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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Begasung von
flüssigen
Medien mittels Schlauchbegasung, darin enthaltene spezielle Schlauchmodule
sowie die Verwendung der Vorrichtung zur Begasung von flüssigen Medien.
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In
der pharmazeutischen Industrie spielt die Herstellung rekombinanter
Proteine eine immer größere Rolle.
Aufgrund ihrer Fähigkeiten
hoch glycosilierte Proteine mit posmanslatorischen Modifikationen
herzustellen, hat sich die tierische Zellkultur zur Herstellung
komplexerer Proteine etabliert.
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Üblicherweise
wird zur Sauerstoffversorgung von Mikroorganismen eine intensive
Blasenbegasung mit dispergierenden Rührorganen eingesetzt.
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Tierische
Zellen stellen besondere Anforderungen an die technischen Reaktoren,
in denen sie kultiviert werden. Besonders zu vermeiden sind hohe Scherkräfte, wie
sie zum zerteilen von Gasblasen notwendig sind, da diese die Zellmembranen
der zellwandlosen Zellen irreversibel schädigen und somit nachteilige
Folgen für
das Wachstum der Zellkulturen haben.
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Außer beim
Dispergieren durch das Rührorgan
werden Scherkräfte
auch bei der Ausbildung und dem Zerplatzen der Gasblasen an der
Flüssigkeitsoberfläche freigesetzt.
Eine Blasenbegasung kann bei der Zellkultivierung daher nur mit
sehr niedrigen Gasdurchsätzen
erfolgen. Dem Rührorgan
kommt dabei keine die Gasblasen dispergierende, sondern im Wesentlichen
nur eine verteilende Funktion zu. Eine ausreichende Sauerstoffversorgung
kann bei scherempfindlichen Zellen mit einer grobblasigen Begasungsmethode
daher nur bis zu relativ niedrigen Zelldichten sichergestellt werden.
(H.J.Henzler: „Verfahrentechnische
Auslegungsunterlagen für
Rührbehälter als
Fermenter" Chem.
Ing. Tech. 54 (1982) Nr. 5 S. 461-476, H.J. Henzler, J. Kauling: „Oxigenation
of cellkultures" Bioprocess
Engenieering 9 (1993) S.61-75, „Mischen und Rühren" Herausgegeben von M.
Kraume, WILEY-VCH 2003)
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Zur
Verbesserung der Sauerstoffversorgung wurde der Einsatz von Sinterbegasern
aus metallischen oder keramischen Werkstoffen mit Porenweiten bis
zu 0.2 μm
vorgeschlagen, mit denen sehr kleine Blasen scherarm erzeugt werden
können.
(D. Nehring, P. Czermak, J. Vorlop, H. Lübben: „Experimental study of a ceramic
micro sparging aeration system in a pilot scale animal cell culture" Biotechnology Progress
20 (2004) 6, p.1710-1717, Hanshi, Qi, Konstantin Konstantiniov: „The Art & Science of Micro-
Sparging in High-Density Perfusion Cultures of Animal Cells" 17th ESTAC meeting,
Tylosand, Sweden, 2001). Die Sinterbegaser neigen jedoch beim Langzeiteinsatz
zur Verblockung. Außerdem
können Schaumprobleme
entstehen, die den Einsatz von Antischaummitteln erfordern, was
wiederum zu Ausbeuteverlusten in der Aufarbeitung führen kann.
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Eine
scherarme Methode der Sauerstoffversorgung stellt die Membranbegasung
dar, bei der der Sauerstoff eine zwischen der Gasphase und Kulturmedium
aufgespannte Membranwand passiert. Derartige Membranen lassen sich
als Schläuche
auf zylindrischen Korbstatoren aufwickeln. (H.J. Henzler, J. Kauling: „Oxigenation
of cellkultures" Bioprocess
Engenieering 9 (1993) S.61-75, EP A1 0172478, WO A1 87/02054). Zur
Unterbringung großer
Austauschflächen
werden die Schläuche
mit möglichst
geringem Abstand dicht nebeneinander platziert.
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Der
auf den Außendurchmesser
des Schlauches D bezogene Abstand S zwischen den Schläuchen liegt
bei suspendierten Zellen im Allgemeinen zwischen 0 < S/D < 1. Werden auf Trägermaterialien immobilisierte
Zellen verwendet, können
auch größere Abstände sinnvoll
sein, um die Durchlässigkeit
der Schlauchmatrix gegenüber
den Trägerpartikeln
zu gewährleisten.
Verwendet werden sowohl vertikal als auch horizontal gewickelte
Statoren. Eine vertikale Wicklung ist grundsätzlich vorzuziehen, um Ablagerungen
auf den Schläuchen
zu verhindern. Außerdem
kann auf diese Weise nahezu die doppelte Schlauchfläche im Reaktor
platziert werden. Mit Hilfe scherarmer radialfördernder Rührorgane wie Blatt- oder Ankerrührern werden
die konzentrisch angeordneten Schlauchmembranen in radialer Richtung durchströmt, um den
flüssigkeitsseitigen
Stofftransportwiderstand zu minimieren.
