiten kann einen oder mehrere Sensoren umfassen, die dazu dienen, einen oder mehrere Messwerte zu erfassen, die einen Zustand oder eine Eigenschaft der Probe beschreiben. Ferner kann auch eine Sensoreinheit in dem Bioreaktor ange- ordnet sein, um Messwerte der noch in dem Bioreaktor befindlichen Probe zu messen. Beispielsweise kann ein im Bioreaktor angeordnetes Thermometer die Temperatur im Reaktor ständig überwachen.
In einer Ausführung ist zumindest eine der Sensoreinheiten mit der Kontrolleinheit verbunden und dazu eingerichtet, Messwerte an die Kontrolleinheit zu senden und/oder dazu eingerichtet, von der Kontrolleinheit gesteuert zu wer den.
Mit der Kontrolleinheit verbundene Sensoren können durch ein an die Kont rolleinheit übermitteltes Signal eine vorprogrammierte Schrittfolge zur Pro benahme oder für weitere Messungen auslösen.
Eine Probenahme oder Messung kann beispielsweise durch einen vom Sensor gemessenen Wert, der einen voreingestellten Grenzwert beispielsweise über schreitet oder unterschreitet, ausgelöst werden. Die Probe wird also dann genommen, wenn ein bestimmtes Ereignis eintritt. Die vorprogrammierten Schritte zur Probenahme können also in diesem Sinne ereignisgesteuert sein, d.h. durch die Messung eines bestimmten Wertes durch einen Sensor ausge- löst werden. Der Messwert wird dabei von dem Sensor an die Kontrolleinheit übermittelt, die dann wiederum die entsprechenden Signale zur Probenahme an die zur Probenahme benötigten Einheiten, wie Pumpen, Absperrventile und Überdruckquellen gibt.
Neben der ereignisgesteuerten Probenahme, gibt es, wie oben beschrieben, die Möglichkeit der zeitgesteuerten Probenahme, welche zu vorab festgeleg- ten Zeiten automatisch, durch die Kontrolleinheit gesteuert, erfolgt, wobei beispielsweise ein Startzeitpunkt und Zeitintervalle durch einen Benutzer festgelegt werden. Die zeitgesteuerte und die ereignisgesteuerte Probenahme können als Alternativen oder in Kombination verwendet werden. Ebenso ist es möglich, dass die Zeitsteuerung und die Ereignissteuerung miteinander in Wechselwirkung stehen und Randbedingungen füreinander darstellen. Bei- spielsweise kann eine Probenahme zu einer bestimmten Zeit unter der Vo- raussetzung ausgeführt werden, dass ein bestimmtes Sensorsignal vorliegt oder eine Probenahme bei einem bestimmten Sensorsignal unter der Voraussetzung ausgeführt werden, dass seit der letzten Probenahme mindestens eine festgelegte Zeitspanne verstrichen ist.
Nachfolgend sind einige weitere mögliche Beispiele für Sensoren und deren Anordnung bzw. Verwendung erwähnt, wobei ein Fachmann je nach Probe oder Anwendung entsprechend auch andere Sensoren oder Anordnungen wählen kann.
Als Sensoren können verschiedene physikalische, chemische oder biologische Sensoren verwendet werden.
Beispiele hierfür sind mechanische, elektrische, optische oder mikroelektromechanische Sensoren, elektrochemische Sensoren, Enzymsensoren oder Bioarray- bzw. Biochip-Sensoren.
Beispielsweise können optische Sensoren für eine Spektralanalyse bzw. zur Messung einer optischen Dichte verwendet werden. Weiterhin können chemische Sensoren zur pH-Messung oder zur Sauerstoffmessung dienen. Enzymsensoren können verwendet werden um die Reaktion eines Enzyms proporti onal zur bestimmenden Konzentration eines Substrates, wie Glucose, Lactat, Glutamat, Glutaminen usw. detektieren.
Die Sensoren können, je nachdem welche Messgröße erfasst werden soll, als berührungslose Sensoren oder medienberührende Sensoren ausgebildet sein.
Es stellt eine weitere Aufgabe der Erfindung dar, die Sensoren so anzuordnen und zu verwenden, dass eine messungsbedingte Beeinflussung oder Kontami- nation der Probe möglichst vermieden wird oder nur dann erfolgt, wenn sie unvermeidbar ist. Insbesondere im Zusammenhang mit medienberührenden Sensoren entsteht eine solche Problematik.
Beispielsweise führt eine Messung mittels eines medienberührenden Sensors in der Regel dazu, dass die Probe danach nicht wieder in den Bioreaktor zu- rückgepumpt werden kann, da sie durch die Messung, beispielsweise durch eine chemische Reaktion oder einen biologischen Prozess verbraucht oder so verändert wird, dass sie das übrige Material im Bioreaktor kontaminieren würde.
Mit verschiedenen hier gezeigten Anordnungen kann vermieden werden, dass durch derartige Messungen unnötig Probenmaterial verschwendet wird, weil mehr Material als nötig entnommen wird, oder weil das Material zu früh ent- nommen wird. Dadurch wird in einer Ausführung einer solchen medienberüh- renden Messung eine berührungslose Messung vorgeschaltet, die dazu geeignet ist, zu bestimmen, ob das im Bioreaktor befindliche Probenmaterial be- reits einen Zustand erreicht hat, in dem die medienberührende Messung sinn- voll ist. Beispielsweise kann durch eine vorgeschaltete optische Analyse be- stimmt werden, ob eine Reaktion im Bioreaktor weit genug fortgeschritten ist, um eine medienberührende Messung durchzuführen. Auf Basis einer solchen vorgeschalteten berührungslosen Messung kann auch bestimmt werden, ob eine Probenahme erfolgen soll. Die in der Leitung vorgeschalteten berüh- rungslosen Sensoren erfassen also beispielsweise Messwerte, die eine Ent- scheidung darüber ermöglichen, ob eine weitere Messung durchgeführt wird und/oder eine Probe entnommen wird.
In einem möglichen Aufbau gemäß der Anmeldung werden also beispielswei- se eine erste Sensoreinheit mit einem berührungslosen Sensor und eine zwei- te Sensoreinheit mit einem medienberührenden Sensor nacheinander ange- ordnet, wobei vorzugsweise mindestens ein Absperrventil zwischen den bei- den Sensoreinheiten angeordnet ist. Das erlaubt eine vorgeschaltete Messung mittels des berührungslosen Sensors, woraufhin, basierend auf den von dem berührungslosen Sensor ermittelten Messwerten, die vorzugsweise an die Kontrolleinheit übermittelt werden, vorzugsweise automatisiert, beispielswei- se durch einen Abgleich mit benutzerdefinierten Werten, darüber entschie- den wird, ob die Probe entweder wieder zurück in den Bioreaktor gepumpt wird, oder ob die Probe weitergepumpt wird, um von dem medienberühren- den Sensor analysiert und/oder entnommen zu werden.
Sofern eine erste Sensoreinheit in der Steigleitung vorhanden ist, kann diese beispielsweise auf der dem Bioreaktor zugewandten Seite des zweiten Ab sperrventils sein. In einer Ausführung ist diese erste Sensoreinheit nur mit berührungslosen Sensoren ausgestattet.
Es kann in unterschiedlichen Ausführungen auch nur die erste oder nur die zweite Sensoreinheit vorliegen.
