WO2020144044A1 - Vorrichtung und verfahren zum ausgleich von kurzfristigen druck- oder volumenschwankungen eines mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen prozess - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ausgleich von kurzfristigen druck- oder volumenschwankungen eines mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen prozess Download PDF

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receiving space
medium
pressure
space
compensation
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PCT/EP2019/086443
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Christian Grimm
Jochen Scholz
Matthias Bode
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Sartorius Stedim Biotech Gmbh
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    • B01J3/046—Pressure-balanced vessels
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L55/00—Devices or appurtenances for use in, or in connection with, pipes or pipe systems
    • F16L55/04—Devices damping pulsations or vibrations in fluids

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for compensating for short-term pressure or volume fluctuations of a medium in a continuously carried out biopharmaceutical process.
  • a large number of processes are known from biopharmaceuticals, such as cell separation (e.g. through deep filtration), sterile filtration, chromatography, virus inactivation, virus filtration and crossflow filtration. All of these processes represent basic operations that are regularly interconnected to form different overall processes.
  • batch processes in which the respective intermediate product is collected in a container after each process step or basic operation
  • continuous processes in which the medium is made available continuously and “on demand”.
  • a continuous process is also to be understood here as a quasi-continuous process, in which buffering and / or switching between several alternative flow paths takes place in individual process steps, but a constant product flow is nevertheless generated.
  • buffer tanks are usually provided after certain sub-steps or after the individual basic operations, which can temporarily store a certain volume in order to compensate for fluctuations.
  • a major disadvantage of using such buffer tanks, however, is that an active element, in particular in the form of a pump, is required in order to maintain the volume flow and / or the pressure in the system, if necessary. This in turn requires a high degree of automation.
  • the object of the invention is to enable a short-term pressure or volume fluctuations to be compensated in a simple and effective manner in a continuously carried out biopharmaceutical process.
  • the device according to the invention for compensating for short-term pressure or volume fluctuations of a medium in a continuously guided biopharmaceutical process comprises a receiving space which is in flow communication with a process line through which the medium flows, for the short-term storage of an excess amount of the medium flowing into the receiving space.
  • the device according to the invention further comprises a compensation space which is separated from the receiving space by a deflectable, in particular flexible and elastically deflectable element, and a counterpressure means arranged in the compensation space for exerting a counterpressure on the deflectable element in the direction of the receiving space. All components of the device according to the invention that come into contact with media are designed as single-use components.
  • the invention is based on the knowledge that in a continuously operated biopharmaceutical process, the short-term pressure or Volume fluctuations caused by quality fluctuations can be avoided by not only providing receptacles for the medium, but at the same time taking measures to automatically return the medium collected after a pressure surge or an excess of volume to the process as soon as contrary conditions exist. Volume fluctuations can thus be compensated for with the device according to the invention, and the system pressure can be kept largely constant, so that the process conditions remain stable without the need for more complex solutions with additional pumps in the process lines. In the case of incompressible media in particular, process reliability increases, since a sudden, permanent pressure increase can also be absorbed and the pressure increase in the system progresses or is reduced more slowly. This also extends the time window for an emergency shutdown of the process.
  • the counterpressure means - viewed abstractly - an energy store which is charged by the medium flowing into the receiving space.
  • the energy store can e.g. be realized by an elastically deformable element, such as a foam or a spring element.
  • the stored energy is then used under appropriate conditions to eject the medium again from the recording room. In the simplest case, no external energy is required at all to compensate for the pressure or volume fluctuations.
  • a membrane is particularly suitable as a deflectable element.
  • the clamping of an elastically deflectable membrane has already proven itself in other technical areas, for example in valves for releasing or closing a valve seat.
  • the membrane serves to briefly increase the volume of the receiving space at the expense of the volume of the compensation space, in order to thereby build up a counterpressure in the compensation space.
  • the membrane is designed as a sterilized, disposable membrane.
  • a further development of the invention provides for the use of a semipermeable membrane or generally a semipermeable deflectable element.
  • a receptacle in particular a balloon, or an expandable hose section can also be used as the deflectable element.
  • the receiving body or hose section then essentially forms the entire receiving space and is accordingly designed as a disposable component.
  • the receiving space for the medium can be stored for a short time in a reusable container.
  • the receiving space in the container can be at least partially limited by a disposable insert, for example a suitable film, i.e. those areas of the receiving space that are not already formed by a disposable membrane or the like are delimited by the disposable insert.
  • a gas with excess pressure can be provided as the counterpressure medium in the compensation chamber, i.e. the compensation space is filled with a pressurized gas.
  • the compensation space is filled with a pressurized gas.
  • a solid body is particularly an elastic solid body which exerts an additional counter pressure due to its deformation.
  • the compensation space is closed with the counterpressure medium located therein, so that this cannot escape (in particular in the case of compressed gas).
  • a connection opening into the compensation space is provided for the supply or removal of fluid. Using this connection, the amount of fluid or its pressure in the compensation chamber can be changed if necessary.
  • a constant pressure source can be connected to the connection in order to ensure a uniform pressure in the compensation chamber, or a syringe with a syringe pump.
  • connection opening into the equalization chamber also makes it possible to use a controller to regulate the back pressure in the receiving space depending on the measured pressure or volume fluctuations. In this case, the back pressure is automatically adjusted to the respective conditions.
  • the receiving space and the compensation space can in particular be arranged in a disposable filter capsule housing or in a disposable filter cassette housing.
  • Such housings have the advantage that their sterilizability, pressure resistance and other parameters are precisely known.
  • at least one of the existing connections of the known housing design can be connected to the process line when used according to the invention and / or used for supplying or removing fluid into or from the compensation space.
  • the receiving space and the compensation space are arranged in a housing, preferably a cylinder, and separated by a piston which is displaceable in the housing and sealed against the housing.
  • the piston can be moved in one direction by the medium penetrating into the receiving space against resistance and in the other direction in order to eject the medium.
  • the piston can be subjected to a (mechanical, pneumatic or electromagnetic) force in the direction of the receiving space, in particular an adjustable or controllable force.
  • the device according to the invention does not necessarily have to be arranged on a branch of a process line.
  • a special embodiment of the invention provides a medium inlet into the receiving space and a medium outlet from the receiving space, the receiving space being surrounded by the compensation space, so that the device is arranged in the flow can be.
  • the medium therefore flows through the receiving space and can expand it radially outward if necessary, the counterpressure medium building up a radially inward counterpressure in the compensation space.
  • the receiving space between the inlet and the outlet can be formed in particular by an elastically stretchable disposable hose section which is surrounded by a rigid or flexible container, in particular a sheath, which is more stable than the hose section.
