Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Begasungsvorrichtung für

Bioreaktoren mit einem Begasungselement mit

Gasaustrittsöffnungen .

Stand der Technik

Die Gasversorgung und insbesondere die SauerstoffVersorgung ist ein wichtiger Schlüssel bei zellulären

StoffWechselvorgängen. Obwohl Tierzellkulturen wesentlich weniger Sauerstoff verbrauchen als Bakterien und

Hefekulturen, ist die effiziente Versorgung die größte

Herausforderung beim Betrieb eines Zellkultur-Bioreaktors. Neben der SauerstoffVersorgung 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 60 um, 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 C0 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 kleinen Blasen unter ungünstigen Bedingungen zur

Schaumbildung kommen kann. Aufgrund seiner unterschiedlichen Porengrößen des gesinterten Materials, die zwangsläufig unmittelbar beabstandete Gasaustrittsöffnungen mit einer Größe zwischen etwa 20 bis etwa 70 m bilden, erzeugt der Mikrosparger Gasblasen in einem relativ breiten Bereich von etwa 2 mm bis etwa 10 mm Durchmesser.

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 sind Einweg-Bioreaktoren 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.

Soweit dabei Mikrosparger eingesetzt werden, weisen sie die oben beschriebenen Nachteile auf.

Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die

bekannten als Mikrosparger ausgebildeten

Begasungsvorrichtungen für Bioreaktoren so zu verbessern, dass die Blasenbildung des als Mikrosparger ausgebildeten Begasungselementes bei einfachem Aufbau in einem enger und besser definierbaren Bereich ermöglicht wird.

Darstellung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass das Begasungselement als ein Mikrosparger ausgebildet ist, dessen

Gasaustrittsöffnungen jeweils beabstandet zueinander

angeordnet sind und eine Größe zwischen 100 pm und 200 m aufweisen .

Während bei der bekannten Verwendung von porösem Material die mit einander unmittelbar beabstandeten Gasaustrittsöffnungen unterschiedliche Größen zwischen 20 bis 60 pm aufweisen, wird bei den beabstandeten Gasaustrittsöffnungen auf poröses

Material verzichtet, so dass die Gasaustrittsöffnungen alle die gleiche vorgegebene Größe aufweisen, die zwischen 100 μπι und 200 μπι liegen kann.

Bevorzugt werden dabei für den Mikrosparger

Gasaustrittsöffnungen mit einem Durchmesser zwischen 130 m und 180 pm und nach einer weiteren bevorzugten

Ausführungsform der Erfindung Gasaustrittsöffnungen mit einem Durchmesser von etwa 150 um verwendet.

Überraschend hat sich für den Fachmann gezeigt, dass einander beabstandete Gasaustrittsöffnungen mit relativ großen

Durchmessern von etwa 150 m Gasblasen in einem relativ eng definierten Bereich von 2 bis 6 mm erzeugen können.

Das Gehäuse lässt sich durch den Verzicht auf poröses

Material zudem erheblich vereinfachen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung ist mindestens ein zweites Begasungselement mit Gasaustrittsöffnungen einer zweiten Größe vorgesehen, wobei 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 des Bioreaktors anordnen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung ist das Gehäuse als eine ringförmige Scheibe ausgebildet ist, in der die Begasungselemente konzentrisch angeordnet sind.

Die konzentrische Anordnung der Begasungselemente zueinander ermöglicht eine optimale Anordnung bezüglich eines Mischers bzw. Rührers, welcher wiederum die Gasblasen in einer

derartigen Anordnung optimal verteilen kann.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Begasungselement als ein Sparger oder

Ringsparger ausgebildet, dessen Gasaustrittsöffnungen jeweils beabstandet zueinander angeordnet sind und eine Größe

zwischen 600 μπι und 1000 μι aufweisen. Bevorzugt weisen die Gasaustrittsöffnungen des als Sparger ausgebildeten zweiten Begasungselementes eine Größe von 800 um auf. Dabei lassen sich Gasblasen mit einem Durchmesser zwischen 8 und 12 mm erzeugen .

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 Spargers und den Begasungskanal des Mikrospargers abdeckt und die Gasaustrittsöffnungen der

Begasungselemente aufweist.

Das Oberteil lässt sich gegenüber dem Unterteil relativ einfach durch Dichtungen, beispielsweise Schnurringdichtungen bzw. O-Ringe, abdichten. Ebenso lässt sich das Oberteil mit dem Unterteil verkleben bzw. durch Verschweißen fest

miteinander verbinden.

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 den Begasungselementen die Lochzahl auf das Reaktor- bzw. Nutzvolumen abstimmbar. Damit kann eine konstante Blasengrößenverteilung bei beliebiger

Skalierbarkeit des Reaktorvolumens erreicht werden.