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Andere
Reaktoren, sog. Hohlfaserraktoren, werden im Kreislauf an einen
Mischreaktor angeschlossen und von Medium durchströmt (
DE 195 37 033 A1 ,
EP 0727 481 A2 ,
DE 195 28 871 C2 ,
US 6 001 585 A ,
US 5 443 985 A ,
WO 02/31108 A1) Hierbei ist ein ständiges Umpumpen der Kulturlösung zwischen
dem Mischreaktor, in dem die Medienzufuhr und die pH-Einstellung
erfolgt, und dem Begasungsreaktor erforderlich. Um einen hohen Stofftransport
realisieren zu können
muss der flüssigkeitsseitige
Stofftransportwiderstand an den Membranen reduziert werden, was
hohe Umpumpraten erfordert und damit Scherprobleme verursacht. Eine
weitere Variante ist der Hubstrahlreaktor, bei dem die Membranflächen in
vertikaler Richtung oszillierend bewegt werden. (Janine T. Bohlmann: „Entwicklung
eines neuartigen Staustrahl- Membranreaktors für die Zellkulturtechnik mittels
CFD" CIT, Nr. 75
(2003) S.131-135). Zu erwarten sind bei einer derartigen Ausführung im
technischen Maßstab
Probleme bei der Handhabung des kompliziert aufgebauten Membranstators
sowie steriltechnische Probleme durch die Abdichtung der Axiallager.
Aus den genannten Gründen
erscheinen gewickelte, von einem koaxial angeordneten Rührer angeströmte Schlauchstatoren weiterhin
als die technisch ausgereifteste und sicherste Lösung.
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Als
Schlauchmaterial hat sich Silikon gegenüber porösen Polymeren durchgesetzt.
Gründe
hierfür
sind die hohe Gaspermeabilität,
die hohe thermische Beständigkeit
und die homogen über
die Länge der
Schlauchsegmente von mehr als 50 m verteilten Schlaucheigenschaften,
die auch nach einer Sterilisation erhalten bleiben. Die großen Schlauchlängen der
Schlauchsegmente dienen der Verkürzung
der zeitintensiven Herstellung der koaxialen Schlauchstatoren. Im
Allgemeinen wird der Silikonschlauch nach einmaliger Verwendung
verworfen, so dass der erhebliche Aufwand für die Herstellung eines Begasungskorbes
nach jeder Fermentation erneut anfällt. Dem Vorteil des reduzierten
Personalaufwandes durch Verwendung langer Schlauchsegmente stehen aber
auch Nachteile entgegen. So erfordert die Beachtung einer Druckverlustobergrenze
zur Schlauchbefestigung an Verteilersystemen die Verwendung großer Schlauchdurchmesser,
um den proportional vom Verhältnis
Schlauchlänge
zu Schlauchdurchmesser abhängigen
Druckabfall im Schlauchsegment zu begrenzen. Größere Schlauchdurchmesser wiederum
führen
zu einer festigkeitsbedingten Vergrößerung der Wanddicke, die eine
proportionale Vergrößerung des
Diffusionswiderstandes beim Stofftransport durch den Schlauch verursacht.
Ein weiteres erhebliches Problem stellt die Reproduzierbarkeit der
Schlauchwicklung dar, die von dem nicht eindeutig bestimmbaren Kraftaufwand
bei der Schlauchspannung abhängt.
Eine zu stramme Wicklung führt
bei vertikaler Wicklung zu einer Querschnittsverengung an den Umlenkstellen
und zu einer Veränderung
des Druckprofils über
der Schlauchlänge.
Bei zu schwach gespannten Schläuchen
besteht die Gefahr einer Beschädigung
der Schläuche durch
Kontakt mit dem Rührorgan.
Ein grundsätzliches
Problem der Membranbegasung stellt die Maßstabsübertragung der mit dem Reaktorvolumen
V1/3 abnehmenden spezifischen Schlauchoberfläche A/V dar,
die damit den Fermentationsmaßstab
nach oben hin begrenzt. Dieser Nachteil kann durch veränderte hydrodynamische
Bedingungen im Fermenter, z.B. durch ein verbessertes Anströmen der
Schläuche
bei vergrößerter Rührerumfangsgeschwindigkeit,
wegen der zunehmenden Scherbelastung und dem zusätzlichen, hydrodynamisch nicht
beeinflussbaren Diffusionswiderstand nicht ausgeglichen werden.
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Ausgehend
vom Stand der Technik stellte sich nunmehr die Aufgabe diese für gewickelte Schlauchstatoren
und andere Membranbegasungssysteme aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile
zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird überraschend
einfach durch die erfindungsgemäße Vorrichtung,
enthaltend mindestens ein erfindungsgemäßes Schlauchmodul und eine
entsprechende Halterungen gelöst.