  • the stretchable hose section can expand when the pressure is too high and thus take up more volume in the short term.
  • the counter pressure medium arranged in the compensation space between the hose and the rigid container or the stable casing ensures that the hose section contracts again under opposite conditions, possibly to a smaller diameter than under normal conditions, in order to smooth out any pressure fluctuations.
  • the invention also provides a method for compensating for short-term pressure or volume fluctuations of a medium in a continuously carried out biopharmaceutical process, preferably using a device according to the invention, the method comprising the following steps:
  • the energy supply is regulated by means of a controller as a function of measured pressure or volume fluctuations. In this way, optimal compensation is possible without manual intervention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an inventive device for compensating for short-term pressure or volume fluctuations of a medium in a continuously performed biopharmaceutical process according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a first variant of the first embodiment
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a second variant of the first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic sectional view of a third variant of the first embodiment
  • FIG. 5 is a schematic sectional view of an equalization device according to the invention according to a second embodiment in a first variant
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of the second embodiment in a second variant
  • FIG. 7 is an exploded view of the second embodiment in a third variant
  • - Figure 8 is a schematic sectional view of an equalization device according to the invention according to a third embodiment
  • - Figure 9 is a schematic sectional view of an equalization device according to the invention according to a fourth embodiment
  • FIG. 10 is a schematic sectional view of a variant of the fourth embodiment.
  • the device 10 comprises a container 12 with a base part 14 and an attachment 16. Between the base part 14 and an edge 18 of the attachment 16, a film 20 covering the inner wall or inner walls of the base part 14 and a flexible membrane 22 arranged above are clamped, e.g. . B. with the help of quick releases.
  • the membrane 22 functionally divides the container 12 into a receiving space 24 (below the membrane 22) and an equalization space 26 (above the membrane 22).
  • the receiving space 24 is connected to a process line through which a medium flows during a continuous process.
  • a single connection 28 can be provided, through which medium can flow both into and out of the receiving space 24, or two separate connections are provided, which may be equipped with check valves, so that only one medium can enter the receiving space through the one connection 24 flow in and only medium can flow out of the receiving space 24 through the other connection.
  • the film 20 has corresponding openings at the connection 28 or at the connections, which are sealed against the base part 14.
  • the compensation chamber 26 closed according to FIG. 1 contains a counterpressure means 30 which exerts a counterpressure on the membrane 22 when it is deflected in the direction of the compensation chamber 26.
  • the compensation chamber 26 can be completely or almost completely filled with a fluid 32, in particular gas with excess pressure (pressure above atmospheric pressure).
  • an elastic solid 34 e.g. B. a foam can be arranged, as in the variant shown in Figure 4.
  • the compensation chamber 26 can also be a solid or a liquid with a contain certain minimum mass, the gravity of which presses on the membrane 22.
  • the other components of the device 10 that contact the medium are pre-sterilized disposable components made of plastic
  • the other components of the device 10, in particular the container 12 can be reusable components made of stainless steel or an easy-to-clean plastic.
  • the other components or a part thereof can also be designed as disposable components.
  • the counter pressure medium 30 can be understood as an energy store which is (further) charged by the medium flowing into the receiving space 24.
  • the back pressure medium 30 exerts a back pressure on the medium temporarily stored in the receiving space 24 via the membrane 22, the back pressure medium 30 and the membrane 22 being coordinated such that the temporarily stored medium is expelled again from the receiving space 24, ideally as soon as the desired pressure range or The target flow rate range in the process line is undershot.
  • the energy required to eject the medium from the receiving space 24 comes from the counterpressure medium 30 serving as an energy store, i.e. the energy store discharges again.
  • connection 36 is additionally provided on the container 12, which opens into the compensation chamber 26.
  • a fluid 32 (gas or liquid) can flow into or out of the compensation space 26 through this connection 36.
  • This makes it possible to set the back pressure on the membrane 22 as desired, for example via a Constant pressure source or a syringe with a syringe pump.
  • a suitable control system automatic regulation of the back pressure depending on the measured pressure or volume fluctuations in the system is also possible.
  • a semipermeable membrane can be selected as the membrane 22, which is arranged such that it is gas-permeable in the direction of the compensation chamber 26.
  • the device 10 can also be used for degassing the medium, since gas contained in the medium in the container escapes from the receiving space 24 through the membrane into the compensation space 26.
  • FIGS. 5, 6 and 7 show three variants of a second embodiment of the compensation device 10, in which the receiving space 24 and the compensation space 26 are each accommodated in a container 12 in the form of a sterilized, disposable plastic housing, the basic form of which is known per se.
  • the housing 38 of an essentially cylindrical disposable filter capsule (FIGS. 5 and 6) is used as the container 12, in the second case the housing 40 of a disposable filter cassette (FIG. 7).
  • a flexible disposable membrane 22 is sealed, glued, welded or the like between a lower connection 28 and one or two upper connections 36 of the filter capsule housing 38, so that the filter capsule housing 38 in a receiving space 24, here below the membrane 22, and a compensation space 26, here above the membrane 22, is divided.
  • the lower connection 28 of the filter capsule housing 38 is used in this case as a connection for the medium supply and discharge, while the upper connection 36, or possibly one of the upper connections 36, for supply and possibly
  • Removal of a fluid 32 is used as counter pressure medium 30. Any further connections of the filter capsule housing 38 remain closed during operation.
  • a sterilized disposable receiving body 42 here in the form of a flexible balloon, is accommodated in the filter capsule housing 38, which serves as a container 12.
  • the only opening 44 of the receiving body 42 is coupled to the medium connection 28 and sealed in such a way that no medium in the remaining space of the Filter capsule housing 38 can penetrate.
  • the interior of the receptacle body 42 serves as a receptacle space 24 for temporarily storing an excess of medium, the remaining space of the filter capsule housing 38, which may have one or more further connections 36, serves as a compensation space 26, as previously described.
  • the basic options for the selection of the counter pressure means 30 and the basic mode of operation of the device 10, including the options for the setting of the counter pressure in the compensation space 26, correspond to those of the first embodiment in all variants of the second embodiment.
  • FIG. 7 shows a third variant of the second embodiment of the compensation device 10.
  • the housing 40 of a cuboid filter cartridge with a receiving body 42 contained therein is provided as the container 12.
  • the receiving body 42 is connected to the process line and adjusts its dimensions according to its content (like the balloon in the second variant of the second embodiment).
