Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Begasungsvorrichtung für

Bioreaktoren mit einem ersten Begasungselement mit

Gasaustrittsöffnungen einer ersten Größe und mit mindestens einem zweiten Begasungselement mit Gasaustrittsöffnungen einer zweiten Größe.

Stand der Technik

Die SauerstoffVersorgung ist ein wichtiger Schlüssel bei zellulären Stoff echselvorgängen . Obwohl Tierzellkulturen wesentlich weniger Sauerstoff verbrauchen als Bakterien und Hefekulturen, ist die effiziente Versorgung die größte

Herausforderung beim Betrieb eines Zellkultur-Bioreaktors. Neben der Sauerstoff ersorgung der Zellen spielt auch die Konzentration von gelöstem Kohlendioxid als Regelgröße eine Rolle.

Es gibt zwei klassische Begasungsmethoden: Die Begasung des Kopfraumes des Bioreaktors und das direkte Einblasen der Gase durch Begasungsringe. Angewendet werden dabei sowohl die aus Fermentern bekannten Begasungsringe mit Bohrungen bzw. Gasaustrittsöffnungen von z.B. 0,8 mm als auch so genannte Mikrosparger aus gesinterten Kunststoffen mit Porengrößen von z.B. 20 bis 45 μιη, die ebenfalls Gasaustrittsöffnungen bilden. Beide Typen haben spezielle Vor- bzw. Nachteile. Der Begasungsring erzeugt größere Blasen, daher sind für die gleiche „Sauerstofftransferrate" größere Gasdurchsatzraten nötig. Der Ringsparger ist mit seinen relativ großen Blasen zum CC> ₂ -Strippen bzw. Austreiben durch z.B. Luft geeignet. Der Mikrosparger mit seinen relativ kleinen Blasen ist besonders zur SauerstoffVersorgung geeignet. Nachteilig dabei ist jedoch, dass es wegen der relativ kleineren Blasen unter ungünstigen Bedingungen zur Schaumbildung kommen kann.

Die Begasungsvorrichtungen werden als Teil von

automatisierten Begasungssystemen von Bioreaktoren,

beispielsweise Einwegreaktoren eingesetzt, wobei die Zufuhr von Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff unabhängig voneinander regelbar ist. Sensoren für den Sauerstoff- Partialdruck und den pH-Wert ermöglichen die Regelung dieser wichtigen Prozessparameter.

Aus der WO 2009/122310 A2, WO 2009/115926 A2 und der WO

2009/116002 AI ist ein Einweg-Bioreaktor mit einem Mischer und mit einer am Boden des Reaktorinnenraumes angeordneten Begasungsvorrichtung bekannt. Dabei ist es bekannt, am Boden zwei Begasungselemente anzuordnen, die als gegenüberliegende ineinander greifende Ringsegmente ausgebildet sind.

Nachteilig bei dieser Begasungsvorrichtung, die sich

grundsätzlich bewährt hat, ist, dass sie zum einen relativ aufwendig am Reaktorboden zu befestigen ist und dass es zum anderen schwierig ist, eine Mehrzahl solcher

Begasungselemente optimal zum Rührer bzw. Mischer anzuordnen.

Weiterhin ist aus der WO 2008/088371 A2 eine

Begasungsvorrichtung für Bioreaktoren bekannt, bei der beispielsweise zwei Begasungselemente mit unterschiedlichen Gasaustrittsöffnungen am Reaktorboden befestigbar sind.

Nachteilig dabei ist, dass die Begasungselemente relativ aufwendig am Reaktorboden befestigt sind. Weiterhin

nachteilig dabei ist, dass das einzelne Begasungselement dabei nicht optimal zum Mischer angeordnet ist.

Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die

bekannten Begasungsvorrichtungen für Bioreaktoren so zu verbessern, dass sie einerseits einfacher zu befestigen sind und andererseits jedes Begasungselement eine optimale

Position zu einem im Reaktorinnenraum angeordneten

Mischelement aufweist.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass die Begasungselemente von einem gemeinsamen Gehäuse mit getrennten Begasungskanälen gebildet werden. Durch das gemeinsame Gehäuse lässt sich die

Begasungsvorrichtung bei geringem Platzbedarf einfach und zentral zu einem Mischer anordnen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Gehäuse als eine ringförmige Scheibe ausgebildet, in der die mindestens zwei Begasungselemente konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die konzentrische Anordnung der