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Gegenstand
der vorliegenden Anmeldung sind somit ein Schlauchmodul und eine
entsprechende Vorrichtung zum Begasen eines flüssigen Mediums, bestehend aus
einer Halterung und mindestens einem zugehörigen Schlauchmodul.
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Gegenstand
dieser Anmeldung ist das entsprechende Schlauchmodul, gekennzeichnet
durch die Zusammenfassung mehrerer parallel ausgerichteter Schlauchstücke in einer
Kopf- und Fußhalterung,
weiter auch Kopfstücke
des Schlauchmoduls bzw. Schlauchmodulkopf(stücke) genannt, welche durch
geeignete Verbindungen an eine die Gaszu- und -abführung regelnde
Halterung, angeschlossen werden können.
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Die
im erfindungsgemäßen Schlauchmodul verarbeiteten
Schlauchstücke
sind kurz, bevorzugt weisen sie im eingespannten Zustand eine Länge von
1-2 facher Statorhöhe
auf. Die auf den Behälterdurchmesser
D bezogene Statorhöhe
H beträgt
etwa bei 0.5 < H/D < 5, wobei ein Bereich
von 0.8 < H/D < 3 bevorzugt und
ein H/D-Verhältnis
von 2 besonders bevorzugt wird. Zur Rückströmung der Flüssigkeit vom Rand des Behälters in
das Reaktorzentrum wird ein ausreichender Abstand des Stators zur
Flüssigkeitsoberfläche und
zum Reaktorboden benötigt. Dieser
Abstand ist abhängig
von den hydrodynamischen Förderbedingungen
und beträgt
günstigerweise
zwischen 2% und 20% der Füllhöhe.
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Die
im erfindungsgemäßen Schlauchmodul verarbeiteten
Schlauchstücke
sind üblicherweise gasdicht
in den Kopf- und Fußstücken zu
beiden Schlauchenden fixiert, bevorzugt durch einkleben mit einem
geeigneten Kleber, besonders bevorzugt mit 2-Komponentenkleber oder
Silikonklebern, geeignet sind z.B. handelsübliche Silikondichtmassen welche zu
elastomeren Silikonpolymeren aushärten und die für pharmazeutische
Prozesse geforderte FDA-Qualität
und thermischer Beständigkeit
von bis zu 134°C aufweisen,
z.B. das RTV 8001-System von GE Bayer Silicones.
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Der
Außendurchmesser
der erfindungsgemäß verarbeiteten
Schlauchstücke
beträgt üblicherweise
0,1-10 mm, bevorzugt 0,5 bis 3 mm.
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Die
Wandstärken
der erfindungsgemäß verarbeiteten
Schlauchstücke
betragen üblicherweise zwischen
0,05 und 2, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 mm.
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Die
Schlauchstücke
werden in vertikal gespannten, ein oder mehrlagigen parallelen Bahnen eingebaut,
wobei die Parallelisierung durch Klebestreifen hinter dem Schlauchmodulkopfstück oder bevorzugt
das gegossene Schlauchmodulkopfstück selbst (s.z.B. 3 und 4 Elemente
(12)/(22) – (11)/(23) – (11)/(21) – (12)/(20)
oder 9a 9b und 9c Element
(91)) bewerkstelligt wird.
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Die
Schlauchmodule und die Halterung, bevorzugt einen Ringstator, ergeben
dabei zusammengesetzt eine Vorrichtung die Stator- und Begasungswirkung
in sich vereint und ebenfalls Gegenstand dieser Anmeldung ist.
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Im
Betriebszustand in einem entsprechenden Reaktor/Fermenter wird die
erfindungsgemäße Vorrichtung
von einem koaxial angeordneten Rührorgan
angeströmt,
welche eine ausreichende Durchmischung des Mediums gewährleistet.
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Die
Schlauchmodulkopfstücke
der Schlauchmodule werden über
Verbindungselemente an die Halterung angeschlossen, um die Zu- und
Ableitung des Begasungsmediums zu ermöglichen. Derartige Verbindungselemente
zwischen dem Schlauchmodulkopf und die Halterung sind beispielsweise Schlauch-
oder Schraubverbindungen, Schlauchkupplungen oder günstigerweise
Einrastelemente. Bei Schlauchverbindungen besteht beispielsweise die
Möglichkeit
den Schlauchmodulkopf durch einen weiteren Klebeschritt mit schlauchförmigem Ansatzstück auszuführen, mit
dem das Schlauchmodul leicht auf eine vom Stator zur Verfügung gestellte Schlaucholive
aufgezogen werden kann. Bei Verwendung von Schlauchkupplungen wird
der Schlauchmodulkopf in eines der beiden Kupplungsstücke eingeklebt.