  • the closed compensation space 26 surrounding the receiving body 42 contains a counter pressure means 30 which exerts a counter pressure on the receiving body 42 when it expands in the direction of the compensation space 26.
  • the compensation chamber 26 can be completely or almost completely filled with a fluid 32, in particular gas with excess pressure (pressure above atmospheric pressure).
  • an elastic solid 34 e.g. B. a foam. Techniques for adjusting or controlling the back pressure can also be used.
  • a special feature of all variants of the second embodiment is the high process reliability. Even in the event of leakage of the membrane 22 or the receiving body 42, the medium remains sterile through the sterilized disposable housing 38, 40 of the filter capsule or the filter cassette and the process remains closed, i. H. no medium escapes from the process in an uncontrolled manner.
  • FIG. 8 shows a third embodiment of the compensation device 10.
  • a cylinder 46 with a piston 48 displaceable therein is provided as the counterpressure means 30 as the container 12.
  • the piston 48 here in Interaction with several sealing elements 50, separates the cylinder space into a receiving space 24 and a compensation space 26 as in the previously described embodiments.
  • the piston 48 can be moved in the direction of the receiving space 24 and back.
  • the displacement of the piston 48 can either be controlled solely by the medium penetrating into the receiving space 24 and the counteracting weight of the piston 48, or the piston 48 is “preloaded” in the direction of the receiving space 24 or is actively driven.
  • a fluid can be pumped into the compensation space via a connection 36, an electromagnetic force or a spring force or another mechanical force can be exerted on the piston 48, or another of the previously described techniques for setting or regulating the back pressure can be used.
  • the fourth embodiment of the compensation device 10 shown in FIG. 9 is not arranged on a branch of a process line, but rather directly in the flow. This means that the medium, the pressure or volume fluctuations of which are to be compensated for, enters the device 10 through an inlet 52 on one side and exits again through an outlet 54 on another side.
  • the compensation device 10 can be integrated in a main or a secondary line.
  • the two ends of the device 10 can e.g. be designed as connection ends that match a common tri-clamp connector, as in the variant shown in FIG. 10.
  • the process line is designed as an elastically stretchable, sterilized, disposable hose section 56, e.g. made of rubber. This area is surrounded by a stable and sealed container 12, which does not necessarily have to be designed as a disposable container.
  • the hose section 56 can expand when there is an overpressure in the process line or in the event of an excess volume and thus functions as an additional receiving space 24 for the medium.
  • the area between the outer wall of the stretchable hose section 56 and the inner wall of the container 12 serves as a compensation space 26.
  • the container 12 can have an external connection 36. The provision and, if necessary, adjustment or regulation of the back pressure can in turn be achieved in a variety of ways, as described above.
  • a solid or flexible envelope for example made of a solid plastic such as PE, can also be arranged as a container 12 around the stretchable hose section 56 and fastened tightly thereto.
  • the sheath should be more stable or less stretchable than the hose section 56 in order to be able to provide sufficient counter pressure.
  • the cavity between the stretchable hose section 56 and the sheath then represents the compensation space 26. Pressure fluctuations can thus be smoothed out by widening or narrowing the hose section 56 and thus by changing the volume.
  • the membrane 22 or the respective deflectable element (receiving body 42, expandable hose section 56, etc.) which separates the receiving space 24 from the compensation space 26 can also be designed as a semi-permeable element in the direction of all other embodiments of the compensation chamber 26 is gas-permeable to enable degassing of the medium in the device 10.

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Abstract

Eine Vorrichtung (10) zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess umfasst einen mit einer Medium-durchströmten Prozessleitung in Strömungsverbindung stehenden Aufnahmeraum (24) zum kurzzeitigen Speichern einer in den Aufnahmeraum (24) hineinströmenden Überschussmenge des Mediums. Die Vorrichtung (10) umfasst ferner einen Ausgleichsraum (26), der vom Aufnahmeraum (24) durch ein auslenkbares, insbesondere flexibles und elastisch auslenkbares, Element (22; 42; 48; 56) getrennt ist und ein im Ausgleichsraum (26) angeordnetes Gegendruckmittel (30) zum Ausüben eines Gegendrucks auf das auslenkbare Element (22; 42; 48; 56) in Richtung des Aufnahmeraums (24). Alle medienberührenden Komponenten der Vorrichtung (10) sind als Einweg-Komponenten ausgelegt. Ein Verfahren zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess umfasst folgende Schritte: Bereitstellen eines mit einer Medium-durchströmten Prozessleitung in Strömungsverbindung stehenden Aufnahmeraums (24); Aufnehmen einer ein den Aufnahmeraum (24) strömenden Überschussmenge des Mediums im Falle eines Überdrucks oder eines Volumenüberschusses in der Prozessleitung; Aufladen eines Energiespeichers durch das in den Aufnahmeraum (24) strömende Medium, und Ausstoßen zumindest eines Teils der aufgenommenen Überschussmenge des Mediums aus dem Aufnahmeraum (24) im Falle eines Unterschreitens eines Solldruckbereichs oder eines Unterschreitens eines Solldurchflussmengenbereichs durch Umwandlung der im Energiespeicher gespeicherten Energie.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Ausgleich von kurzfristigen
Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem
kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess.
Aus der Biopharmazie ist eine Vielzahl von Prozessen wie etwa Zellabtrennung (z.B. durch Tiefenfiltration), Sterilfiltration, Chromatographie, Virusinaktivierung, Virusfiltration und Crossflow-Filtration bekannt. Alle diese Prozesse stellen Grundoperationen dar, die regelmäßig zu unterschiedlichen Gesamtprozessen verschaltet werden. Hierbei wird unterschieden zwischen Chargenprozessen (engl.: batch mode), bei denen nach jedem Prozessschritt bzw. jeder Grundoperation das jeweilige Zwischenprodukt in einem Behälter gesammelt wird, und kontinuierlichen Prozessen, bei denen das Medium kontinuierlich und „on demand“ zur Verfügung gestellt wird. Unter einem kontinuierlichen Prozess soll hier auch ein quasikontinuierlicher Prozess verstanden werden, bei dem ein Zwischenpuffern und/oder ein Umschalten zwischen mehreren alternativen Flusswegen in einzelnen Prozessschritten stattfindet, aber dennoch ein stetiger Produktstrom generiert wird.
