Flexibler Beutel mit einer Mischvorrichtung

Die Erfindung betrifft einen flexiblen Beutel mit einer Mischvorrichtung, deren Mischerschaft in seiner Länge verstellbar ist, insbesondere für die Verwendung als Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen und Zellen oder als Mischvorrichtung für Medien oder zum Lösen oder Suspendieren von Stoffen in Flüssigkeiten, wie etwa zur Herstellung von Pufferlösungen.

Bioreaktoren, in denen das Kulturmedium in flexiblen Beuteln aus Polymermaterial aufgenommen wird, sind für einen Volumenbereich erhältlich, der sich von wenigen Litern bis hin zu mehreren hundert Litern erstreckt. Besonders bei Beuteln mit großen Volumina erweist sich die Durchmischung des Kulturmediums, durch die ein einheitlicher Sauerstoffpartialdruck gewährleistet werden soll, als problematisch. Zum Zweck der Durchmischung kommen sehr häufig rotierende Rührstäbe zum Einsatz, die aus einem Mischerschaft und einem oder mehreren Rührelementen, wie z.B. Propellern bestehen und die in den Innenraum des Beutels eingebracht werden. Daneben gibt es auch Rührelemente in Form von Paddeln oder vertikal vibrierenden Mischerplatten. Da bei einem Einwegbioreaktor idealer weise sämtliche Teile, die während der Kultivierung mit Zellen in Kontakt kommen, entsorgt werden können, ist es von Vorteil, auch den Mischerschaft aus günstigem Plastikmaterial herzustellen.

Hinsichtlich der Lagerung und des Transports von Einwegbioreaktoren mit einem Volumen von 200 bis 1000 Litern stellt der Mischerschaft im Gegensatz zum Beutel, der gefaltet und komprimiert werden kann, ein Problem dar, da seine Länge leicht die Größe der gängigen Verpackungs- und Lagereinheiten übertrifft.

Auch nach der Kultivierung kann es von Vorteil sein, den Beutel wieder auf ein kleineres Format zu bringen, z.B. wenn das zellhaltige Kulturmedium gekühlt und gelagert werden

soll. In diesem Fall könnte das im Kopfraum des Beutels befindliche Gas abgelassen werden, wodurch die Höhe des Beutels in der Regel um ein Drittel reduziert werden könnte, was jedoch einen längenverstellbaren Mischerschaft voraussetzen würde. Ein ähnlich gelagertes Problem tritt auf, wenn die im Beutel enthaltenen Zellen oder Mikroorganismen nach einer fehlgeschlagenen Kultivierung durch Hitze abgetötet werden sollen, und der Mischerschaft sich für den Autoklaven als zu sperrig erweist.

Aus der Deutschen Patentanmeldung 10 2006 021 984 Al ist es bekannt, einen Mischerschaft aus mehreren separaten Teilen zusammen zu setzen, mit dem Ziel, Bioreaktoren verschiedener Größe mit einheitlichen Mischerbauteilen ausstatten zu können. Grundsätzlich wäre es auch für die Verringerung der Lager- und Transporthöhe des Beutels möglich, den Mischerschaft in mehreren Einzelteilen zu liefern, wie in DE 10 2006 021 984 Al beschrieben, und die Mischvorrichtung erst vor der Inbetriebnahme zu montieren. Dieses Vorgehen scheitert jedoch daran, dass sich die separaten Mischerschaftteile bei der Anlieferung bereits vorsterilisiert im Innenraum des sterilen Beutels befinden und deshalb kaum zum Mischerschaft zusammen gesetzt werden könnten, ohne den sterilen Innenraum des Beutels zu öffnen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen flexiblen Beutel mit einer Mischvorrichtung vorzuschlagen, deren Mischerschaft auf einfache Art und Weise im sterilen Innenraum des Beutels von einer verkürzten Transport-/Lagerlänge in eine verlängerte Betriebslänge überführbar ist, ohne dass dabei die sterile Hülle des Bioreaktors geöffnet werden muss, bzw. der wieder auf seine ursprüngliche Transport-/Lagerlänge reduzierbar ist, ohne dass dabei der Beutel geöffnet werden müsste.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen längenverstellbaren Mischerschaft gelöst. Die Erfindung umfasst einen flexiblen Beutel mit einer Mischvorrichtung, die einen längenverstellbaren Mischerschaft aufweist, der in mindestens zwei oder mehrere Schaftelemente unterteilt ist, wobei ein erstes von zwei benachbarten Schaftelementen einen Hohlkörper aufweist, in dem ein Füllkörper des zweiten Schaftelements verschiebbar aufgenommen ist.