Trotz der etwas höheren
Kosten empfiehlt es sich aus wartungstechnischer Sicht, die empfindlichere
Kupplungsfassung für
die Herstellung der als Einwegartikel konzipierten Begasungsmodule zu
verwenden und das einfachere Gegenstück, den robusteren Kupplungsnippel,
in den Stator einzubauen. Eine kraftschlüssige Verbindung mit dem Versorgungselement
wird besonders bevorzugt über
am Schlauchmodulkopf angebrachte Einrastelemente hergestellt, wobei
mittels Flächenpressung
der in den Schlauchmodulkopf eingegossenen Silikonoberfläche eine
Abdichtung von Schlauchmodul und Versorgungselement gegen den Außenraum
ermöglich wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Gesamtvorrichtung je eine Versorgungsstation mit Anschlüssen für die Gaszu-
und -abfuhr zur Ankopplung der Schlauchmodulköpfe.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
werden die Versorgungsstationen für die Gaszu- und -abfuhr segmentiert,
so dass sich Bereiche unterschiedlichen Druckniveaus zur separaten Optimierung
von Sauerstoff- und Kohlendioxid Ver- und Entsorgung einrichten
lassen. In diesem Fall enthält
jedes Segment einen eigenen Anschluss für die Gaszu- und -abfuhr.
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Besonders
bevorzugt als Halterung ist eine Statorkonstruktion, bei der die
Gasver- und -entsorgungsstationen gemeinsam im oberen Reaktorbereich
untergebracht sind, wobei die Schläuche mit einer gegenüberliegenden
Umlenkvorrichtung um 180° zwischen
den Stationen umgelenkt werden
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Besonders
bevorzugt sind darüber
hinaus Vorrichtungen mit einer Vorrichtung, die das Einziehen der
Schläuche
durch das Rührorgan
verhindert.
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Die
Schläuche
der erfindungsgemäßen Schlauchmodule
bestehen aus einem gasdurchlässigen
Kunststoff, bevorzugt sind die aus dem aus dem Stand der Technik
bekannten gasdurchlässigen
und thermisch stabilen Silikonmembranen.
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Abbildungen:
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Die
vorliegende Erfindung wird mit Hilfe der 1 bis 9 erläutert,
ohne sich darauf zu begrenzen.
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1:
Reaktor mit Membranmodulen
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2:
Anströmung
der Modulmembranen
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3:
Einlagiges Membranmodul
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4:
Mehrlagiges Membranmodul
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5:
Verbindung des Schlauchmodulkopfes mit dem Versorgungselement
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6:
Einseitige Versorgungsstation mit gegenüberliegender Umlenkvorrichtung
für die Schlauchmembranen
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7:
Reaktor mit einseitiger Versorgungsstation, Umlenk- und Schutzvorrichtung
für die Schlauchmembranen
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8: Herstellung eines Schlauchmoduls, Wickeln
einer Schlauchmatte auf Rohrstück (8a),
Befüllung
eines Modulkopfes über
Rohrstück
(8b)
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9: Mehrlagiges, einseitig versorgbares Begasungsmodul
mit Aufnahme beider Schlauchenden in einem einzigen Schlauchmodulkopf,
Seitenansicht der Aufnahme der Schlauchenden und Schlauchumlenkung
(9a), Draufsicht auf Schlauchmodulkopf (9b)
und Modulanschluss an einseitige Versorgungsstation über Einrastelemente
(9c)
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Die
Schlauchmodule können
beispielsweise wie folgt hergestellt werden:
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Zunächst werden
die auf Spulen aufgewickelten Schläuche mit möglichst gleicher Spannung auf
einen möglichst
gleichmäßig rotierten
Wickelstator in parallelen Bahnen dicht nebeneinander aufgewickelt.
Die Spannung der Schläuche
kann mit moderater Genauigkeit vom Gewicht einer losen, in der Höhe möglichst
lagestabilen (Beschleunigungskräfte)
Rolle vorgegeben werden. Der Umfang des Wickelstators ist so dimensioniert,
dass er der Länge der
eingespannten Schlauchmodule zuzüglich
eines Verschnittverlustes entspricht. Die Größe des Verschnittverlustes
wird hauptsächlich
durch Spannungsunterschiede beim Aufwickeln der Schläuche auf
den Wickelstator verursacht und beträgt zwischen 10 und 30% je nach
Gleichmäßigkeit
der Aufwicklung. Nach dem Aufwickeln werden die Schläuche mit
einem dünnen
Silikonstreifen von ca. 1-5 mm Dicke und mit einer Breite von ca.
5-20 mm miteinander verbunden. Die Auftragung der Streifens kann ohne
große
Genauigkeitsanforderungen mit einem Spachtel erfolgen, mit dem die
Silikonmasse – geeignet
sind z.B. handelsübliche
Silikondichtmassen welche zu elastomeren Silikonpolymeren aushärten und die
für pharmazeutische
Prozesse geforderte FDA-Qualität
und thermischer Beständigkeit
von bis zu 134°C
aufweisen z.B. das RTV 8001-System von GE Bayer Silicones – in die
Schlauchzwischenräume gedrückt werden
kann. Nach dem Aushärten
werden die Schläuche
90° gegen
die Wickelrichtung entlang des Silikonstreifens durchgeschnitten.