Wird eine Produktion in einem kontinuierlichen Prozess durchgeführt, so sind zur Verschaltung einzelner Prozessschritte besondere Vorkehrungen zu treffen. Bei den einzelnen Schritten kann prinzipbedingt, z.B. bei der Filtration, der Volumenfluss oder der Druck im verbindenden Leitungssystem stark schwanken. Auch spezielle Ereignisse, z.B. das Umschalten von einer Filtrationseinheit auf eine andere im Falle einer Verblockung eines Filters führt zu kurzeitig stark schwankenden Prozessbedingungen. Da jedoch viele Prozessschritte auf eine stationäre Bedingungen ausgelegt sind, ist ein kurzes Anhalten und ein anschließendes Wiederaufnehmen („Anfahren“) des Prozesses mit schwankenden Prozessbedingungen und damit mit schwankender Ausgangsqualität verbunden.
Um diesem Verhalten entgegenzuwirken, sind nach bestimmten Teilschritten oder nach den einzelnen Grundoperationen in der Regel Puffertanks vorgesehen, die ein gewisses Volumen Zwischenspeichern können, um so Schwankungen auszugleichen. Ein wesentlicher Nachteil der Verwendung solcher Puffertanks ist jedoch, dass jeweils ein aktives Element, insbesondere in Form einer Pumpe, benötigt wird, um gegebenenfalls den Volumenstrom und/oder den Druck im System aufrechtzuerhalten. Dies wiederum erfordert ein hohes Maß an Automatisierung.
Aufgabe der Erfindung ist es, in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess auf einfache und effektive Weise einen Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ausgleich von kurzfristigen Druck oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess umfasst einen mit einer Medium-durchströmten Prozessleitung in Strömungsverbindung stehenden Aufnahmeraum zum kurzzeitigen Speichern einer in den Aufnahmeraum hineinströmenden Überschussmenge des Mediums. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner einen Ausgleichsraum, der vom Aufnahmeraum durch ein auslenkbares, insbesondere flexibles und elastisch auslenkbares, Element getrennt ist und ein im Ausgleichsraum angeordnetes Gegendruckmittel zum Ausüben eines Gegendrucks auf das auslenkbare Element in Richtung des Aufnahmeraums. Alle medienberührenden Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind als Einweg-Komponenten ausgelegt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess die durch kurzfristige Druck- oder Volumenschwankungen verursachten Qualitätseinbußen vermieden werden können, indem nicht nur Auffangbehälter für das Medium bereitgestellt werden, sondern gleichzeitig Maßnahmen getroffen werden, um das nach einem Druckstoß oder einem Volumenüberschuss aufgefangene Medium dem Prozess automatisch wieder zuzuführen, sobald gegenteilige Bedingungen vorliegen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich also bei Bedarf Volumenschwankungen ausgleichen, und der Systemdruck kann weitgehend konstant gehalten werden, sodass die Prozessbedingungen stabil bleiben, ohne dass hierfür aufwendigere Lösungen mit zusätzlichen Pumpen in den Prozessleitungen notwendig werden. Insbesondere bei inkompressiblen Medien erhöht sich die Prozesssicherheit, da auch eine plötzliche dauerhafte Druckerhöhung abgefangen werden kann und der Druckanstieg im System langsamer voranschreitet bzw. reduziert wird. Damit verlängert sich auch das Zeitfenster für eine Notabschaltung des Prozesses.
Gemäß einem besonderen Aspekt der Erfindung umfasst das Gegendruckmittel - abstrakt betrachtet - einen Energiespeicher, der durch das in den Aufnahmeraum hineinströmende Medium aufgeladen wird. Der Energiespeicher kann z.B. durch ein elastisch verformbares Element, wie etwa ein Schaumstoff oder ein Federelement, realisiert sein. Die gespeicherte Energie wird dann bei entsprechenden Bedingungen dazu genutzt, das Medium wieder aus dem Aufnahmeraum auszustoßen. Im einfachsten Fall wird dann überhaupt keine externe Energie benötigt, um die Druck- bzw. Volumenschwankungen auszugleichen.
Als auslenkbares Element eignet sich insbesondere eine Membran. Das Einspannen einer elastisch auslenkbaren Membran hat sich in anderen technischen Bereichen bereits bewährt, beispielsweise bei Ventilen zum Freigeben oder Schließen eines Ventilsitzes. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient die Membran dazu, das Volumen des Aufnahmeraums auf Kosten des Volumens des Ausgleichsraums kurzzeitig zu vergrößern, um dadurch einen Gegendruck im Ausgleichsraum aufzubauen. Als medienberührende Komponente ist die Membran als sterilisierte Einweg-Membran ausgelegt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht den Einsatz einer semipermeablen Membran oder allgemein eines semipermeablen auslenkbaren Elements vor. Dadurch lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung neben dem Ausgleich von Druck- oder Volumenschwankungen zusätzlich auch eine Entgasung des Mediums erreichen, was insbesondere bei Abfüllprozessen von Bedeutung ist.
Bei bestimmten Ausführungsformen kann als auslenkbares Element auch ein Aufnahmekörper, insbesondere ein Ballon, oder ein dehnbarer Schlauchabschnitt zum Einsatz kommen. Der Aufnahmekörper bzw. Schlauchabschnitt bildet dann im Wesentlichen den gesamten Aufnahmeraum und ist dementsprechend als Einweg-Komponente ausgelegt.
Es ist grundsätzlich möglich, den Aufnahmeraum für das kurzzeitig zu speichernde Medium in einem Mehrweg-Behälter vorzusehen. Um einen Kontakt des Mediums mit der Behälterwand zu vermeiden, was ein Reinigen bzw. Sterilisieren vor und nach dem Prozess erfordern würde, kann der Aufnahmeraum in dem Behälter wenigstens teilweise durch eine Einweg-Einlage, beispielsweise eine geeignete Folie, begrenzt sein, d.h. diejenigen Bereiche des Aufnahmeraums, die nicht bereits durch eine Einweg-Membran oder dergleichen gebildet sind, werden durch die Einweg-Einlage begrenzt.
Als Gegendruckmittel im Ausgleichsraum kann ein Gas mit Überdruck (über Atmosphärendruck) vorgesehen sein, d.h. der Ausgleichsraum ist mit einem unter Druck gesetzten Gas befüllt. Grundsätzlich ist es auch möglich, einfach eine Flüssigkeit oder einen Festkörper im Aufnahmeraum zu platzieren, die/der dann mit ihrer/seiner Gewichtskraft einen Gegendruck auf die Membran in Richtung Aufnahmeraum ausübt. Als Festkörper eignet sich, wie oben bereits angedeutet, insbesondere ein elastischer Festkörper, der durch seine Verformung einen zusätzlichen Gegendruck ausübt.