Die zweite Sensoreinheit kann zwischen dem ersten Absperrventil und der Pumpe angeordnet sein. Der eine oder die mehreren Sensoren der zweiten Sensoreinheit können als medienberührende Sensoren oder als berührungslo se Sensoren ausgebildet sein.
Nach der Messung durch einen medienberührenden Sensoren der ersten und/oder der zweiten Sensoreinheit kann die Probe dann verworfen, gelagert oder für andere Messverfahren zur Verfügung gestellt werden. Das Weiter- pumpen und/oder Zurückpumpen wird dabei durch in der Anmeldung vorge- schlagene Pumpen- und Ventilanordnungen ermöglicht.
Beispielsweise kann eine Signalabschwächung bei einer Absorptionsmessung, die mittels eines Sensors der ersten Sensoreinheit durchgeführt wird, auf ei- nen Anstieg der Biomasse, also eine erhöhte Zellenanzahl, hindeuten. Beispielsweise muss ab einer gewissen Biomasse ein Substrat (z.B. Glucose) ge- fördert werden, dessen Konzentration dann über eine medienberührende Messung in einem Enzymsensor der zweiten Sensoreinheit gemessen wird.
Die zweite Messung mit dem Enzymsensor ist teuer und der Sensor ist typi scherweise in der Zahl der Messzyklen beschränkt. Daher wird die Messung mit dem Sensor der zweiten Sensoreinheit erst begonnen, wenn der Sensor der ersten Sensoreinheit auf eine hinreichende Zellkonzentration hingewiesen hat.
Die Substratkonzentration soll in einer Ausführung beispielsweise trotz Zell- konzentrationszunahme konstant gehalten werden, was über eine automati- sche Rückkopplung zu einer möglichen Substratpumpe gewährleistet werden kann, die ebenfalls mit der Kontrolleinheit gekoppelt und durch diese steuer- bar ist. Hierfür werden Messungen der Substratkonzentration mittels der ers- ten Sensoreinheit zeitlich engmaschig durchgeführt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft die praktische Handhabung der Probenahmevorrichtung. Das umfasst zum Beispiel auch vorbereitende Schrit- te, die notwendig sind, um einen sicheren und kontaminationsfreien Reakti- onsvorgang und sichere und kontaminationsfreie Sensormessungen und Pro- benahmen zu ermöglichen.
Neben den beschriebenen Anordnungen von Ventilen und Sensoren kann eine sichere und kontaminationsfreie Handhabung durch eine Vorrichtung gemäß der Anmeldung weiterhin durch eine oder mehrere Sterilkupplungen erleich- tert werden, die eine Sterilisation einzelner Komponenten oder Abschnitte der Vorrichtung ermöglichen und außerdem einen Austausch von Sensoren oder anderen Komponenten, in manchen Ausführungen auch während des Reaktionsprozesses, erlauben.
Die Sterilkupplungen sind beispielsweise wie nachfolgend oder in den Figuren dieser Anmeldung beschrieben bzw. gezeigt in die Leitungen integriert.
Insbesondere die Sterilisation der medienberührenden Sensoren der Sensor- einheiten stellt für den Fachmann häufig eine Herausforderung dar, da diese aufgrund ihres direkten Kontakts mit der Probe in manchen Fällen steril sein müssen, aber oft nicht mit dem Bioreaktor zusammen sterilisiert werden können, da sie beispielsweise nicht temperaturfest und somit nicht autoklavierbar oder dampfsterilisierbar sind. Während der Bioreaktor vorzugsweise durch Autoklavierung bzw. Dampfsterilisation sterilisiert wird, sind beispielsweise die medienberührenden Sensoren für diese Arten der Sterilisation nicht ge- eignet und müssen stattdessen beispielsweise durch Gammasterilisation, Elektronenstrahlsterilisation, Plasmasterilisation oder mittels Ethylenoxid- Sterilisation sterilisiert werden. Das kann gleichermaßen auch auf andere Komponenten der Vorrichtung zutreffen, so dass die hier vorgestellte Lösung dieses Problems für weitere Komponenten analog anwendbar ist. In manchen Fällen können die medienberührenden Sensoren auch unsteril sein und sind gemäß der Anmeldung Sterilkupplungen von einem sterilen Teil der Vorrichtung getrennt bzw. trennbar angeordnet.
Die berührungslosen Sensoren sind, anders als die medienberührenden Sen- soren typischerweise leicht in die Vorrichtung integrierbar, da sie keinen di- rekten Kontakt zu der Probe haben und vor der Sterilisation abgenommen werden können. Bei der Anordnung der berührungslosen Sensoren ergeben sich dementsprechend zusätzliche Möglichkeiten, die in den beschriebenen Anordnungen ausgenutzt werden. Der gleiche Sachverhalt kann beispielswei- se auf die verwendeten Absperrventile zutreffen, wenn diese beispielsweise als Schlauchquetschventile ausgestaltet sind.
Die verwendeten Sterilkupplungen umfassen beispielsweise zwei
zusammenfügbare Stutzen. Diese werden an zwei Leitungsenden, die mitei- nander verbindbar sein sollen, bereitgestellt. Zum Verbinden der Leitungsen- den können die Stutzen flüssigkeitsdicht aufeinandergesetzt werden und zum Trennen der Leitungsenden wieder auseinandergezogen werden. In getrenntem Zustand werden die getrennten Leitungsenden vorzugsweise durch die Sterilkupplung abgedichtet. In einer Ausführung sind die Leitungsenden zu- mindest bevor sie ein erstes Mal aufeinandergesetzt werden durch die Sterilkupplung flüssigkeitsdicht abgedichtet.
Beispielsweise können die Stutzen als zwei komplementäre Plastikstutzen ausgebildet sein, wobei jeder der Stutzen eine Membran aufweisen kann, die das jeweilige Leitungsende abdichtet und die nach Befestigung bzw. Kupplung der beiden Plastikstutzen herausgezogen werden kann, um einen Fluidpfad durch die Sterilkupplung freizugeben. Weiterhin kommen beispielsweise auch Nadel-Membran-Kupplungssysteme in Frage.
Eine Ausführungsform sieht die Verwendung von gammasterilisierbaren Ein- weg-Kupplungen aus Plastik vor. Ebenso ist die Verwendung von Stahl-Stahl oder Stahl-Plastik-Kupplungen vorgesehen, wobei im letzteren Fall vorzugsweise ein Stahlkupplungsstutzen auf der Seite des Bioreaktors und ein Plastikkupplungsstutzen auf der Seite des Sensors angeordnet ist. Die eine oder die mehreren Sterilkupplung können beispielsweise in der Steig leitung und/oder in der Entnahmeleitung angeordnet sein und ein Trennen und Verbinden eines Leitungsabschnitts und der daran befindlichen Kompo nenten von der restlichen Vorrichtung ermöglichen.
Beispielsweise kann in einer Vorrichtung, in der die erste Sensoreinheit in der Steigleitung und/oder die zweite Sensoreinheit in der Entnahmeleitung vor- handen sind und zumindest eine der Sensoreinheiten einen medienberühren- den Sensor aufweist, eine Sterilkupplung in der Steigleitung als erstes Bauteil nach dem Bioreaktor angeordnet sein. Dadurch ist in dieser möglichen Aus- führung die Probenahmevorrichtung mit allen Absperrventilen, Rückschlag- ventilen, Sensoreinheiten und möglichen weitern Bauteilen sowie einem ers- ten Kupplungsstutzen von dem Bioreaktor trennbar. An dem Bioreaktor selbst verbleiben ein Abschnitt der Steigleitung sowie ein zweiter Kupplungsstutzen.