Zumindest die beiden äußeren Schaftelemente sind dabei auf der, dem Beutel zugewandten Seite geschlossen.

Die Hohlkörper eines ersten von zwei benachbarten Schaftelementen und der Füllkörper des zweiten Schaftelements weisen eine gemeinsame, geschlossen umlaufende Kontur auf, wobei drehrunde, ovale oder vieleckige Konturen bevorzugt sind.

In einer bevorzugten Ausführung befindet sich im Spalt zwischen dem Hohlkörper des ersten Schaftelements und dem Füllkörper des zweiten Schaftelements mindestens ein elastisches Element, wobei das mindestens eine elastische Element bevorzugt aus zwei beabstandeten Ringen besteht, die beispielsweise aus einem Kunststoff, wie Gummi, Silikon gefertigt sein können. Zur Befestigung können die beiden beabstandeten Ringe teilweise in eine Nut eingelassen sein, die sich auf dem Füllkörper des zweiten Schaftelements oder in dem Hohlkörper des ersten Schaftelements befindet oder durch Mehr-, insbesondere 2-K-Technologie (Mehr- und 2-K stehen für Mehrkomponenten- und zwei Komponenten in der Spritzgusstechnologie) an den Füllkörper des zweiten Schaftelements oder an den Hohlkörper des ersten Schaftelements angeformt sein.

Im Falle einer drehrunden Ausführung des Hohlkörpers und des Füllkörpers überträgt das mindestens eine elastische Element bei der Rotation des Mischerschaftes ein Drehmoment zwischen dem Hohlkörper des ersten Schaftelements und dem Füllkörper des zweiten Schaftelements, wobei das übertragene Drehmoment bevorzugt 0 bis 50 Nm beträgt.

Eine weitere Funktion des mindestens einen elastischen Elements besteht darin, den Hohlraum im Inneren des Mischerschaftes gegen Flüssigkeiten aus dem Innenraum des Beutels abzudichten, wobei der Hohlraum im Inneren des Mischerschaftes mit dem Innenraum des Beutels durch einen Kanal in Verbindung steht, der einen Druckausgleich zulässt. In einer bevorzugten Ausführung verbindet der Kanal für den Druckausgleich den Hohlraum im Inneren des Mischerschaftes mit dem gasgefüllten Kopfraum des Beutels. In

einer abgewandelten Ausführung kann der Kanal gegen Flüssigkeiten durch eine mikroporöse, hydrophobe Membran abgedichtet sein.

In einer weiteren Ausführungsform kann jedes der Schaftelemente mit mindestens einem Rührelement bestückt sein.

Zum Arretieren des Mischerschaftes in einer bestimmten Stellung kann der Hohlkörper und/oder der Füllkörper eine Nut aufweisen, in die eines der in einer Nut sitzenden bzw. durch 2-K.-Technologie angeformten elastischen Elemente einrastbar ist.

Prinzipiell sind viele Varianten denkbar, eine Längenverstellung des Mischerschaftes in einem Bioreaktor durchzuführen. Unter der Voraussetzung, dass der Mischerschaft nur indirekt über die relativ rigide Hülle des Beutels manipuliert werden kann (wie in der Aufgabenstellung formuliert), hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen die Verbindung der Schaftelemente ausziehbar zu gestalten, wobei ein erstes von zwei benachbarten Schaftelementen einen Hohlkörper aufweist, in dem ein Füllkörper eines zweiten Schaftelements, longitudinal verschiebbar aufgenommen ist. Die Längenverstellung ist insbesondere dann einfach durchführbar, wenn der Mischerschaft durchgehend ausgeführt ist, d.h. wenn das erste Ende des Mischerschaftes oben und das zweite Ende unten im Beutel gelagert ist, womit die Enden als Angriffspunke für die Längenverstellung dienen können.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, in dem Spalt zwischen dem Hohlköper eines ersten von zwei benachbarten Schaftelementen und dem Füllkörper des zweiten Schaftelements mindestens ein elastisches Element einzubringen. Dieses mindestens eine elastische Element, besteht dabei bevorzugt aus zwei beabstandeten Ringen, die aus einem Kunststoff wie etwa Gummi gefertigt sein können. Die Ringe übernehmen zwei wichtige Funktionen für die Verbindung des Hohlkörpers mit dem Füllkörper: Zum einen gewährleisten sie durch einen engen Kontakt mit dem Füllkörper und mit dem Hohlkörper, dass das Drehmoments des rotierenden Mischerschaftes, zwischen dem Hohlkörper und dem Füllkörper und somit zwischen den beiden Schaftelementen übertragen wird. Zum