In einer einfachen Ausführungsform ist der Ausgleichsraum mit dem darin befindlichen Gegendruckmittel geschlossen, sodass dieses (insbesondere im Falle von Druckgas) nicht entweichen kann. In einer komplexeren Ausführungsform ist ein in den Ausgleichsraum mündender Anschluss für eine Zufuhr oder eine Entnahme von Fluid vorgesehen. Mithilfe dieses Anschlusses lässt sich die Fluidmenge bzw. dessen Druck im Ausgleichsraum bei Bedarf verändern. An den Anschluss kann beispielsweise eine Konstantdruckquelle angeschlossen sein, um einen gleichmäßigen Druck im Ausgleichsraum zu gewährleisten, oder eine Spritze mit einer Spritzenpumpe.
Der in den Ausgleichsraum mündende Anschluss schafft auch die Möglichkeit, mithilfe einer Steuerung den Gegendruck im Aufnahmeraum in Abhängigkeit von gemessenen Druck- bzw. Volumenschwankungen zu regeln. Der Gegendruck wird in diesem Fall automatisch an die jeweiligen Bedingungen angepasst.
Bei der Wahl eines Gehäuses oder Behälters für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf bewährte Einweg-Gehäusedesigns zurückgegriffen werden. Der Aufnahmeraum und der Ausgleichsraum können insbesondere in einem Einweg-Filtercapsulen-Gehäuse oder in einem Einweg-Filterkassetten-Gehäuse angeordnet sein. Solche Gehäuse haben den Vorteil, dass ihre Sterilisierbarkeit, Druckbeständigkeit und weitere Parameter genau bekannt sind. Außerdem lässt sich wenigstens einer der vorhandenen Anschlüsse des bekannten Gehäusedesigns bei erfindungsgemäßer Anwendung an die Prozessleitung anschließen und/oder für eine Zufuhr oder eine Entnahme von Fluid in bzw. aus dem Ausgleichsraum nutzen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Aufnahmeraum und der Ausgleichsraum in einem Gehäuse, vorzugsweise einem Zylinder, angeordnet und durch einen im Gehäuse verschiebbaren und gegen das Gehäuse abgedichteten Kolben getrennt. Der Kolben kann durch das in den Aufnahmeraum eindringende Medium gegen einen Widerstand in die eine Richtung und zum Ausstößen des Mediums in die andere Richtung verschoben werden.
Dazu kann der Kolben mit einer (mechanischen, pneumatischen oder elektromagnetischen) Kraft in Richtung des Aufnahmeraums beaufschlagt sein, insbesondere mit einer einstellbaren oder regelbaren Kraft.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung muss nicht zwingend an einer Abzweigung einer Prozessleitung angeordnet sein. Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht einen Mediumeinlass in den Aufnahmeraum und einen Mediumauslass aus dem Aufnahmeraum vor, wobei der Aufnahmeraum vom Ausgleichsraum umgeben ist, sodass die Vorrichtung im Durchfluss angeordnet werden kann. Das Medium durchströmt also den Aufnahmeraum und kann diesen bei Bedarf radial nach außen ausdehnen, wobei das Gegendruckmittel im Ausgleichsraum einen radial nach innen gerichteten Gegendruck aufbaut.
Bei dieser Ausführungsform kann der Aufnahmeraum zwischen dem Einlass und dem Auslass insbesondere durch einen elastisch dehnbaren Einweg- Schlauchabschnitt gebildet sein, der von einem starren oder flexiblen Behälter, insbesondere einer Hülle, umgeben ist, die stabiler als der Schlauchabschnitt ist.
Der dehnbare Schlauchabschnitt kann sich bei zu hohem Druck weiten und dadurch kurzfristig mehr Volumen aufnehmen. Das im Ausgleichsraum zwischen dem Schlauch und dem starren Behälter bzw. der stabilen Hülle angeordnete Gegendruckmittel sorgt dafür, dass sich der Schlauchabschnitt bei gegenteiligen Bedingungen wieder zusammenzieht, gegebenenfalls auf einen kleineren Durchmesser als unter Normalbedingungen, um jegliche Druckschwankungen zu glätten.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess, vorzugsweise unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines mit einer Medium-durchströmten Prozessleitung in Strömungsverbindung stehenden Aufnahmeraums;
- Aufnehmen einer ein den Aufnahmeraum strömenden Überschussmenge des Mediums im Falle eines Überdrucks oder eines Volumenüberschusses in der Prozessleitung;
- Aufladen eines Energiespeichers durch das in den Aufnahmeraum strömende Medium, und
- Ausstößen zumindest eines Teils der aufgenommenen Überschussmenge des Mediums aus dem Aufnahmeraum im Falle eines Unterschreitens eines Solldruckbereichs oder eines Unterschreitens eines Solldurchflussmengen bereichs durch Umwandlung der im Energiespeicher gespeicherten Energie. Wie zuvor erläutert kann dem Energiespeicher zusätzlich Energie von außen zugeführt werden, beispielsweise durch Anschließen des Aufnahmeraums an eine Druckquelle.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mittels einer Steuerung die Energiezufuhr in Abhängigkeit von gemessenen Druck- bzw. Volumenschwankungen geregelt. So ist fortwährend ein optimaler Ausgleich möglich, ohne dass manuell eingegriffen werden muss.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess nach einer ersten Ausführungsform;
- Figur 2 eine schematische Schnittansicht einer ersten Variante der ersten Ausführungsform;
- Figur 3 eine schematische Schnittansicht einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform;
- Figur 4 eine schematische Schnittansicht einer dritten Variante der ersten Ausführungsform;
- Figur 5 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aus gleichsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform in einer ersten Variante;
- Figur 6 eine schematische Schnittansicht der zweiten Ausführungsform in einer zweiten Variante;
- Figur 7 eine Explosionsansicht der zweiten Ausführungsform in einer dritten Variante;
- Figur 8 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aus gleichsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform; - Figur 9 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Aus gleichsvorrichtung nach einer vierten Ausführungsform; und
- Figur 10 eine schematische Schnittansicht einer Variante der vierten Aus- führungsform.