Der Silikonstreifen seinerseits wird anschließend auf die gewünschte Breite
parallel der zum Schlauchmodul zusammenzufassenden Schläuche zugeschnitten.
Die gewünschte
Schlauchlänge
ergibt sich aus der Distanz zwischen den Schlauchmodulköpfen abzüglich einer
Differenzlänge
zur Spannungserzeugung der moderat eingespannten Modulschläuche. Zur
endgültigen
Fixierung der zu parallelen Bahnen ausgelegten Schläuche wird
mindestens ein weiterer Silikonstreifen zur Fixierung der gegenüberliegenden Schlauchende
angebracht. Bei einer Umlenkung der Schläuche über eine Umlenkvorrichtung
empfiehlt sich die Schläuche
in diesem Bereich mit einem weiteren Streifen zu fixieren. Neben
der Parallelausrichtung der Schläuche
besteht hierdurch der Vorteil des mechanischen Schutzes der bei
bevorzugten kleinen Wandstärken
gegen Berührung
empfindlicheren Schläuche.
Der Einsatz weiterer Fixierungsstreifen zur Parallelisierung wird
nicht empfohlen, da diese zu einer Reduzierung des Sauerstoffeintrages
führen. Zur
Verklebung der Schläuche
in den Schlauchmodulkopfstücken
können,
wie in 8a und 8b gezeigt
wird, die Modulbahnen im Bereich der Schlauchenden entlang des Silikonstreifens
(70) auf einen stabilen zylindrischen Träger z.B.
ein Rohr (71) aufgerollt werden, dessen Innendurchmesser
so dimensioniert ist, dass eine Zugabe der hochviskosen Silikon-Klebemasse
möglich
ist. Das aufgerollte Schlauchbündel
wird in eine Ringfassung (72) gegen den Silikonstreifen
(70) dichtend eingeführt.
Ringfassung (72) und Kopfraum (73) werden zusammengeführt und
die Klebemasse (15) in das vertikal aufgehängte Schlauchmodul
von untern eingespritzt. Nach dem Aushärten wird die Ringfassung wenige
mm vom Schlauchmodulkopf abgezogen und unmittelbar dahinter entlang
der Linie (74) mit einem Messer getrennt. Eine weitere
Fassung der Schläuche
ist in 9a, 9b und 9c gezeigt.
Wie in 9a und 9b dargestellt,
werden beide Enden der gewickelten und mit den Silikonstreifen zu
Matten verbundenen Schläuche
(10) in einen einzigen Schlauchmodulkopf (91)
mit der Silikon-Klebemasse (15) derart eingeklebt, dass
sich innerhalb des Schlauchmodulkopfes (91) eine in der
Höhe exakt definierte
Silikonoberfläche
(92) einstellt. Der Schlauchmodulkopf kann wie 9c zeigt,
nach dem Aushärten
z.B. mittels der Einrastelemente (93) mit einem als Gegenstück gestalteten
Versorgungselement (90) kraftschlüssig verbunden werden. Hierdurch
wird die Silikonoberfläche
(92) im Bereich der Kontaktflächen zum Versorgungselement
(90) derart gepresst, dass die Kanäle (4) und (5)
des Versorgungselementes (=Versorgungsleitung) gegeneinander und
gegen den Außenraum
abgedichtet werden. Die Schlauchmodulköpfe (91) und Versorgungselemente
(90) können
wie in 9a, b und c gezeigt in gerader
oder zum Einbau in einen runden Begasungsstator bevorzugt in gebogener
Form eingesetzt werden.
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Analog
zu WO 03/020919 A2 Seite 4 Zeilen 23-26, Seite 29 Zeilen 22-28,
Seite 30 Zeilen 28-31 und Seite 31 Zeile 1 sowie Anhang Seite 3, 3 -werden
die Schläuche
der Schlauchmodule mittels ringförmiger
Halterungen im Reaktor aufgespannt, die durch vertikale Verstrebungen
miteinander zu einem Ringstator verbunden werden, der üblicherweise
vollständig
aus Edelstahl gefertigt. ist. Sich abgrenzend von diesem Stand der
Technik dient der erfindungsgemäße Ring stator
als Einbau- und Versorgungsvorrichtung für die Schlauchmodule und ist hierzu
mit den notwendigen Anschlüssen
für die
Gaszu- und -abfuhr ausgerüstet.