Der Bioreaktor mit dem Abschnitt der Steigleitung und dem zweiten Kupp- lungsstutzen werden vor einem Zusammenkuppeln der Kupplungsstutzen autoklaviert. Der übrige Teil der Vorrichtung kann dann beispielsweise mittels Gammasterilisation oder mittels eines anderen Verfahrens, für das die ver- wendeten Sensoren ausgelegt sind, sterilisiert werden.
Liegt ein medienberührender Sensor nur in der zweiten Sensoreinheit in der Entnahmeleitung vor, während die erste Sensoreinheit nur berührungslose Sensoren aufweist oder auf die erste Sensoreinheit komplett verzichtet wird, kann eine Sterilkupplung beispielsweise zwischen dem ersten Absperrventil und der zweiten Sensoreinheit angeordnet sein. Dann liegen der Bioreaktor und das erste und das zweite Absperrventil auf der Seite des ersten Kupp- lungsstutzens und die zweite Sensoreinheit liegt, zusammen mit möglichen weiteren Bauteilen, wie zum Beispiel Spülleitungen und/oder Mischkammern, auf der Seite des zweiten Kupplungsstutzens.
Eine solche Anordnung ermöglicht ein vorbereitendes Sterilisieren des den Bioreaktor umfassenden Abschnitts mit dem ersten Kupplungsstutzen. Dieser Abschnitt umfasst typischerweise auch die Stichleitung mit Rückschlagventil und Sterilfilter. Der Abschnitt auf der Seite des zweiten Kupplungsstutzens, der die zweite Sensoreinheit mit dem medienberührenden Sensor umfasst, kann dabei auch unsteril sein oder er kann beispielsweise gammasterilisiert werden. Der medienberührende Sensor kann zum Beispiel ein Glucosesensor oder ein enzymatischer Sensor sein. Durch die Anordnung kann verhindert werden, dass eine Probe, die das zweite Absperrventil passiert und somit zwangsläufig in den möglicherweise unsterilen Bereich gelangt, den Bioreak- tor kontaminiert. Diese Anordnung der Sterilkupplung ermöglicht ein Austau- schen der zweiten Sensoreinheit während des laufenden Betriebs durch Tren- nen der Sterilkupplung. Der sterile Teil der Vorrichtung, der den Bioreaktor und das erste und das zweite Absperrventil umfasst, bleibt von dem Aus- tausch unberührt. So können sogar während die zweite Sensoreinheit abge- koppelt ist, weiterhin berührungslose Messungen mit der möglichen ersten Sensoreinheit durchgeführt werden. Dadurch wird ein Problem, das den Lang- zeitbetrieb solcher Bioreaktoren betrifft, gelöst. Typischerweise ist die Lauf- zeit von beispielsweise enzymatischen Sensoren auf wenige Wochen be- grenzt. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung wird eine Messung über einen längeren Zeitraum ermöglicht, da der Sensor, dessen Lebenszeit abgelaufen ist, während des Betriebs abgekoppelt werden kann und dann ein neuer Sensor wieder angekoppelt werden kann.
In einer Ausführungsform ist ein System im Sinne der Anmeldung so ausgebil- det, dass die Vorrichtung zur Probenahme in den Bioreaktor integriert ist. Bei- spielsweise kann die Vorrichtung zur Probenahme in eine Außenplatte wie zum Beispiel eine Frontplatte oder Seiten platte des Bioreaktors eingebaut sein. Eine solche Anordnung ist besonders platzsparend und erlaubt ein einfa- ches Bereitstellen des Probenahmesystems. In einer Ausführung bleibt dem Benutzer ein kompliziertes Montieren, Zusammenstecken von Schläuchen und Überprüfen der Verbindungen erspart. Er muss lediglich beispielsweise die mit dem Probenahmesystem ausgestattete Außenplatte an dem Bioreaktor mon- tieren.
Eine solche kompakte Anordnung bzw. Integration erlaubt eine schnelle Ana lyse, wobei außerdem für eine Sensormessung mittels eines Sensors der ers- ten und/oder der zweiten Sensoreinheit jeweils nur ein geringes Medienvo- lumen aus dem Bioreaktor entnommen werden muss.
Die Verwendung eines anmeldungsgemäßen Systems umfasst beispielsweise mindestens einen Schritt zur Probenahme, bei dem das erste und das zweite Absperrventil geöffnet sind und die Probe mittels der Pumpe aus dem Biore aktor gesaugt wird. Weiterhin kann sie mindestens einen Schritt zum Durch- pusten der Entnahmeleitung umfassen, wobei mittels der Überdruckquelle ein Überdruck an der Stichleitung angelegt wird, bei gleichzeitigem Betrieb der
Pumpe und geöffnetem ersten Absperrventil und geschlossenem zweiten Ab- sperrventil. Weiterhin kann sie mindestens einen Schritt zum Durchpusten der Steigleitung durch Anlegen eines Überdrucks mittels der Überdruckquelle bei geöffnetem zweiten Absperrventil und geschlossenem ersten Absperrventil umfassen.
Die Dauer der einzelnen Schritte kann dabei vorab einprogrammiert werden. Je nach Dauer wird dabei eine bestimmte Wirkung erzielt. Beispielsweise wird bei einem länger Andauernden Schritt zur Probenahme eine größere Proben- menge entnommen. Die Schritte zum Durchpusten können beispielsweise so lang sein, dass in der Durchpustzeit, entsprechend der Größe des durch die Überdruckquelle bereitgestellten Überdrucks, etwas so viel Luft in das durchzupustende Rohr eingeleitet wird wie in dem durchzupustenden Rohr Platz hat, um einerseits dafür zu sorgen dass das Rohr komplett freigepustet wird, aber kein unnötig hoher Druck aufgebaut wird und/oder nicht übermäßig viel
Prozessgas oder sonstiges zum Durchpusten verwendetes Gas in beispielswei- se den Bioreaktor oder das Probengefäß eingeleitet wird.
Durch ein derartiges Verfahren werden in der Steigleitung verbliebene Orga- nismen zurück in den Bioreaktor gedrängt und in der Entnahmeleitung ver- bliebene Organismen der Probe wieder zugeführt. Somit kann ein Totvolumen in allen Leitungen praktisch auf null reduziert werden, da kein Medium mit Zellen verloren geht, sondern das gesamte Material entweder der Probe oder wieder dem Bioreaktor zugeführt werden kann. Ein Mindestprobevolumen kann damit auf wenige Milliliter reduziert werden, zum Beispiel auf 5 Milliliter.
Die genannten Schritte können bei einer einzigen Probenahme einmalig oder mehrfach ausgeführt werden. Vorzugsweise wird das Steigrohr vor und nach der Probenahme freigepustet. Vorzugsweise werden weitere Schritte zum
Anfahren der Pumpe und/oder zum Druckaufbau bzw. Druckabbau ausge- führt.
Die Schritte können von Hand oder programmiert und vollautomatisch ausge- führt werden. Die Ausführung der Schritte kann beispielsweise zeitgesteuert oder ereignisgesteuert, zum Beispiel auf Basis eines von einem Sensor gemes senen Wertes, automatisch ausgelöst werden. Bei einer zeitgesteuerten Ab folge kann die Auswahl auf einen Startzeitpunkt, ein Intervall zwischen den Probennahmen und eine Anzahl Probennahmen beschränkt werden.