In den Figuren 1 bis 4 ist eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess in verschiedenen Varianten dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Behälter 12 mit einem Bodenteil 14 und einem Aufsatz 16. Zwischen dem Bodenteil 14 und einem Rand 18 des Aufsatzes 16 sind eine die Innenwand bzw. Innenwände des Bodenteils 14 bedeckende Folie 20 und eine darüber angeordnete flexible Membran 22 eingespannt, z. B. mit Hilfe von Schnellspannern. Die Membran 22 unterteilt den Behälter 12 funktional in einen Aufnahmeraum 24 (unter der Membran 22) und einen Ausgleichsraum 26 (über der Membran 22). Der Aufnahmeraum 24 ist an eine Prozessleitung angeschlossen, durch die ein Medium während eines kontinuierlichen Prozesses strömt. Es kann ein einzelner Anschluss 28 vorgesehen sein, durch den Medium in den Aufnahmeraum 24 sowohl hinein- als auch herausströmen kann, oder es sind zwei getrennte Anschlüsse vorgesehen, die ggf. mit Rückschlagventilen ausgestattet sind, sodass durch den einen Anschluss nur Medium in den Aufnahmeraum 24 hineinströmen und durch den anderen Anschluss nur Medium aus dem Aufnahmeraum 24 herausströmen kann.
Die Folie 20 hat an dem Anschluss 28 bzw. an den Anschlüssen entsprechende Öffnungen, die gegen das Bodenteil 14 abgedichtet sind.
Der gemäß der Figur 1 geschlossene Ausgleichsraum 26 enthält ein Gegendruckmittel 30, das einen Gegendruck auf die Membran 22 ausübt, wenn diese in Richtung des Ausgleichsraums 26 ausgelenkt wird. Prinzipiell kann dies auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Der Ausgleichsraum 26 kann vollständig oder nahezu vollständig mit einem Fluid 32, insbesondere Gas mit Überdruck (Druck über Atmosphärendruck) befüllt sein. Im Ausgleichsraum 26 kann alternativ oder zusätzlich ein elastischer Festkörper 34, z. B. ein Schaumstoff, angeordnet sein, wie bei der in Figur 4 gezeigten Variante. Der Ausgleichsraum 26 kann auch einen Festkörper oder eine Flüssigkeit mit einer bestimmten Mindestmasse enthalten, deren Schwerkraft auf die Membran 22 drückt.
Während diejenigen Komponenten der Vorrichtung 10, die das Medium berühren, wie etwa die Membran 22, vorsterilisierte Einwegkomponenten aus Kunststoff sind, können die anderen Komponenten der Vorrichtung 10, insbesondere der Behälter 12, wiederverwendbare Komponenten aus Edelstahl oder einem leicht zu reinigenden Kunststoff sein. Selbstverständlich können auch die anderen Komponenten oder ein Teil davon als Einweg-Komponenten ausgelegt sein.
Kommt es während der Durchführung des kontinuierlichen Prozesses zu einem Überdruck (Überschreiten eines Solldruckbereichs) oder einem Volumenüberschuss (Überschreiten eines Solldurchflussmengenbereichs) in der Prozessleitung, durch die das Medium strömt, wird eine entsprechende Überschussmenge des Mediums in den Aufnahmeraum 24 der Vorrichtung 10 hineingedrückt. Dadurch wird die Membran 22 gegen den Widerstand des im Ausgleichsraum 26 befindlichen Gegendruckmittels 30 ausgelenkt, in diesem Fall nach oben. Das Gegendruckmittel 30 kann als Energiespeicher verstanden werden, der durch das in den Aufnahmeraum 24 einströmende Medium (weiter) aufgeladen wird.
Das Gegendruckmittel 30 übt über die Membran 22 einen Gegendruck auf das im Aufnahmeraum 24 zwischengespeicherte Medium aus, wobei das Gegendruckmittel 30 und die Membran 22 so abgestimmt sind, dass das zwischengespeicherte Medium aus dem Aufnahmeraum 24 wieder ausgestoßen wird, idealerweise sobald der Solldruckbereich bzw. der Solldurchflussmengenbereich in der Prozessleitung unterschritten wird. Die Energie, die für das Ausstößen des Mediums aus dem Aufnahmeraum 24 benötigt wird, stammt von dem als Energiespeicher dienenden Gegendruckmittel 30, d.h. der Energiespeicher entlädt sich wieder.
Bei den in den Figuren 1 , 3 und 4 gezeigten Varianten ist am Behälter 12 zusätzlich ein Anschluss 36 vorgesehen, der in den Ausgleichsraum 26 mündet.
Durch diesen Anschluss 36 kann ein Fluid 32 (Gas oder Flüssigkeit) in den Ausgleichsraum 26 hinein- oder herausströmen. Dadurch ist es möglich, den Gegendruck auf die Membran 22 nach Wunsch einzustellen, z.B. über eine Konstantdruckquelle oder eine Spritze mit Spritzenpumpe. Mithilfe einer geeigneten Steuerung ist auch eine automatische Regelung des Gegendrucks in Abhängigkeit der gemessenen Druck- bzw. Volumenschwankungen im System möglich.
Als Membran 22 kann bei Bedarf eine semipermeable Membran gewählt werden, die so angeordnet ist, dass sie in Richtung des Ausgleichsraums 26 gasdurchlässig ist. In diesem Fall kann die Vorrichtung 10 zusätzlich zum Entgasen des Mediums genutzt werden, da im Medium enthaltenes Gas im Behälter vom Aufnahmeraum 24 durch die Membran in den Ausgleichsraum 26 entweicht.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen drei Varianten einer zweiten Ausführungsform der Ausgleichsvorrichtung 10, bei denen der Aufnahmeraum 24 und der Ausgleichsraum 26 jeweils in einem Behälter 12 in Form eines sterilisierten Einweg-Kunststoffgehäuses untergebracht ist, das in seiner Grundform an sich bekannt ist. Im ersten Fall wird das Gehäuse 38 einer im Wesentlichen zylinderförmigen Einweg-Filtercapsule (Figuren 5 und 6) als Behälter 12 verwendet, im zweiten Fall das Gehäuse 40 einer Einweg-Filterkassette (Figur 7).
Bei der in Figur 5 gezeigten ersten Variante der zweiten Ausführungsform ist zwischen einem unteren Anschluss 28 und einem oder zwei oberen Anschlüssen 36 des Filtercapsulen-Gehäuses 38 eine flexible Einweg-Membran 22 eingesiegelt, eingeklebt, eingeschweißt oder dergleichen, sodass das Filtercapsulen-Gehäuse 38 in einen Aufnahmeraum 24, hier unterhalb der Membran 22, und einen Ausgleichsraum 26, hier oberhalb der Membran 22, unterteilt ist. Der untere Anschluss 28 des Filtercapsulen-Gehäuses 38 wird in diesem Fall als Anschluss für die Mediumzu- und abfuhr genutzt, während der obere Anschluss 36, oder ggf. einer der oberen Anschlüsse 36, zur Zu- und ggf.