zweiten wird der Hohlkörper des ersten Schaftelements durch die Ringe gegen Flüssigkeiten aus dem Innenraum des Beutels abgedichtet. Dies ist besonders wichtig, da sich im Mischerschaft bei ausgezogenem Füllkörper ein Hohlraum ausbildet, der sich ohne Dichtung mit Kulturmedium und absterbenden Zellen anfüllen würde, was sich auf die Gesamtkultur negativ auswirken könnte.

Der Einsatz eines elastischen Elements, z.B. in Form von Ringen, hat außerdem den erheblichen Vorteil, dass die Arretierung einer gewünschten Länge des Mischerschaftes allein schon durch die zwischen dem Hohlkörper, dem elastischen Element und dem Füllkörper wirkende Reibungskraft gewährleistet ist. Auf andere Arretierungsmechanismen, in etwa Kugelrasten, die metallische Bauteile aufweisen, kann beim Einsatz von elastischen Elementen deshalb verzichtet werden. Dies bringt Vorteile mit sich, wenn der Beutels mit Gammastrahlen sterilisiert werden soll, da die metallischen Bauteile Keime von den Strahlen abschirmen könnten.

Der Querschnitt des Hohlköpers und des Füllkörpers kann grundsätzlich eine Vielzahl von Formen annehmen, wobei drehrunde Hohlkörper und Füllkörper den Vorteil haben, dass sie leicht zu fertigen sind, und eine Abdichtung des Hohlkörpers des ersten Schaftelements durch runde elastische Elemente erheblich einfacher ist, als bei nicht-drehrunden Ausführungen.

Nicht drehrunde Hohlköper und Füllkörper haben dagegen den Vorteil, dass das beim Rühren auftretende Drehmoment schon aufgrund der Verrastung der Formen zwischen den beiden Schaftelementen übertragbar ist.

Die Befestigung des elastischen Elements erfolgt bevorzugt, indem eine Nut in den Füllkörper oder in den Hohlkörper eingebracht wird, in welcher das elastische Element teilweise eingelassen wird. Alternativ kann das elastische Element auch durch 2-K- Technologie an den Füllkörper den Hohlkörper angebracht werden.

Um eine bestimmte Länge des Mischerschaftes zu arretieren, kann einer der Ringe, der sich auf dem Füllkörper befindet in eine Nut, die in die Innenseite des Hohlkörpers eingearbeitet ist einrasten.

Die Verwendung mindestens eines elastischen Elements zwischen dem ersten und dem zweiten Schaftelements ist gerade für drehrunde Hohlkörper und Füllkörper eine bevorzugte Lösung, da das Drehmoment des Rührstabes, das zum Durchmischen eines Einwegbioreaktor aufgewendet werden muss, in der Regel nicht sehr groß ist. Dies bedeutet, dass die für das Rühren zwischen den Ringen und den beiden Schaftelementen wirkende Reibungskraft ebenfalls nicht sehr groß sein muss. Stellt man die Reibungskraft über den Anpressdruck der Ringe gerade so groß ein, dass das zum Rühren maximal notwendige Drehmoment übertragen werden kann, so ist auch die Reibungskraft, die bei dem longitudinalen Verschieben während der Längenverstellung auftritt, relativ gering und kann in der Regel manuell überwunden werden (vgl. Ausführungsbeispiel 1).

Mit anderen Worten, Ringe mit passend ausgewähltem Anpressdruck erlauben zum einen das für die Längenverstellung notwendige, longitudinale Verschieben der Schaftelemente unter moderatem Kraftaufwand und verhindern zum anderen jedoch ein radiales Gleiten der Ringe auf dem Hohlkörper oder dem Füllkörper beim Rühren.