Soll die Probenahme ereignisgesteuert durch einen von einem in der Steiglei tung angeordneten Sensor gemessenen Wert ausgelöst werden, so kann bei spielsweise folgendes Verfahren angewendet werden: Zu einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise einem vorab einprogrammierten Zeitpunkt oder ausgelöst durch eine Eingabe vom Benutzer, wird, bei geöffneten Absperrven tilen, mittels der Pumpe ein Unterdrück erzeugt. Dieser Unterdrück ist jedoch nur so stark, dass Organismen in die Steigleitung gesaugt werden und bis auf Höhe des Sensors gelangen aber vorzugsweise nicht bis zu der T-artigen Ver- bindung oder in die Entnahmeleitung. Der Sensor führt dann eine Messung durch. Basierend auf dem Ergebnis der Messung, welches beispielsweise oberhalb oder unterhalb eines festgelegten Grenzwertes liegen kann, wird eine Probenahme dann entweder durchgeführt oder nicht. Falls der Messwert so ist, dass eine Probenahme gewünscht ist wird weiter Unterdrück in der Pumpe erzeugt und Organismen werden durch die Entnahmeleitung in ein Probengefäß geleitet und nachfolgend die Leitungen wie oben beschrieben durchgepustet. Ist der Messwert so, dass zu dem Zeitpunkt keine Probenahme durchgeführt werden soll, beispielsweise weil der Prozess in dem Bioreaktor noch nicht weit genug fortgeschritten ist, so kann das erste Absperrventil automatisch wieder verschlossen werden und bei geöffnetem zweitem Absperrventil ein Überdruck mittels der Überdruckquelle bereitgestellt werden und die in der Steigleitung befindlichen Organismen wieder in den Bioreaktor zurückgeführt werden. Nach einem festgelegten Zeitintervall kann dann eine neuerliche Messung mittels des Sensors in der Steigleitung, wie eben beschrieben, durchgeführt werden und erneut darüber entschieden werden ob die Probe entnommen werden soll oder nicht. Gemäß der Anmeldung können unterschiedliche Verfahren zur Probennahme, ereignisgesteuert und zeitge- steuert, miteinander kombiniert werden. Weitere Schritte, die im Rahmen eines anmeldungsgemäßen Verfahrens durchgeführt werden können, sind beispielsweise Schritte zur Vorbereitung einer Messung, wie etwa Spülschritte, in denen eine Pufferlösung in das Schlauchsystem gepumpt wird, Schritte zur Verdünnung oder Druckfiltration oder zur anderweitigen Vorbehandlung der Probe. Zur Vorbehandlung der Probe kann ferner eine Mischkammer in das Leitungssystem integriert wer- den, vorzugsweise nach dem ersten Absperrventil.
Die Kontrolleinheit kann beispielsweise Teil einer Bioreaktorsteuerung sein oder in diese integriert sein. So können die Ventile, die Pumpe und die Über- druckquelle beispielsweise mit der Bioreaktorsteuerung verbunden und über die Bioreaktorsteuerung steuerbar sein, beispielsweise über die Steuerung eines xCUBIO-Reaktors.
Im Folgenden wird die Vorrichtung zur Probenahme anhand einiger Ausfüh- rungsbeispiele genauer erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Bioreaktorsystem, einen Bioreaktor und eine Vorrichtung zur Probenahme umfassend, mit einer ersten Sensoranordnung;
Figur 2 das Bioreaktorsystem mit einer zweiten Sensoranordnung;
Figur 3 das Bioreaktorsystem mit einer dritten Sensoranordnung;
Figur 4 das Bioreaktorsystem aus Figur 3 mit einer Spülleitung;
Figur 5 das Bioreaktorsystem mit der ersten Sensoranordnung und einer Sterilkupplung;
Figur 6 das Bioreaktorsystem mit der zweiten Sensoranordnung und der Sterilkupplung; Figur 7 das Bioreaktorsystem mit der dritten Sensoranordnung und der Sterilkupplung;
Figur 8 das Bioreaktorsystem aus Figur 6 mit einer alternativen Anord- nung der Sterilkupplung;
Figur 9 das Bioreaktorsystem aus Figur 6, zusätzlich eine Mischkammer umfassend;
Figur 10 eine tabellarische Auflistung einer Schrittfolge zur Verwendung des Bioreaktorsystems.
In Figur 1 ist ein Bioreaktorsystem gezeigt, wobei ein Bioreaktor 11, der bei spielsweise als autoklavierbares oder als mit Dampf sterilisierbares Gefäß ausgebildet ist, mit einer Steigleitung 1 einer Vorrichtung zur Probenahme verbunden ist. Die Steigleitung 1 ist auf der dem Bioreaktor 11 abgewandten Seite mit einer Stichleitung 2 und einer Entnahmeleitung 3 T-artig verbunden, beispielsweise mittels eines T-Stücks. Die Entnahmeleitung weist eine Pumpe 7, beispielsweise eine Rollenpumpe oder Peristaltikpumpe, auf mit welcher ein Unterdrück in der Entnahmeleitung 3 erzeugt werden kann. Ferner weist die Entnahmeleitung 3 ein erstes Absperrventil 4 auf. Die Steigleitung 1 weist ein zweites Absperrventil 8 auf mit welchem die Steigleitung 1 verschlossen werden kann. Auf der dem Bioreaktor 11 zugewandten Seite des zweiten Ab- sperrventils 8 befindet sich eine erste Sensoreinheit 10, die mit einem oder mehreren Sensoren ausgestattet ist. In dieser Ausführung ist die erste Sensor- einheit vorzugsweise mit berührungslosen Sensoren, z.B. mit optischen Sen- soren, ausgestattet. Die anmeldungsgemäße Vorrichtung ist nicht dahinge- hend eingeschränkt, dass ein oder mehrere Sensoren in einer einzigen ersten Sensoreinheit 10 bereitgestellt werden müssen. Es können auch mehrere Sen- soren auf mehrere Sensoreinheiten verteilt werden. Die Stichleitung 2 weist an der der T-artigen Verbindung abgewandten Seite eine Überdruckquelle 5 zur Erzeugung eines Überdrucks in der Stichleitung 2 auf. Eine solche Über- d ruckquelle 5 kann als einfache Spritze oder andere Gasquelle ausgebildet sein, wie zum Beispiel ein unter Druck stehender Gasbehälter oder ein Behäl- ter mit einem beweglichen Bolzen, der durch vorzugsweise automatisch steu- erbares Senken des Bolzens, ähnlich wie eine Spritze, unter Druck gesetzt werden kann. Dabei kann das zur Überdruckerzeugung verwendete Gas bei- spielsweise ein Prozessgas, Stickstoff oder Luft. Es kann beispielsweise einer sterilen Gasquelle entstammen. Das aus der Überdruckquelle 5 stammende Gas kann durch einen zusätzlichen möglichen Sterilfilter 6, der in der Stichlei tung angeordnet ist, gefiltert werden, bevor es mit den in dem Bioreaktor 11 oder in den übrigen Leitungen 1, 2 befindlichen Organismen in Kontakt tritt. Zum Schutz des Sterilfilters 6 ist ein Rückschlagventil 9 vorgesehen, das auf der der T-artigen Verbindung zugewandten Seite des Sterilfilters 6 in der Stichleitung 2 angeordnet ist. Dieses Rückschlagventil dient als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, allerdings kann auch darauf verzichtet werden, da in der Stichleitung vorzugsweise kein Unterdrück entsteht, der dazu führt dass Organismen in die Stichleitung gelangen, sondern in der Stichleitung 2 vor zugsweise Überdruck zum Durchpusten erzeugt wird, während Unterdrück vorzugsweise nur in der Entnahmeleitung 3 erzeugt wird. Die
Entnahmeleitung 3 weist eine Pumpe 7 zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Entnahmeleitung 3, insbesondere gegenüber der Steigleitung 1 und ge- genüber dem Bioreaktor 11, auf. Weiterhin weist die Entnahmeleitung 3 ein erstes Absperrventil 4 auf. Optional kann die Entnahmeleitung 3 weiterhin ein nicht gezeigtes Rückschlagventil aufweisen, das einen Fluidfluss nur von der T- artigen Verbindung in Richtung der Pumpe 7 ermöglicht, nicht aber in die Ge- genrichtung.