Außerdem
bieten die Halterungen Anschlüsse
zur Aufnahme von Schlauchmodulen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird der Stator nach der Modulbestückung über Abstandhalter auf dem Reaktorboden
aufgestellt und zusätzlich
mit 3 bis 4 in mindestens 2 Ebenen angebrachten seitlichen Abstandhaltern
zentrisch ausgerichtet. Eine exakte Ausrichtung zum Rührer ist
zwingend notwendig, um eine spätere
Beschädigung
der Schläuche
durch die in geringem Abstand an diesen vorbeistreichenden Rührblätter zu vermeiden.
Die Anschlüsse
für die
Gaszu- und -abfuhr können
nach der Aufstellung des Stators auf einfache Weise durch Schlauchleitungen
innerhalb des Fermenters hergestellt werden, wozu der Ringstator mit
entsprechenden Anschlussstutzen, z.B. Schlaucholiven, ausgeführt ist.
Eine feste Verankerung des Ringstators im zur Montage abzunehmenden
Fermenterdeckel über
mindestens 2, vorzugsweise jedoch mindestens 3, Verankerungspunkte
ist ebenfalls möglich.
In diesem Fall können
die Verbindungen steril durch den Deckel in den Nicht-Sterilbereich nach
außen
herausgeführt
werden und als Leitungen für
die Gasver- und Entsorgung genutzt werden. Eine feste Aufhängung des
Ringstators und des Rührorgans
im Deckel ist aus Gewichtsgründen
und wegen der geforderten Präzision
bei der Einführung
in den Reaktorraum zur Vermeidung einer Schlauchbeschädigung nur
bei kleineren Reaktoren empfehlenswert. Oberhalb eines Fassungsvermögens von
100 L- wird daher die Anwendung des am Boden gelagerten Ringstators
und ebenso eines am Boden gelagerten Rührorgans empfohlen.
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Gegenüber gewickelten
Statoren kann erfindungsgemäß eine wesentliche
Vereinfachung der Statorbelegung sowie eine erhebliche Steigerung des
Stoffransportes durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Schlauchmodule
erreicht werden, in welchen parallel geführte Begasungsschläuche an beiden
Enden in einer die Gaszu- bzw. -ableitung regelnden Halterung angebracht
sind.
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In 1 werden
beispielhaft für
erfindungsgemäß konstruierte
Module die Schlauchmodule (3) gezeigt. Die Schlauchmodule
(3) werden zu ihrer Verwendung an die ringförmige Versorgungsleitung
(4) und (5) für
die Gasver- und -entsorgung angeschlossen, die z.B. mit den Verbindungselementen
(9) zu einem Begasungsstator verbunden werden können. Bei
den Schlauchmodulen (3) werden anstelle langer Schlauchsegmente
erfindungsgemäß kurze Schlauchstücke mit
einer Länge
von mindestens einer einfachen bevorzugt aber der doppelten Statorhöhe (8)
verwendet.
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Vergleichbar
einem vertikal gewickelten Schlauchstator können die zu Schlauchmodulen
zusammengefassten, im Begasungsstator eingespannten Schläuche (10)
(s. 3 und 4) mittels eines auf die Rührwelle
(1) koaxial angeordneten scherarmen Rührers (2), bevorzugt
eines Ankerrührers,
vom Fermentationsmedium in radialer Richtung (30) angeströmt werden
(s. 2). Zur Herstellung der Schlauchmodule werden
die Schlauchstücke,
wie 3 zeigt, zu beiden Enden dicht in die Schlauchmodulköpfe (11)
und (12) eingefasst. Die Einfassung kann z.B. durch Eingießen in einen
Klebstoff erfolgen. Als Kleber (15) können Zweikomponentenkleber auf
Polymer- oder Silikonbasis verwendet werden, die für pharmazeutische
Prozesse mit der geforderten FDA-Qualität und thermischer Beständigkeit
von bis zu 134°C
handelsüblich
verfügbar
sind..
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Um
die optimale Funktion der Membranbegaser zu gewährleisten, ist die Aufrechterhaltung
einer definierten Porosität
der vom Medium durchströmten
Schlauchmatrix zwingend erforderlich. Hierzu ist es notwendig, die
Schlauchstücke
zu parallelen Schlauchreihen auszurichten. Zur Parallelisierung der
Schläuche
können
z.B. die in 3 und 4 gezeigten
Mundstücke
(20), (21), (22) und (23) verwendet
werden. Doch auch bereits eine Anbringung eines einfachen Klebestreifens
in der Nähe
der Schlauchmodulköpfe
(11) und (12) erfüllt diese Funktion vergleichbar
gut. Die Anordnung der Schläuche (10)
kann einschichtig in einer einzelnen Lage (s. 3)
oder zur Oberflächenvergrößerung auch mehrschichtig
in mehreren parallelen Lagen erfolgen, wie in 4 gezeigt.