Abfuhr eines Fluids 32 als Gegendruckmittel 30 genutzt wird. Etwaige weitere Anschlüsse des Filtercapsulen-Gehäuses 38 bleiben im Betrieb geschlossen.
Anstelle der Membran 22 ist bei der in Figur 6 gezeigten Variante ein sterilisierter Einweg-Aufnahmekörper 42, hier in Form eines flexiblen Ballons , im Filtercapsulen-Gehäuse 38 untergebracht, das als Behälter 12 dient. Die einzige Öffnung 44 des Aufnahmekörpers 42 ist an den Mediumanschluss 28 gekoppelt und so abgedichtet, dass kein Medium in den verbleibenden Raum des Filtercapsulen-Gehäuses 38 eindringen kann. Das innere des Aufnahmekörpers 42 dient als Aufnahmeraum 24 zum Zwischenspeichern eines Mediumüberschusses, der verbleibenden Raum des Filtercapsulen-Gehäuses 38, der ggf. über einen oder mehrere weitere Anschlüsse 36 verfügt, dient als Ausgleichsraum 26, wie zuvor beschrieben.
Die grundsätzlichen Optionen für die Auswahl des Gegendruckmittels 30 und die grundlegende Funktionsweise der Vorrichtung 10, einschließlich der Optionen für die Einstellung des Gegendrucks im Ausgleichsraum 26, entsprechen bei allen Varianten der zweiten Ausführungsform denen der ersten Ausführungsform.
In Figur 7 ist eine dritte Variante der zweiten Ausführungsform der Ausgleichsvorrichtung 10 dargestellt. Hier ist als Behälter 12 das Gehäuse 40 einer quaderförmigen Filterkassette mit einem darin enthaltenen Aufnahmekörper 42 vorgesehen. Der Aufnahmekörper 42 ist an die Prozessleitung angeschlossen und passt seine Ausmaße entsprechend seinem Inhalt an (wie der Ballon bei der zweiten Variante der zweiten Ausführungsform). Der den Aufnahmekörper 42 umgebende, geschlossene Ausgleichsraum 26 enthält ein Gegendruckmittel 30, das einen Gegendruck auf den Aufnahmekörper 42 ausübt, wenn sich dieser in Richtung des Ausgleichsraums 26 ausdehnt. Grundsätzlich kann dies, wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen bzw. Varianten, auf unterschiedliche Weise erreicht werden. Der Ausgleichsraum 26 kann vollständig oder nahezu vollständig mit einem Fluid 32, insbesondere Gas mit Überdruck (Druck über Atmosphärendruck) befüllt sein. Im Ausgleichsraum 26 kann alternativ oder zusätzlich ein elastischer Festkörper 34, z. B. ein Schaumstoff, angeordnet sein. Es können auch Techniken zur Einstellung oder Regelung des Gegendrucks zum Einsatz kommen.
Eine Besonderheit aller Varianten der zweiten Ausführungsform ist die hohe Prozesssicherheit. Selbst bei Leckage der Membran 22 oder des Aufnahmekörpers 42 bleibt das Medium durch das sterilisierte Einweg-Gehäuse 38, 40 der Filtercapsule bzw. der Filterkassette steril und der Prozess bleibt geschlossen, d. h. es tritt kein Medium unkontrolliert aus dem Prozess aus.
In Figur 8 ist eine dritte Ausführungsform der Ausgleichsvorrichtung 10 dargestellt. Hier ist als Behälter 12 ein Zylinder 46 mit einem darin verschiebbaren Kolben 48 als Gegendruckmittel 30 vorgesehen. Der Kolben 48, hier im Zusammenspiel mit mehreren Dichtelementen 50, trennt den Zylinderraum in einen Aufnahmeraum 24 und einen Ausgleichsraum 26 wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Der Kolben 48 kann in Richtung des Aufnahmeraums 24 und zurück verschoben werden. Die Verschiebung des Kolbens 48 kann entweder alleine durch das in den Aufnahmeraum 24 eindringende Medium und die dagegen wirkende Gewichtskraft des Kolbens 48 gesteuert werden, oder der Kolben 48 wird in Richtung des Aufnahmeraums 24 „vorgespannt“ oder aktiv angetrieben. Dazu kann ein Fluid über einen Anschluss 36 in den Ausgleichsraum gepumpt, eine elektromagnetische Kraft oder eine Federkraft oder eine andere mechanische Kraft auf den Kolben 48 ausgeübt oder eine andere der zuvor beschriebenen Techniken zur Einstellung oder Regelung des Gegendrucks zum Einsatz kommen.
Die in Figur 9 gezeigte vierte Ausführungsform der Ausgleichsvorrichtung 10 ist anders als die bisher beschriebenen Ausführungsformen nicht an einer Abzweigung einer Prozessleitung, sondern direkt im Durchfluss angeordnet. Das bedeutet, dass das Medium, dessen Druck- oder Volumenschwankungen ausgeglichen werden sollen, auf einer Seite durch einen Einlass 52 in die Vorrichtung 10 eintritt und auf einer anderen Seite durch einen Auslass 54 wieder austritt.
Die Ausgleichsvorrichtung 10 kann in eine Haupt- oder eine Nebenleitung integriert sein. Die beiden Enden der Vorrichtung 10 können z.B. als Anschlussenden ausgebildet sein, die zu einem gängigen Tri-Clamp-Konnektor passen, wie in der in Figur 10 gezeigten Variante.
Zwischen dem Einlass 52 und dem Auslass 54 ist die Prozessleitung als elastisch dehnbarer, sterilisierter Einweg-Schlauchabschnitt 56 ausgebildet, z.B. aus Gummi. Dieser Bereich ist von einem stabilen und dichten Behälter 12 umgeben, der nicht zwingend als Einweg-Behälter ausgelegt sein muss.
Der Schlauchabschnitt 56 kann sich bei einem Überdruck in der Prozessleitung oder bei einem Volumenüberschuss ausdehnen und fungiert somit als zusätzlicher Aufnahmeraum 24 für das Medium. Der Bereich zwischen der Außenwand des dehnbaren Schlauchabschnitts 56 und der Innenwand des Behälters 12 dient als Ausgleichsraum 26. Der Behälter 12 kann einen Außenanschluss 36 aufweisen. Die Bereitstellung und ggf. Einstellung oder Regelung des Gegendrucks kann wiederum auf vielfältige Weise erreicht werden, wie zuvor beschrieben.