Begasungselemente ermöglicht eine optimale Anordnung bez. eines Mischers bzw. Rührers.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Begasungselement als ein Ringsparger mit

Gasaustrittsöffnungen von größer als 0,1 mm Durchmesser ausgebildet, während das zweite Begasungselement als ein Mikrosparger mit Gasaustrittöffnungen von kleiner als 0,1 mm Durchmesser ausgebildet ist. Dabei werden die

Gasaustrittsöffnungen des Mikrospargers von einem porösen Material, beispielsweise gesinterten Kunststoff, gebildet. Damit sind auf engem Raum in einem gemeinsamen Gehäuse sowohl ein Ringsparger als auch ein Mikrosparger platzsparend angeordnet .

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung ist das erste Begasungselement und das zweite

Begasungselement als Ringsparger mit jeweils zwei verschieden großen Gasaustrittsöffnungen ausgebildet, wobei die

Gasaustrittsöffnungen größer als 0,1 mm sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung ist das erste Begasungselement und das zweite Begasungselement als Microsparger mit jeweils zwei verschieden großen Gasaustrittsöffnungen ausgebildet, wobei die Gasaustrittsöffnungen kleiner als 0,1 mm sind.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Gehäuse ein Unterteil auf, in dem die

Begasungskanäle mit jeweils einem radial verlaufenden Zufluss angeordnet sind. Damit weist jeder der separat voneinander angeordneten Begasungskanäle einen eigenen radial

verlaufenden Zufluss auf.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung ist das Unterteil von einem Oberteil abgedeckt, das den Begasungskanal des Ringspargers abdeckt und die

Gasaustrittsöffnungen aufweist.

Im Bereich des Mikrospargers weist das Oberteil zum

Begasungskanal hin segmentförmige Öffnungen auf, wobei der Begasungskanal von einem ringförmigen Belüftungsring aus dem die Gasaustrittsöffnungen bildenden porösen Material

abgedeckt bzw. abgedichtet ist. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Belüftungsring direkt in das Oberteil einzusetzen .

Das Oberteil lässt sich gegenüber dem Unterteil relativ einfach durch Dichtungen, beispielsweise Schnurringdichtungen bzw. O-Ringe, abdichten.

Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das Oberteil mit dem Unterteil entweder verschweißt oder verklebt sein. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung weisen die Zuflüsse zur unabhängigen Versorgung der Begasungskanäle jeweils einen Schlauchanschluss mit einem Rückschlagventil auf. Die Rückschlagventile verhindern zuverlässig einen Medienrückfluss aus dem Reaktorinnenraum in die Begasungsvorrichtung.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung weist das Gehäuse eine zentrale auf einen

Rührerflansch des Bioreaktors abgestimmte Öffnung auf und ist einem Rührer vorgelagert am Boden eines Innenraums des

Bioreaktors anordenbar. Durch die zentrale Öffnung der

Begasungsvorrichtung ist diese optimal zu einem im

Reaktorinnenraum angeordneten Rührer positionierbar.

Durch unterschiedliche Größen können die Volumenströme der Begasungselemente an das Reaktorvolumen angepasst werden. Insbesondere ist bei dem Ringsparger die Lochzahl auf das Reaktor- bzw. Nutzvolumen abstimmbar. Beispielsweise kann je 10 Liter Nutzvolumen ein Loch im Ringsparger angeordnet sein. Bei dem Mikrosparger wird dessen Fläche ebenfalls an das Reaktorvolumen angepasst, beispielsweise 2 bis 2,5 cm ² je 10 Liter Nutzvolumen. Damit kann eine konstante

Blasengrößenverteilung bei beliebiger Skalierbarkeit des Reaktorvolumens erreicht werden.

Neben der Anzahl der Gasaustrittsöffnungen bzw. Löcher kann auch deren Größe den gewünschten Volumenströmen angepasst werden. Entsprechend kann bei den Mikrospargern die Porosität und deren Fläche angepasst werden. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Unterteil einen durchgehenden, kreisförmigen Boden auf und ist durch Schraub-, Bajonett-, Rast-, Klemm-, Kleboder Klippverbindung dichtend in den Boden des Bioreaktors einsetzbar .