Die Durchmesser der Schläuche
(10), die wegen der thermischen Beständigkeit und der auf dem Markt
verfügbaren
FDA-zugelassenen Produkte bevorzugt aus dem Werkstoff Silikon bestehen,
sollten zwischen 0.1 und 5 mm liegen. Bevorzugt werden jedoch kleine
Schlauchdurchmesser ab Durchmessern von 0.7 mm eingesetzt, die bei
einer Wandstärke
von kleiner gleich 0.1 mm, vergleichbare Festigkeiten wie Schläuche mit
einem Außendurchmesser
von 3 mm und einer Wandstärke
von 0.5 mm aufweisen, die aber andererseits einen fünffach verbesserten
transmembranen Stofftransport ermöglichen.
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Zur
gasdichten Befestigung der Schlauchmodulköpfe (11) und (12)
an den Versorgungsleitung für
die Gasversorgungsleitungen (4) und (5) bestehen
zahlreiche Möglichkeiten.
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5 zeigt
beispielhaft, jedoch die Erfindung nicht einschränkend, eine Befestigungsmöglichkeit
mit Überwurfmutter
(40), mit der ein an den Schlauchmodulköpfe (11), (12)
angebrachter Anschlag (43) gegen das zylindrische Anschlussstück (41)
der Versorgungsleitungen (4) oder (5) angezogen
werden kann. Die Abdichtung sollte in diesem Fall über einen
O-Ring (42) erfolgen. Auch andere Verbindungen z.B. über kommerziell
erhältliche Schlauchkupplungen
sind denkbar, ebenso wie eine simple Schlauchverbindung zwischen
den zylindrischen Anschlussstücken
(41) und den zylindrischen Schlauchmodulköpfen (11),
(12), die in diesem Fall günstigerweise den gleichen Außendurchmesser
besitzen sollten.
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Die 6 und 7 zeigen
beispielhaft, jedoch die Erfindung nicht einschränkend, die Befestigung der
Schlauchmodule (3) mittels der Schlauchmodulköpfe (11)
und (12) an einen gemeinsamen Versorgungsring (52),
der mit den Versorgungsleitungen (4) und (5) für die Gasver-
und -entsorgung (6) und (7) ausgestattet ist.
Bei dieser Anordnung besitzen die Module eine Schlauchlänge, die
etwa der doppelten Statorhöhe
(8) entspricht. Vorteil der Anordnung ist die Vergrößerung der
Schlauchoberfläche
bei einlagiger Modulbauweise (s. 3) sowie eine
Verringerung des Ablagerungsrisikos der in den unteren Versorgungsleitung
(5) eingespannten Schlauchmodulköpfe (11) (s. 2, 3, 4). Bei
der Anordnung der Module gemäß 6 und 7 erfolgt
der Partikelaustrag analog zu normalen vertikal gewickelten Schlauchstatoren,
indem die Schläuche
auf halber Schlauchlänge
ein- oder mehrlagig um den Umlenkring (51) herumgeführt werden.
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Hierbei
ist Umlenkring (51) mittels der Verbindungselemente (50)
mit dem Versorgungsring (52) zu einem Schlauchstator verbunden.
Die Schlauchspannung kann bei dieser Anordnung derart herabgesetzt
werden, dass eine Bewegung der Schläuche im Bereich des Umlenkrings
(51) bei der Anströmung
durch das Rührer
(2) zugelassen wird, was den Partikelaustrag deutlich gegenüber stramm gewickelten
Statoren begünstigt.
Um die Gefahr des Einziehens der beweglichen Schläuche in
die Rührzone
zu verhindern, ist es erforderlich, den Bewegungsspielraum der Schläuche durch
einen oder mehrere Halteringe (54) zu begrenzen. Einer
Ablagerung der Partikel oberhalb des Versorgungsrings (52) kann
konstruktiv durch den Einbau von Abrutschflächen oder am einfachsten, wie
in 6 gezeigt, bei entsprechend über den Versorgungsring (52)
nach oben verlängerten
Rührblättern des
Rührers
(2) durch An- bzw. Überströmen erfolgen.
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9a, 9b und 9c zeigen
beispielhaft, jedoch die Erfindung nicht einschränkend, eine weitere Befestigungsmöglichkeit
des Schlauchmodulkopfs (91) mittels der am Modulkopf angebrachten Einrastelemente
(93) an einem als passendem Gegenstück ausgeformten Versorgungselement
(90). Die Abdichtung erfolgt nach dem Einrasten durch die Flächenpressung
einer in den Modulkopf (91) mit definierter Höhenlage
der Oberfläche
(92) der eingegossenen Silikon-Klebemasse (15), mit der gleichzeitig
die Schläuche
(10) in den Schlauchmodulkopf (91) eingeklebt
werden.
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Bevorzugt,
besonders bevorzugt oder ganz besonders bevorzugt sind Ausführungsformen,
welche von den unter bevorzugt, besonders bevorzugt oder ganz besonders
bevorzugt genannten Parametern, Verbindungen, Definitionen und Erläuterungen Gebrauch
machen.