Vorzugsweise ist eine Sterilisation der Leitungen zusammen mit dem Bioreak- tor 11 möglich. Beispielsweise kann der Bioreaktor 11 zusammen mit den als Schläuche ausgebildeten Leitungen 1, 2, 3 autoklaviert werden, wobei Schlau- chenden vorzugsweise geschlossen gehalten werden, um eine Kontamination nach der Sterilisation zu verhindern. Auch die Sterilkupplung 6 trägt dazu bei, die Kontamination zu verhindern. Nach der Sterilisation können die Absperr- ventile 4, 8 montiert werden. Auch die erste Sensoreinheit 10 kann vorzugs- weise außen an der als Schlauch ausgebildeten Steigleitung 1 angebracht werden und beispielsweise eine optische Dichte durch den Schlauch messen.
Nach der Sterilisation kann die Vorrichtung wie oben beschrieben aufgebaut und eine Reaktion in dem Bioreaktor gestartet werden.
Mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung sind dann während der Reaktion verschiedene Verfahren zur Probenahme durchführbar, bei denen die einzel- nen Elemente der Vorrichtung, wie beispielsweise die Absperrventile 4, 8, die Pumpe 7 und die Überdruckquelle 5 nach einem bestimmten Schema aktiviert beziehungsweise geöffnet und/oder geschlossen werden.
Über eine Kontrolleinheit 13 können die Pumpe 7, die Überdruckquelle 5, so- wie das erste und das zweite Absperrventil 4, 8 angesteuert werden. Die Kommunikationsverbindung der einzelnen Bauteile mit der Kontrolleinheit 13 ist in der Figur durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Kontrolleinheit 13 kann beispielsweise so programmiert werden, dass der Entnahmevorgang in festgelegten Zeitabständen durchgeführt wird. Hierzu kann vom Nutzer bei spielsweise ein Startzeitpunkt, ein Intervall zwischen den Probennahmen und eine Anzahl Probennahmen vorgegeben werden. Die Kontrolleinheit 13 kann aber auch in Kommunikation mit dem Sensor 10 stehen, so dass eine Proben- ahme mittels einer vorprogrammierten Schrittabfolge, die unten detailliert erläutert wird, dann ausgelöst wird, wenn ein von dem Sensor der ersten Sen- soreinheit 10 gemessener Messwert ein festgelegtes Kriterium erfüllt. Es ist auch möglich, dass eine zu einem festgelegten Zeitpunkt vorgesehene Pro- benahme nur dann ausgeführt wird, wenn der gemessene Messwert ein sol- ches Kriterium erfüllt. So kann beispielsweise eine Probenahme zu einem festgelegten Zeitpunkt gestartet werden, wobei Probenmaterial aus dem Bio- reaktor 11 in die Steigleitung zumindest bis zu der ersten Sensoreinheit 10 gepumpt wird. Basierend auf den von dem Sensor der ersten Sensoreinheit 10 erfassten Messwerten wird die Probe entweder weiter gepumpt und ent- nommen oder wieder zurück in den Bioreaktor gepumpt.
Dadurch wird es insbesondere ermöglicht, mehrere Probenahmen oder Mes- sungen über einen längeren Zeitraum verteilt auszuführen und die Notwendigkeit menschlicher Interaktion so gering wie möglich zu halten.
Im Folgenden werden mögliche Schritte zur Probenahme beziehungsweise Erhebung von Messwerten erläutert, die für die Verwendung der gezeigten Probenahme vorteilhaft sind.
Die Ausführung aller Schritte wird dabei über die Kontrolleinheit 13 gesteuert, die Signale von den einzelnen Komponenten empfängt bzw. an die einzelnen Komponenten sendet.
Bei einer Probenahme kann vorbereitend mittels der Überdruckquelle, in Ver- bindung mit dem Sterilfilter 6, sterile Druckluft in die Stichleitung 2 eingeleitet werden, wobei das erste Absperrventil vorzugsweise geschlossen gehalten wird, während das zweite Absperrventil geöffnet wird. Dadurch wird in der mit der Stichleitung 2 verbundenen Steigleitung 1 verbliebenes Probenmate- rial in den Bioreaktor zurückgedrängt. Das zweite Absperrventil kann darauf hin geschlossen werden.
Anschließend wird die Pumpe 7 angefahren, wobei das erste Absperrventil 4 vorzugsweise vorerst geschlossen gehalten wird. Dann wird das erste Ab sperrventil 4 geöffnet und das zweite Absperrventil 8 geschlossen gehalten um einen Unterdrück in der Entnahmeleitung 3 zu erzeugen, bzw. einen Überdruck in dem Bioreaktor 11 und zumindest einem Teil der Steigleitung 1 im Vergleich zur Entnahmeleitung 3 herzustellen. In einem späteren Schritt wird dann auch das zweite Absperrventil 8 geöffnet und somit bei Weiterbe- trieb der Pumpe 7 eine festgelegte Menge der in dem Bioreaktor 11 befindlichen Organismen aus dem Bioreaktor 11 in die Steigleitung 1 gepumpt bzw. gesaugt. Diese Organismen passieren die in der Steigleitung 1 angeordnete erste Sensoreinheit 10 und werden mittels des einen Sensors oder mittels zumindest eines der mehreren Sensoren der ersten Sensoreinheit 10 vermes- sen und die Messwerte werden an die Kontrolleinheit 13 übermittelt.
Die Organismen können dann, beispielsweise abhängig von den so erfassten Messwerten, die beispielsweise in der Kontrolleinheit 13 mit benutzerdefi- nierten Schwellwerten abgeglichen werden, wieder in den Bioreaktor 11 zu- rückgedrängt werden, indem durch die Kontrolleinheit 13 das erste Absperr ventil 4 geschlossen wird und die Überdruckquelle 5 aktiviert wird. Nachdem die Probe in den Bioreaktor zurückgedrängt wurde, können beide Absperrven tile 4, 8 geschlossen werden. Die Schritte, die das Zurückdrängen der Probe nach der Messung betreffen sind in den anmeldungsgemäßen Vorrichtungen, bei denen ein oder mehrere Sensoren in der Steigleitung 1 angeordnet sind, vorgesehen. Wie nachfolgend, im Zusammenhang mit anderen Figuren, erläu- tert wird, sehen nicht alle Vorrichtungen Sensoren in der Steigleitung 1 vor, so dass die Schritte zum Zurückdrängen in Verfahren zur Verwendung von Vor- richtungen ohne Sensoren in der Steigleitung 1 typischerweise keine Anwen- dung finden.