Darüber hinaus übernehmen die Ringe auch eine wichtige Dichtungsfunktion, indem sie verhindern, dass Kulturmedium aus dem Innenraum des Beutels in einen Hohlraum des Mischerschaftes eindringt. Dieser Hohlraum ist zumindest dann vorhanden, wenn ein ausgezogener Mischerschaft vorliegt. In diesem Fall umfasst der Hohlraum zumindest einen Teil des Hohlkörpers eines ersten von zwei benachbarten Schaftelementen, aus dem der Füllkörper des zweiten Schaftelements teilweise herausgezogen wurde. Der Hohlraum im Inneren des Mischerschaftes kann sich auch über mehrere Schaftelemente erstrecken, z.B. wenn der Füllkörper des zweiten von zwei benachbarten Schaftelementen seinerseits hohl ausgebildet ist. Durch die Abdichtung wird verhindert, dass sich im Hohlraum im Inneren des Mischerschaftes ein mit Kulturmedium und absterbenden Zellen gefülltes Totvolumen ausbilden, was sich negativ auf die gesamte Kultur auswirken könnte.

Aufgrund der Abdichtung des Hohlraums im Inneren des Mischerschaftes durch die Ringe, oder ein anders geartetes elastische Element muss allerdings dafür gesorgt werden, dass beim Ausziehen des Schaftes ein Druckausgleich statt findet, da sich andernfalls im Innern des Mischerschaftes ein Unterdruck ausbilden würde, der die ausgezogenen Schaftelemente in ihre Ausgangsposition zurück zwingen würde. Dieser Druckausgleich wird erfindungsgemäß durch in den Hohlraum des Mischerschaftes nachströmendes Gas gewährleistet. Die Zufuhr dieses Gases erfolgt über einen Kanal, der den Hohlraum bevorzugt mit dem gasgefüllten Kopfraum des Bioreaktors verbindet. Eine andere Lösung, bei der der Kanal den Hohlraum im Inneren des Mischerschaftes mit einem Gasvolumen außerhalb des Beutels in Verbindung steht, ist ebenso denkbar, jedoch besteht hier die Gefahr einer Kontamination des Beutelinnenraums. Vorzugsweise weist der Kanal gegenüber dem Kopfraum des Beutels oder gegenüber dem Gasvolumen außerhalb des Beutels einen hydrophoben, für Gase durchlässigen aber für Mikroorganismen und Zellen undurchlässigen Filter auf.

Ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Mischerschaft stufenlos verstelltbar ist. Der Mischerschaft kann somit für Bioreaktoren verschiedenster Größe verwendet werden. Außerdem stellt die Vermeidung mechanischer Kleinteile wie Kugelrasten, insbesondere solche aus Metall, einen Vorteil dar, wenn der Beutel mit Hilfe von Gammastrahlen sterilisiert werden soll, da jedes Metallteil Keime von der Strahlung abschirmen könnte.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Figuren und Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Dabei zeigen

Figur 1 den Beutel mit Mischvorrichtung in übersicht und

Figur 2 die Verbindung von zwei Schaftelementen im Detail.

Gemäß Figur 1 befindet sich im Beutel 1, ein Innenraum 2, der einen Rührstab bestehend aus zwei Rührelementen 3 und einem Mischerschaft aufnimmt. Der Mischerschaft besteht aus einem ersten Schaftelement 4 und einem zweiten Schaftelement 5. Dabei weist das erste Schaftelement einen Hohlkörper 6 auf, indem ein Füllkörper 7 des zweiten Schaftelements verschiebbar gelagert ist.

Gemäß Figur 2 sind in das erste Schaftelement 4 zwei Nuten 8 eingearbeitet, in denen jeweils ein Ring 9 eingelassen ist. Im Hohlkörper 6 des ersten Schaftelements 4 befindet sich ein Kanal 10, der den Hohlraum des Hohlkörpers mit dem Innenraum 2 des Beutels verbindet. Die Verbindung ist vorzugsweise mit einem hydrophoben für Gase durchlässigen und für Mikroorganismen und Zellen undurchlässigen Filter, welcher über die öffnung gesiegelt ist, abgedeckt (nicht dargestellt).

Ausführungsbeispiel 1

Zwei O-Ringe mit einem Radius von 1 cm sollen ein Drehmoment von maximal 5 Nm übertragen. Die dafür notwendige Reibungskraft F _R zwischen den O-Ringen, dem

Hohlkörper und dem Füllkörper ergibt sich aus dem maximalen Drehmoment M _m , und dem Umfang der O-Ringe U. U = 2rπ = 0,0628 m

F _r = M _m / U = 5 Nm / 0,0628 = 81 N

Dementsprechend ist eine Kraft von ca. 80 N ausreichend, um die Reibungskraft der O-

Ringe zu überwinden und eine Längenverstellung des Mischerschaftes durchzuführen.

Eine Kraft, die manuell oder durch die Hilfe einfacher mechanischer Vorrichtungen leicht aufgebracht werden kann.