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Die
in der Beschreibung aufgeführten
allgemeinen oder in Vorzugsbereichen aufgeführten Definitionen, Parameter,
Verbindungen und Erläuterungen
können
jedoch auch untereinander, also zwischen den jeweiligen Bereichen
und Vorzugsbereichen beliebig kombiniert werden.
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Überraschenderweise
ist mit den erfindungsgemäßen Modulen
die Begasung von Zellkulturbrühen
mit deutlich höherer
Zelldichten als bei herkömmlichen
Begasungstechniken möglich.
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Die
prozesstechnischen Vorteile der mit Schlauchmodulen ausgerüsteten Statoren
gegenüber
gewickelten Statoren leiten sich aus der Verwendung deutlich verkürzter Schlauchlängen ab.
Da der Druckverlust vom Längen
zu- Durchmesserverhältnis L/D
des Schlauchsegmentes abhängt,
kann bei einer Längenreduzierung
eine proportionale Verringerung des Schlauchdurchmessers ohne Druckverlustanstieg
realisiert werden. Eine Verringerung des Schlauchdurchmessers wiederum
führt bei
gleichem von den Schläuchen
im Reaktor beanspruchten Volumen zu einer Vergrößerung der spezifischen Schlauchoberfläche. Ein
weiterer entscheidender Vorteil besteht in der sich, festigkeitsbedingt,
proportional mit abnehmendem Schlauchdurchmesser verringernden erforderlichen
Wandstärke
der Schläuche.
Hieraus folgt eine Verringerung des Diffusionswiderstandes im Schlauch,
der bei einer guten Anströmung
der Membranen durch das Rührorgan
den Sauerstoffeintrag limitiert. Ein dritter Vorteil besteht im
konstruktiv bedingt höheren über der
gesamten Schlauchlänge realisierbaren Überdruck
kurzer Schlauchstücke
gegenüber
langen gewickelten Schläuchen,
bei denen der für
den Sauerstofftransport maßgebliche
Differenzdruck zwischen der Schlauchinnen- und -außenseite über der
Schlauchlänge
deutlich abfällt.
Neben dem verbesserten Sauerstofftransport in das Medium bietet
sich die Möglichkeit,
selektiv die CO2-Desorption durch ein zweites, bei niedrigeren
Drücken,
ggf. sogar im Unterdruckbereich betriebenes Versorgungsnetz zu verbessern.
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Der
durch den verbesserten Stofftransport für Sauerstoff und CO2 gewonnene Freiraum kann zur Versorgung
einer größeren Zelldichte,
zur Maßstabsvergrößerung und/oder
zur Reduzierung der Schergeschwindigkeit in den Reaktoren infolge
einer Reduzierung des Leistungseintrages genutzt werden. Überraschenderweise
lässt sich
die sehr aufwendige Herstellung eines Schlauchstators von 1-2 Tagen
durch die erfindungsgemäße Bauweise
auf eine Dauer von wenigen Minuten reduzieren. Zusätzlich kann
die Reproduzierbarkeit der Schlauchbelegung durch den Einsatz qualifizierter
Wegwerfmodule deutlich gegenüber
gewickelten Schlauchstatoren gesteigert werden, bei denen die Schlauchspannung vom
Bedienungspersonal nicht exakt eingestellt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Schlauchmodule
eignen sich prinzipiell für
den Einsatz in einer beliebigen Gaszuführung erfordernden Reaktion,
insbesondere jedoch für
die Begasung empfindlicher Zellkulturbrühen in der biotechnischen Verfahrenstechnik,
wo die besonders schonende Begasung gemäß vorliegender Erfindung ihre
ganzen Vorteile ausspielen kann.
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- (1)
- Rührwelle
- (2)
- Rührer
- (3)
- Schlauchmodul
- (4),
(5)
- Versorgungsleitung
- (6),
(7)
- Gasver-
und -entsorgung
- (8)
- Statorhöhe
- (9)
- Verbindungselemente
- (10)
- Schläuche
- (11),
(12)
- Schlauchmodulköpfe
- (13)
- Abstand
der Schläuche
in einer Lage
- (14)
- Abstand
zwischen den Schlauchlagen
- (15)
- Klebemasse
- (20),
(22), (22), (23)
- Schlauchmodulkopfstücke =Mundstücke
- (30)
- Radiale
Richtung
- (40)
- Überwurfmutter
- (41)
- Anschlussstück
- (42)
- O-Ring
- (50)
- Verbindungselement
- (51)
- Umlenkring
- (52)
- Versorgungsring
- (54)
- Haltering
- (70)
- Silikonstreifen
- (71)
- Rohr
- (72)
- Ringfassung
- (73)
- Kopfraum
- (74)
- Linie
- (90)
- Versorgungselement
- (91)
- Schlauchmodulkopf
- (92)
- Silikonoberfläche
- (93)
- Einrastelement