Alternativ kann, abhängig von dem Ergebnis des Abgleichens der Messwerte mit den Schwellwerten die Probe entnommen werden, indem sie, nachdem sie die erste Sensoreinheit 10 passiert hat, durch Weiterbetrieb der Pumpe 7 bei geöffneten Absperrventilen 4, 8 in die Entnahmeleitung 3 und durch die Entnahmeleitung 3, beispielsweise in ein Probengefäß (nicht gezeigt) gepumpt wird.
Zum Spülen des Pumpweges wird anschließend das zweite Absperrventil 8 wieder geschlossen und durch die Überdruckquelle 5 ein Überdruck in der Stichleitung erzeugt. Bei gleichzeitigem Weiterbetrieb der Pumpe 7 sowie Of fenhalten des ersten Absperrventils 4 wird die Entnahmeleitung durchgepus tet. Daraufhin kann das erste Absperrventil 4 geschlossen werden und das zweite Absperrventil 8 geöffnet werden, während die Überdruckquelle 5 ein- geschaltet bleibt. Die Pumpe 7 kann dabei ausgeschaltet werden. So wird die Steigleitung 1 durchgepustet. Die Dauer dieses Durchpustschritts der Steigleitung 1 kann so gewählt werden, dass nur eine geringe Menge Gas in den Bio- reaktor eingebracht wird. Die Schritte zum Durchpusten der Entnahmeleitung 3 und der Steigleitung 1 können, um eine Kontamination zu vermeiden, nicht nur nach, sondern auch vor einer Probenahme durchgeführt werden.
Figur 2 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei anstatt der in Figur 1 gezeigten ersten Sensoreinheit 10 eine zweite Sensoreinheit 10' in der Entnahmeleitung 3 angeordnet ist. Die zweite Sensoreinheit 10' kann dabei berührungslose und/oder medienberührende Sensoren umfassen, sofern die medienberüh- renden Sensoren dazu geeignet sind, zusammen mit dem Bioreaktor sterili siert zu werden. In dieser Konfiguration werden die Schritte zur Probenahme ähnlich wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben ausgeführt, wobei es hier aber keine Möglichkeit gibt, die Probe, nach der Messung in den Reaktor zurück zu pumpen. Wie oben erwähnt werden also typischerweise keine Schritte zum Zurückdrängen der Probe ausgeführt. Stattdessen wird die Probe wie oben beschrieben entnommen, wobei beim Entnehmen Messwerte erhoben werden, die der entnommenen Probe zugeordnet werden können. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die zweite Sensoreinheit 10' durch die Absperrventile 4, 8 von dem Bioreaktor trennbar ist, so dass die Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10', durch Durchpusten der Entnahmeleitung 3 gereinigt werden können und ein ungewollter Kontakt der Sensoren mit den Organismen aus dem Bioreaktor zwischen den Messungen vermieden werden kann.
Figur 3 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Vorrichtung zur Probenahme als Kombination der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungen sowohl die erste Sensoreinheit 10 als auch die zweite Sensoreinheit 10' umfasst. Dadurch werden die oben beschriebenen Vorteile beider Vorrichtungen kombiniert.
Die Vorrichtung kann dementsprechend wie im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben betrieben werden. Es ergeben sich aber aus der Kombination der ersten Sensoreinheit 10 und der zweiten Sensoreinheit 10' noch zusätzliche Vorteile. So kann beispielsweise die zweite Sensoreinheit 10' dazu eingerich- tet sein, ein Signal an die Kontrolleinheit 13 zu senden, wenn die Probe wäh- rend des Probenahmevorgangs an der zweiten Sensoreinheit 10' ankommt oder diese passiert. Dann kann die Probenahme beispielsweise beendet wer- den sobald die Probe an der zweiten Sensoreinheit 10' ankommt, indem bei- spielsweise das zweite Absperrventil 8 durch die Kontrolleinheit geschlossen wird. Dadurch kann das Volumen der entnommenen Proben kontrolliert wer- den. Es kann beispielsweise gewährleistet werden, dass jede Probe das gleiche Volumen oder ungefähr das gleiche Volumen aufweist. Das Volumen der Probe entspricht in einem möglichen Verfahren, in dem das zweite Absperr- ventil geschlossen wird, sobald die Probe die zweite Sensoreinheit 10' erreicht, ungefähr einem Leitungsvolumen des zwischen dem T-Stück und der zweiten Sensoreinheit 10' liegenden Abschnitts der Entnahmeleitung 3. In manchen Fällen ist eine derartige Volumenkontrolle einer Zeitsteuerung vor- zuziehen, insbesondere wenn die Viskosität der Probe oder die Druckverhältnisse in dem Bioreaktorsystem nicht konstant sind und sich beispielsweise während der Reaktion oder während der Entnahme ändern. Eine Kombination der beschriebenen Volumenkontrolle mit einer Zeitsteuerung ist ebenfalls möglich.
Figur 4 zeigt das Bioreaktorsystem aus Figur 3, wobei in der Entnahmeleitung 3, zwischen dem ersten Absperrventil 4 und der zweiten Sensoreinheit 10' eine Spülleitung 14 vorgesehen ist. Über die Spülleitung 14 können beispiels- weise steriles Gas und/oder Flüssigkeiten in die Entnahmeleitung 3 einge- strömt werden. Das kann beispielsweise zur Reinigung der Entnahmeleitung 3 selbst dienen, in welchem Fall die zweite Sensoreinheit 10' nicht in der Probenahmevorrichtung enthalten sein muss. Es kann aber auch zur Reini- gung der Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10 dienen oder für die Verwen- dung der Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10' erforderlich sein, wenn bei- spielsweise Puffer, die eingesetzt werden um enzymatische Sensoren zu scho- nen, bzw. deren Lebensdauer zu verlängern, über die Spülleitung 14 in die Entnahmeleitung gespeist werden. Weiterhin können Lösungen zur Kalibrierung der Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10' eingeströmt werden. Zum Einströmen solcher Lösungen werden diese beispielsweise zwischen zwei Entnahmevorgängen über die Spülleitung 14 zugeführt und anschließend wird, bei geöffnetem erstem Absperrventil 4 und geschlossenem zweiten Ab- sperrventil 8, die Entnahmeleitung mit Hilfe der Überdruckquelle 5 mit steri- lem Gas durchgeblasen, um bei der nachfolgenden Messung möglichst keine Rückstände der eingeströmten Lösung zu haben, die eine Messung negativ beeinflussen könnten. Die hier beschriebenen Verfahrensschritte, die die Spülleitung betreffen können auch bei modifizierten Vorrichtungen durchge- führt werden, beispielsweise ist hierfür auch keine erste Sensoreinheit 10 erforderlich.