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der

Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 : eine Draufsicht auf eine Begasungsvorrichtung

mittlerer Größe in vergrößerter Darstellung,

Figur 2 : eine Seitenansicht der Begasungsvorrichtung von

Fig. 1 entlang der Linie II - II geschnitten,

Figur 3: eine Seitenansicht der Begasungsvorrichtung von

Fig. 1 entlang der Linie III - III geschnitten,

Figur 4: eine Draufsicht auf eine weitere

Begasungsvorrichtung mit gegenüber der Begasungsvorrichtung von Fig. 1 kleinerer Größe,

Figur 5: eine Draufsicht auf eine weitere

Begasungsvorrichtung mit gegenüber der Begasungsvorrichtung von Fig. 1 größerer Größe und

Figur 6 : eine Seitenansicht eines Bioreaktors mit Rührer und einer Begasungsvorrichtung.

Figur 7 : eine Seitenansicht eines weiteren Bioreaktors mit einer Begasungsvorrichtung deren Unterteil über einen durchgehenden Boden durch eine Schraubverbindung in den Boden des Bioreaktors einsetzbar ist und.

Figur 8: eine Seitenansicht eines weiteren Bioreaktors mit einer Begasungsvorrichtung deren Unterteil über einen durchgehenden Boden durch eine Rastverbindung in den Boden des Bioreaktors einsetzbar ist.

Beschreibung der Äusführungsbeispiele

Eine Begasungsvorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2 mit einem ersten Begasungselement 3 und einem zweiten Begasungselementen 4.

Das Gehäuse 2 besteht aus einem Unterteil 5 und einem auf das Unterteil 5 aufsetzbaren Oberteil 6. Das Unterteil 5 weist zwei konzentrisch zueinander angeordnete Begasungskanäle 7, 8 auf. Die Begasungskanäle 7,8 sind in vertikaler Richtung nach unten von einem Boden 9 des Unterteils 5 begrenzt. Der erste Begasungskanal 7 wird seitlich von der äußeren Wandung 10 und zum zweiten Begasungskanal 8 hin von einer Zwischenwandung 11 begrenzt. Entsprechend wird der zweite Begasungskanal 8 zum ersten Begasungskanal 7 hin von der Zwischenwandung 11 und auf seiner dem ersten Begasungskanal 7 abgewandten Seite durch eine innere Wandung 12 des Unterteils 5 begrenzt.

Der zweite Begasungskanal 8 weist auf seiner dem Boden 9 abgewandten Seite einen ringförmigen Absatz 13 auf, in den ein ringförmiger Belüftungsring 14 einsetzbar ist, der den zweiten Begasungskanal 8 in vertikaler Richtung nach oben hin abschließt. Der Belüftungsring 14 besteht aus einem

gesinterten porösen Material, das die Gasaustrittsöffnungen des zweiten Begasungselementes 4 bildet, das als ein

sogenannter Mikrosparger 15 ausgebildet ist. Entsprechend weist der Belüftungsring 14 Gasaustrittsöffnungen auf, deren Durchmesser kleiner als 0,1 mm ist.

Dass auf das Unterteil 5 aufsetzbare Oberteil 6 verschließt den ersten Begasungskanal 7 und bildet mit diesem das erste Begasungselement 3. Hierzu weist das Oberteil 6 im Bereich des Begasungskanals 7 Gasaustrittsöffnungen 36 auf, deren Durchmesser größer als 0,1 mm ist. Das erste Begasungselement 3 bildet dabei einen so genannten Ringsparger 16.

Das Oberteil 6 weist im Bereich des zweiten Begasungskanals 8 segmentförmige Öffnungen 17 auf, die den Belüftungsring 14 in seinen wesentlichen Bereichen mit den Gasaustrittsöffnungen 36 freigeben.

Zur Abdichtung zwischen Unterteil 5 und Oberteil 6 sind auf den Wandungen 10, 11, 12 jeweils Dichtungen 18, 19, 20 angeordnet, die als Schnurringdichtungen bzw. O-Ringe

ausgebildet sind.

Der erste Begasungskanal 7 weist einen radial verlaufenden ersten Zufluss 21 auf, der in einen Schlauchanschluss 22 mündet. Entsprechend weist der zweite Begasungskanal 8 einen zweiten radial verlaufenden Zufluss 23 auf, der in einen Schlauchanschluss 24 mündet. In den Schlauchanschlüssen 22, 24 oder in den Zuflüssen 21, 23 können nicht dargestellte Rückschlagventile angeordnet sein.

Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei weitere Ausführungsbeispiele der Begasungsvorrichtung, die eine beliebige Skalierbarkeit der Begasungsvorrichtung für den Übergang von einem kleineren auf ein größeres Reaktornutzvolumen ermöglichen. Diese

Skalierbarkeit wird zum einen durch die Variation der Anzahl der Gasaustrittsöffnungen 36 im Ringsparger 3 erreicht und zum anderen durch die Anzahl und Flächenausdehnung der segmentförmigen Öffnungen 17 des Belüftungsrings 14, in welchem sich das poröse, gasdurchlässige Material befindet. Bevorzugt weist der Belüftungsring 14 eine

Gasdurchtrittsöffnung 36 pro 10 1 Reaktornutzvolumen auf, während die Flächenausdehnung der segmentfömigen Öffnungen 17 mit porösem Material bevorzugt 2 bis 2,5 cm ² pro 10 1

Reaktornutzvolumen beträgt.

Figur 6 zeigt beispielhaft einen Biorektor 25, der

beispielsweise als ein flexibler Beutel zum Einmalgebrauch ausgebildet und einen von außerhalb antreibbaren Rührer 26 mit Rührerblättern 27 aufweist. Der Bioreaktor 25 weist einen Innenraum 30 auf, an dessen Boden 29 ein Rührerflansch 31 angeordnet ist. In dem Rührerflansch ist der Rührerschaft 28 drehbar gelagert. Mit ihrer zentralen Öffnung 32 ist die Begasungsvorrichtung 1 auf einen Bund 33 des Rührerflansches 31 aufgesteckt. Über eine erste Zuflussleitung 34 wird dem ersten Zufluss 21 und über eine zweite Zuflussleitung 35 wird dem zweiten Zufluss 23 Gas zugeführt, das aus der

Begasungsvorrichtung 1 austritt und in dem flüssigen Medium 37 im Innenraum 30 Blasen bildet.

Weitere vorhandene Zu- und Abflüsse sowie Steuer- und

Regeleinrichtungen sind nicht dargestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das

Dimensionierungsverhältnis zwischen dem Durchmesser der

Begasungsvorrichtung 1 und dem Durchmesser des Bioreaktors 25 bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5, besonders bevorzugt 0,240. Das Dimensionierungsverhältnis zwischen der

Begasungsvorrichtung 1 und dem Durchmesser der Rührblätter 27 beträgt zwischen 0,4 und 0,7, bevorzugt 0,622.

Bei einer bevorzugten Bauform der Begasungseinrichtung ist das Ober- und Unterteil der Begasungseinrichtung aus mit Gammastrahlung sterilisierbarem Kunststoff, bevorzugt

Polycarbonat , gefertigt, während das poröse Material in den segmentförmigen Öffnungen 17 aus Polyethen besteht.

Bei weiteren Ausführungsformen nach den Figuren 7 und 8 kann die Begasungseinrichtung 1 über eine Schraub-, Bajonett-, Rast-, Klemm-, Kleb- oder Klippverbindung am Unterteil 5 der Begasungseinrichtung 1 ggf. unter Verwendung von

Dichtelementen in einer kreisf rmigen Öffnung im unteren Teil des Bioreaktors 25 fixiert werden und ggf. nach Benutzung ausgetauscht werden. Bei dieser Ausführungsform weist das Unterteil 5 einen durchgängigen, kreisförmigen Boden (9 ^' ) auf. Der Boden 9 ^Λ kann mit dem Boden 9 fest verbunden sein oder statt des in den Figuren 2 und 3 gezeigten ringförmigen Bodens 9 den Boden des Unterteils 5 bilden. Für das Einsetzen der Begasungsrichtung in den unteren Teil des Bioreaktors ist es vorteilhaft, wenn wenigstens ein Teil des Bodens 29 des Bioreaktors 25 um die kreisförmige Öffnung aus einem starren Material gefertigt ist. Durch Verrastung über die umlaufende Rastnase 38 oder Verschraubung über das Gewinde 41 des

Zentralstücks 39, 40 der Begasungseinrichtung 1 mit dem

Klemmteil 41, 42 wird die Begasungseinrichtung 1 fluiddicht in dem Bioreaktorboden 29 fixiert. Diese Ausführungsform erlaubt den flexiblen Einsatz und Austausch der

Begasungseinrichtung sowohl in Einweg- als auch in

Mehrwegbioreaktoren .