Anstelle eines starren Behälters 12 kann auch eine feste oder flexible Hülle, beispielsweise aus einem festen Kunststoff wie PE, als Behälter 12 um den dehnbaren Schlauchabschnitt 56 angeordnet und dicht an diesem befestigt sein. Die Hülle sollte aber stabiler bzw. weniger dehnbar als der Schlauchabschnitt 56 sein, um einen ausreichenden Gegendruck bereitstellen zu können. Die Kavität zwischen dem dehnbaren Schlauchabschnitt 56 und der Hülle stellt dann den Ausgleichsraum 26 dar. Druckschwankungen können somit durch Weitung oder Verengung des Schlauchabschnitts 56 und damit durch Volumenveränderung geglättet werden.
Ebenso wie bei der ersten Ausführungsform kann auch bei allen anderen Ausführungsformen die Membran 22 bzw. das jeweilige auslenkbare Element (Aufnahmekörper 42, dehnbarer Schlauchabschnitt 56, etc.) das den Aufnahmeraum 24 vom Ausgleichsraum 26 trennt, als semipermeables Element ausgeführt sein, das in Richtung des Ausgleichsraums 26 gasdurchlässig ist, um eine Entgasung des Mediums in der Vorrichtung 10 zu ermöglichen.
Bezuaszeichenliste
10 Vorrichtung
12 Behälter
14 Bodenteil
16 Aufsatz
18 Rand
20 Folie
22 Membran
24 Aufnahmeraum
26 Ausgleichsraum
28 Anschluss
30 Gegendruckmittel
32 Fluid
34 elastischer Festkörper
36 Anschluss
38 Filtercapsulen-Gehäuse
40 Filterkassetten-Gehäuse
42 Aufnahmekörper
44 Öffnung
46 Zylinder
48 Kolben
50 Dichtelemente
52 Einlass 54 Auslass
56 Schlauchabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (10) zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumen schwankungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeu tischen Prozess, mit
einem mit einer Medium-durchströmten Prozessleitung in Strömungsverbin dung stehenden Aufnahmeraum (24) zum kurzzeitigen Speichern einer in den Aufnahmeraum (24) hineinströmenden Überschussmenge des Mediums,
einem Ausgleichsraum (26), der vom Aufnahmeraum (24) durch ein auslenk bares Element (22; 42; 48; 56) getrennt ist,
einem im Ausgleichsraum (26) angeordneten Gegendruckmittel (30) zum Ausüben eines Gegendrucks auf das auslenkbare Element (22; 42; 48; 56) in Richtung des Aufnahmeraums (22; 42; 48; 56),
wobei alle medienberührenden Komponenten der Vorrichtung (10) als Einweg- Komponenten ausgelegt sind.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gegendruckmittel (30) einen Energiespeicher umfasst, der durch das in den Aufnahmeraum (24) hineinströmende Medium aufgeladen wird.
3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element (22; 42; 48; 56) eine Membran (22) ist.
4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element (22; 42; 48; 56) ein Aufnahmekörper, insbesondere ein Ballon (42), oder ein dehnbarer Schlauchabschnitt (56) ist, der im Wesentlichen den gesamten Aufnahmeraum (24) bildet.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auslenkbare Element (22; 42; 48; 56) semipermeabel ist.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (24) in einem Mehrweg-Behälter (12) angeordnet ist und wenigstens teilweise durch eine Einweg-Einlage (20) begrenzt ist.
7. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegendruckmittel (30) ein Gas mit Überdruck und/oder eine Flüssigkeit und/oder einen Festkörper, insbesondere einen elastischen Fest körper (34) umfasst.
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Ausgleichsraum (26) mündender Anschluss (36) für eine Zufuhr oder eine Entnahme von Fluid (32) vorgesehen ist.
9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Anschluss (36) eine Konstantdruckquelle oder eine Spritze mit einer Spritzen pumpe angeschlossen ist.
10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch eine Steuerung, die den Gegendruck im Ausgleichsraum (26) in Abhängigkeit von gemessenen Druck- bzw. Volumenschwankungen regelt.
1 1 . Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (24) und der Ausgleichsraum (26) in einem Einweg-Filtercapsulen-Gehäuse (38) oder in einem Einweg-Filterkassetten- Gehäuse (40) angeordnet sind und wenigstens einer der vorhandenen Anschlüsse (28, 36) des Gehäuses (38; 40) an die Prozessleitung angeschlossen und/oder wenigstens einer der vorhandenen Anschlüsse (28, 36) des Gehäuses (38; 40) für eine Zufuhr oder eine Entnahme von Fluid (32) in bzw. aus dem Ausgleichsraum (26) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (24) und der Ausgleichsraum (26) in einem Gehäuse, vorzugsweise einem Zylinder (46), angeordnet und durch einen im Gehäuse verschiebbaren und gegen das Gehäuse abgedichteten Kolben (48) getrennt sind.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (48) mit einer Kraft in Richtung des Aufnahmeraums (24) beaufschlagt ist, insbesondere mit einer einstellbaren oder regelbaren Kraft.
14. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn zeichnet durch einen Mediumeinlass (52) in den Aufnahmeraum (24) und einen Mediumauslass (54) aus dem Aufnahmeraum (24), wobei der Aufnahmeraum (24) vom Ausgleichsraum (26) umgeben ist, sodass die Vorrichtung (10) im Durchfluss angeordnet werden kann.
15. Vorrichtung (10) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (24) zwischen dem Einlass (52) und dem Auslass (54) durch einen elastisch dehnbaren Einweg-Schlauchabschnitt (56) gebildet und von einem starren oder flexiblen Behälter (12) umgeben ist, der stabiler als der Schlauch abschnitt (56) ist.
16. Verfahren zum Ausgleich von kurzfristigen Druck- oder Volumenschwan kungen eines Mediums in einem kontinuierlich geführten biopharmazeutischen Prozess, unter Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines mit einer Medium-durchströmten Prozessleitung in Strö mungsverbindung stehenden Aufnahmeraums (24);
- Aufnehmen einer ein den Aufnahmeraum (24) strömenden Überschuss menge des Mediums im Falle eines Überdrucks oder eines Volumenüberschusses in der Prozessleitung;
- Aufladen eines Energiespeichers durch das in den Aufnahmeraum (24) strö mende Medium, und
- Ausstößen zumindest eines Teils der aufgenommenen Überschussmenge des Mediums aus dem Aufnahmeraum (24) im Falle eines Unterschreitens eines Solldruckbereichs oder eines Unterschreitens eines Solldurchflussmengen bereichs durch Umwandlung der im Energiespeicher gespeicherten Energie.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ener giespeicher zusätzlich Energie von außen zugeführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Steuerung die Energiezufuhr in Abhängigkeit von gemessenen Druck- bzw. Volu menschwankungen geregelt wird.
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