Figur 5 zeigt das Bioreaktorsystem wie in Figur 1, wobei zusätzlich eine optio- nale Spülleitung 14 an der Entnahmeleitung angeordnet ist und zwischen der ersten Sensoreinheit 10 und dem Bioreaktor 11 eine Steriikupplung vorgese- hen ist. Die Sterilkupplung umfasst zwei Kupplungsstutzen 12.1, 12.2, die miteinander verbunden werden können, um eine nach außen dichte Fluidverbin dung zwischen zwei Schlauch- oder Leitungsenden, an denen die Kuppiungs- stutzen angeordnet sind, herzustellen. Ein erster Kupplungsstutzen 12.1 ist dabei in der Steigleitung 1 auf der Seite der ersten Sensoreinheit 10 angeord net und ein zweiter Kupplungsstutzen 12.2 in der Steigleitung auf der Seite des Bioreaktors 11, so dass der Bioreaktor 11 zusammen mit einem Teil der Steigleitung 1 und dem zweiten Kuppiungsstutzen 12.2 von den übrigen Kom ponenten der Probenahmevorrichtung abgetrennt werden kann. Die gezeigte Ausführung mit der Sterilkupplung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Sensor oder einer der Sensoren der ersten Sensoreinheit 10' als medienberührender Sensor ausgebildet ist. Medienberührende Sensoren sind häufig nicht dampfsterilisierbar und können demnach nicht mit dem Bioreaktor zu- sammen sterilisiert werden. Die in der Figur gezeigte Anordnung der
Sterilkupplung erlaubt eine getrennte Sterilisation des den oder die medien- berührenden Sensoren umfassenden Abschnitts der Vorrichtung, beispiels- weise durch Gammasterilisation, Plasmasterilisation oder mittels Ethylenoxid. Um die beiden Abschnitte der Vorrichtung bzw. des Bioreaktorsystems ent- sprechend getrennt sterilisieren zu können, sind die jeweils mit den Abschnit- ten verbundenen Kupplungsstutzen entsprechend sterilisierbar ausgebildet. Beispielsweise kann der auf der Seite der ersten Sensoreinheit 10 liegende erste Kupplungsstutzen 12.1 gammasterilisierbar und aus Plastik oder Stahl ausgebildet sein und der auf der Seite des Bioreaktors 11 liegende zweite Kupplungsstutzen 12.2 dampfsterilisierbar und aus Plastik oder Metall ausge bildet sein.
Figur 6 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Sterilkupplung an der gleichen Stelle wie im Beispiel von Figur 5 angeordnet ist, aber, wie auch in Figur 2 gezeigt, anstatt der ersten Sensoreinheit 10 nur die zweite Sensoreinheit 10' vorgesehen ist. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die zweite Sensoreinheit medienberührende Sensoren umfasst. Einerseits ermöglicht die Spülleitung 14 wie oben beschrieben die Reinigung und/oder Kalibrierung der Sensoren, andererseits wird durch die Sterilkupplung eine getrennte Sterilisa- tion der medienberührenden Sensoren ermöglicht. Die Verwendung eines solchen Systems erfolgt ansonsten wie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben.
Wie erwähnt, erlaubt die Sterilkupplung die von dem Bioreaktor 11 getrennte Sterilisation der medienberührenden Sensoren der zweiten Sensoreinheit 10'. Der Sterilfilter 6 und das Rückschlagventil 9 können dann beispielsweise zu- sammen mit der zweiten Sensoreinheit 10' gammasterilisiert werden und danach mit dem autoklavierten Bioreaktor 11 verbunden werden. Die Absperr ventile 4, 8 können beispielsweise als Schlauchquetschventile ausgestaltet sein und nach der Sterilisation installiert werden.
Figur 7 stellt eine Kombination der Ausführungen aus den Figuren 5 und 6 dar. Die Sterilkupplung ist weiterhin als erstes Bauteil nach dem Bioreaktor 11 in der Steigleitung 1 angeordnet. Außerdem umfasst die Vorrichtung sowohl die erste Sensoreinheit 10 als auch die zweite Sensoreinheit 10' und eine Spüllei- tung. So können beide Sensoreinheiten 10, 10' getrennt von dem Bioreaktor sterilisiert werden, beispielsweise wenn beide Sensoreinheiten medienberüh- rende Sensoren aufweisen. Die Verwendung des gezeigten Systems erfolgt ansonsten wie im Zusammenhang mit Figur 3 beschrieben, wobei zusätzlich die oben beschriebenen Vorteile der Spülleitung ausgenutzt werden können.
Figur 8 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Sterilkupplung statt in der Steig leitung 1 in der Entnahmeleitung 3 angeordnet ist. Dabei ist die Sterilkupplung zwischen dem ersten Absperrventil 4 und der Spülleitung 14 positioniert. Der
Bioreaktor 11 kann dann beispielsweise zusammen mit dem Rückschlagventil 9 und dem Sterilfilter 6 sowie der Steigleitung 1, der Stichleitung 2, einem Teil der Entnahmeleitung 3 und dem ersten Kupplungsstutzen 12.1 dampfsterili- siert werden, wobei die Absperrventile 4, 8 wieder nach der Sterilisation in- stalliert werden können. Die zweite Sensoreinheit und die Spülleitung 14, so- wie der damit verbundene Abschnitt der Entnahmeleitung 3 und der zweite Kupplungsstutzen 12.2 können entweder getrennt sterilisiert werden oder unsteril sein. Eine derartige Anordnung kann in anderen Ausführungen auch noch eine ers- te Sensoreinheit 10 und/oder eine wie in den Figuren 5 bis 7 angeordnete Sterilkupplung aufweisen.
Figur 9 zeigt das Bioreaktorsystem, wobei die Sensoren und die Sterilkupplung wie in Figur 6 angeordnet sind, aber zwischen der zweiten Sensoreinheit und dem ersten Absperrventil 4 eine Mischkammer 16 in der Entnahmeleitung 3 vorgesehen ist. Eine Spülleitung 15 ist mit der Mischkammer 16 verbunden und außerdem weißt diese einen Mischkammerabfluss 17 mit einem Ventil auf.
In der Mischkammer 16 kann sich auch ein medienberührender Sensor befin den, wie zum Beispiel ein pH-Sensor.
Bei der Probenahme mittels eines Systems mit einer solchen Mischkammer 16 werden im Wesentlichen die gleichen Schritte ausgeführt wie bei den anderen beschriebenen Systemen. Die entnommene Probe gelangt dabei zuerst in die Mischkammer bevor sie die zweite Sensoreinheit 10' passiert und kann durch entsprechendes kurzzeitiges Abschalten der Pumpe 7 und/oder durch betäti- gen von Ventilen für einen bestimmten Zeitraum in der Mischkammer 16 belassen werden. Hierfür können in möglichen Ausführungen auch noch weitere Ventile vorgesehen sein. In der Mischkammer kann die Probe vorbehandelt werden, bevor sie weiter entlang der Entnahmeleitung gepumpt wird, um von der zweiten Sensoreinheit 10' vermessen und anschließend entnommen oder verworfen zu werden.
Über die Spülleitung 15 kann ein Medium zugegeben werden, um die Probe zu verdünnen. Es über die Spülleitung 15 aber auch zum Beispiel Chemikalien in die Mischkammer 16 gegeben werden, die eine Sensormessung ermögli- chen. Beispielsweise können Säuren oder Laugen zugegeben werden, die den pH-Wert der Probe so verschieben, dass eine Messung mit einem Sensor der zweiten Sensoreinheit 10' möglich ist.
Die Mischkammer kann beispielsweise nach Verwendung über den Misch- kammerabfluss 17 geleert werden und mit Hilfe der Spülleitung 15 gereinigt werden.