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 Seitenansicht in vergrößerter Darstellung einer Gasaustrittsöffnung mit einem Durchmesser von 800 pm eines als Sparger ausgebildeten

Begasungselementes und austretenden Gasblasen,

Figur 5: ein Diagramm der Anzahl Gasblasen in Abhängigkeit von ihrer Größe ( Durchmesser) nach Fig. 4,

Figur 6: eine Seitenansicht in vergrößerter Darstellung einer Gasaustrittsöffnung mit einem Durchmesser von 150 um eines als Mikrosparger ausgebildeten Begasungselementes und austretenden Gasblasen,

Figur 7: ein Diagramm der Anzahl Gasblasen in Abhängigkeit von ihrer Größe ( Durchmesser) nach Fig. 6, Figur 8: eine Seitenansicht in vergrößerter Darstellung von Gasaustrittsöffnungen mit Durchmessern zwischen 20 und 60 pm eines als Mikrosparger mit porösem Material nach dem Stand der Technik ausgebildeten Begasungselementes und austretenden Gasblasen,

Figur 9: ein Diagramm der Anzahl Gasblasen in Abhängigkeit von ihrer Größe (Durchmesser) nach Fig. 8 (Stand der Technik) ,

Figur 10: eine Draufsicht auf eine als Mikrosparger

ausgebildeten Begasungsvorrichtung in vergrößerter Darstellung,

Figur 11: eine Seitenansicht der Begasungsvorrichtung von

Fig. 10 entlang der Linie XI - XI geschnitten und

Figur 12: eine Seitenansicht eines Bioreaktors mit Rührer und einer Begasungsvorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

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

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 zweite Begasungskanal 7 wird seitlich von der äußeren Wandung 10 und zum ersten Begasungskanal 8 hin von einer

Zwischenwandung 11 begrenzt. Entsprechend wird der erste Begasungskanal 8 zum zweiten Begasungskanal 7 hin von der Zwischenwandung 11 und auf seiner dem zweiten Begasungskanal 7 abgewandten Seite durch eine innere Wandung 12 des

Unterteils 5 begrenzt.

Dass auf das Unterteil 5 aufsetzbare Oberteil 6 verschließt mit einem zweiten ringförmigen Bereich 44 den zweiten

Begasungskanal 7 und bildet mit diesem das zweite

Begasungselement 3. Hierzu weist das Oberteil 6 in seinem zweiten ringförmigen Bereich 44 Gasaustrittsöffnungen 36 auf, deren Durchmesser jeweils etwa 800 μπι beträgt. Das zweite Begasungselement 3 bildet dabei einen sogenannten Ringsparger bzw. Sparger 16.

In Figur 4 ist eine Gasaustrittsöffnung 36 eines Spargers 16 mit austretenden Gasblasen 47 vergrößert dargestellt. Figur 5 zeigt die Verteilung unterschiedlicher Größen (8 bis 12 mm) der Gasblasen 47. Die Ordinate zeigt die Anzahl und die

Abszisse die Größe.

Dass Oberteil 6 verschließt mit einem ersten ringförmigen Bereich 45 den ersten Begasungskanal 8 und bildet mit diesem das erste Begasungselement 4. Hierzu weist das Oberteil 6 in seinem ersten ringförmigen Bereich 45 Gasaustrittsöffnungen 46 auf, deren Durchmesser jeweils etwa 150 μπι beträgt. Das erste Begasungselement 4 bildet dabei einen so genannten Mikrosparger 15. In Figur 6 ist eine Gasaustrittsöffnung 46 eines

Mikrospargers 15 mit austretenden Gasblasen 48 vergrößert dargestellt. Figur 7 zeigt die Verteilung unterschiedlicher Größen (2 bis 6 mm) der Gasblasen 48. Die Ordinate zeigt die Anzahl und die Abszisse die Größe.

In Figur 8 sind Gasaustrittsöffnungen eines aus dem Stand der Technik bekannten Mikrospargers mit porösem Material 49 mit austretenden Gasblasen 50 vergrößert dargestellt. Figur 9 zeigt die Verteilung unterschiedlicher Größen (2 bis 10 mm) der Gäsblasen 50. Die Ordinate zeigt die Anzahl und die

Abszisse die Größe.

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 zweite Begasungskanal 7 weist einen radial verlaufenden zweiten Zufluss 21 auf, der in einen Schlauchanschluss 22 mündet. Entsprechend weist der erste Begasungskanal 8 einen ersten 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.

In den Figuren 10 und 11 ist eine als Mikrosparger 15

ausgebildete Begasungsvorrichtung 1 dargestellt. Figur 12 zeigt beispielhaft einen Biorektor 25, der beispielsweise als ein flexibler Beutel zum Einmalgebrauch ausgebildet ist 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 31 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 zweite

Zuflussleitung 34 wird dem zweiten Zufluss 21 und über eine erste Zuflussleitung 35 wird dem ersten 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.