Figur 10 zeigt tabellarisch eine mögliche Schrittfolge zur Verwendung des an- meldungsgemäßen Bioreaktorsystems, die beispielsweise durch die Kontroll- einheit automatisch ausgelöst werden kann. Die Schritte S1 bis S10 werden dabei in der hier aufgeführten Reihenfolge ausgeführt. Eine Dauer eines jeden Schritts beträgt dabei in der Regel einige Sekunden. Der Status der Ventile 4, 8 bzw. der Pumpe 7 und der Überdruckquelle 5 während jedes Schritts wird dabei mit„0" bzw.„1" in den entsprechenden Spalten angegeben. Dabei steht „0" für„geschlossen" bzw.„aus" und„1" für„geöffnet" bzw.„an", ln einer Ausgangslage S1 sind die Ventile 4, 8 geschlossen und die Pumpe 7 und die Überdruckquelle 5 ausgeschaltet. Zu einem festgelegten Zeitpunkt, zum Bei- spiel zu einem vorab einprogrammierten Zeitpunkt oder ereignisgesteuert, ausgelöst durch ein Signal, welches aufgrund eines von einem Sensor 10, 10' gemessenen Wertes gegeben wird, wird der Schritt S2 eingeleitet. In S2 wird durch Einschalten der Überdruckquelle 5 Druck auf die Stichleitung 2 gegeben während alle anderen Komponenten in der„0"-Stellung verbleiben. In S3 wird dann zusätzlich zu der eingeschalteten Überdruckquelle 5 das zweite Absperr- ventil 8 geöffnet und die Steigleitung 1 freigepustet. Daraufhin wird in S4 die Überdruckquelle 5 ausgeschaltet, um den Druck in der Steigleitung 1 bei weiterhin geöffnetem zweitem Absperrventil 8 abzubauen. Im Schritt SS werden dann wieder alle Ventile 4, 8 geschlossen und die Überdruckquelle 5 in ausge- schaltetem Zustand belassen, während die Pumpe 7 angefahren wird. In S6 wird durch Öffnen des ersten Absperrventils 4 bei gleichzeitigem Pumpenbe- trieb ein Überdruck in der Steigleitung 1 gegenüber der Entnahmeleitung 3 erzeugt. Durch ein anschließendes zusätzliches Öffnen des zweiten Absperr ventils 8 wird in S7 der komplette Fluidpfad vom Bioreaktor 11 zur Pumpe 7 freigegeben, so dass Organismen entnommen werden können. Die Dauer die- ses Entnahmevorgangs S7 variiert je nachdem wie viel Volumen entnommen werden soll. Nach abgeschlossener Entnahme wird in S8 das zweite Absperr ventil 8 und somit die Steigleitung 1 wieder geschlossen, so dass die
Entnahmeleitung 3 durchgepustet und gesäubert werden kann. Hierzu wird zusätzlich die Überdruckquelle 5 eingeschaltet. Dieser Schrittwird so lange durchgeführt, dass sichergestellt ist, dass die gesamte Probe in das Probegefäß gelangt ist. Anschließend wird in S9 das Steigrohr 1 durchgepustet indem das erste Absperrventil 4 geschlossen und das zweite Absperrventil 8 wieder geöffnet wird, bei Weiterbetrieb der Überdruckquelle 5. Nach Ausführung der Schritte 8 und 9 sind nach dem Entnahmevorgang in der Steigleitung 1 ver bliebene Organismen wieder dem Reaktor 11 zugeführt worden und in der Entnahmeleitung verbliebene Organismen der entnommenen Probe zugeführt worden, so dass der Prozess kein oder ein vernachlässigbar kleines Totvolu men aufweist. Anschließend können in der Endlage S10=S1 alle Elemente in die„0"-Stellung zurückgebracht werden bis ein neuerliches Signal zur Proben- ahme gegeben wird.
Neben den hier genannten Schritten können, je nach Aufbau und angedachter Verwendung des Aufbaus, wie im Zusammenhang mit den anderen Figuren und in der Beschreibung erwähnt, weitere Schritte, beispielsweise zum Zurückdrängen der Probe bzw. zum Erheben von Messwerten mittels der ersten und/oder der zweiten Sensoreinheit sowie zum Spülen der zweiten Sensoreinheit ausgeführt werden, um nur einige Möglichkeiten zu nennen. Die auf geführten möglichen Schritte stellen also keine abschließende Auflistung der Verwendungsmöglichkeiten einer anmeldungsgemäßen Vorrichtung bzw. ei nes anmeldungsgemäßen Bioreaktorsystems dar, sondern bilden vielmehr eine Basis, von der ausgehend sich dem Fachmann zahlreiche weitere Anwen dungsmöglichkeiten, die beispielsweise weitere Schritte umfassen, eröffnen.
Bezugszeichenliste
1 Steigleitung
2 Stichleitung
3 Entnahmeleitung
4 Erstes Absperrventil
5 Überdruckquelle
6 Sterilfilter
7 Pumpe
8 Zweites Absperrventil
9 Rückschlagventil
10 Erste Sensoreinheit 10 Zweite Sensoreinheit 11 Bioreaktor
12.1 Erster Kupplungsstutzen 12.2 Zweiter Kupplungsstutzen
13 Kontrolleinheit
14 Spülleitung
14 Erste Spülleitung
15 Zweite Spülleitung
16 Mischkammer
17 Mischkammerabfluss

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Probenahme aus Bioreaktoren mit einer mit einem Bioreaktor verbindbaren Steigleitung (1), einer Stichleitung (2) und einer Entnahmeleitung (3), die mit einer T-artigen Verbindung verbunden sind, wobei
die Entnahmeleitung (3) ein erstes Absperrventil (4) aufweist; die Stichleitung (2) mit einer Überdruckquelle (5) verbunden ist; die Entnahmeleitung (3) mit einer Pumpe (7) verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) über eine Kontrolleinheit (13) automa- tisiert steuerbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stichleitung (2) zwischen der Überdruckquelle (5) und der T-artigen Verbin- dung einen Sterilfilter (6) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Steigleitung (1) ein zweites Absperrventil (8), das über die Kontrolleinheit (13) automatisiert steuerbar ist, aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Stichleitung (2) ein Rückschlagventil (9) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Steigleitung und/oder die Entnahmeleitung ei- ne Sensoreinheit (10, 10') aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Steigleitung (1) eine erste Sensoreinheit (10) auf weist, die dazu eingerichtet ist, Messwerte an die Kontrolleinheit (13) zu senden.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (10) einen berührungslosen Sensor aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Sensoreinheit (10) einen medienberührenden Sensor aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (3) eine zweite Sensoreinheit (10') aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinheit (10') einen berührungslosen Sensor aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Sensoreinheit (10') einen medienberührenden Sensor auf- weist.
12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Steigleitung (1) und/oder die Entnahmeleitung (3) eine Sterilkupplung (12) aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (3) eine Mischkammer auf weist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu eingerichtet ist, zu benutzerdefinierten Zeiten zumindest die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) steuern.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Kontrolleinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf den Messwerten der ersten Sensoreinheit (10) zumindest die Überdruckquelle (5), die Pumpe (7) und das erste Absperrventil (4) steuern.
16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Verfahrens- schritte ausgeführt werden:
- Bereitstellen der Vorrichtung an einem mit einer Probe gefüllten Bioreaktor und Verbinden der Steigleitung mit dem Bioreaktor (11);
- Betrieb der Pumpe (7) bei geöffnetem ersten Absperrventil (4) und geöffneten zweiten Absperrventil (8) zur Probenahme;
- Anlegen eines Überdrucks an der Stichleitung (2) mittels der Überdruckquelle (5) bei gleichzeitigem Betrieb der Pumpe (7) und geöffnetem ersten Absperrventil (4) und geschlossenem zweiten Absperrventil (8) zum Durchpusten der Entnahmeleitung (3);
- Anlegen eines Überdrucks mittels der Überdruckquelle (5) bei ge- öffnetem zweiten Absperrventil (8) und geschlossenem ersten Absperrventil (4) zum Durchpusten der Steigleitung (1).
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