DE102011111186A1

DE102011111186A1 - Sonde zur Entnahme von Proben aus mit Gasblasen durchsetzten Probenmedien

Info

Publication number: DE102011111186A1
Application number: DE201110111186
Authority: DE
Inventors: Andreas Grodrian; Dr. Lemke Karen; Dr. Gastrock Gunter; Robert Römer
Original assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Current assignee: Institut fuer Bioprozess und Analysenmesstechnik eV
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: DE102011111186B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von Proben aus Probemedien, die mit Gasblasen durchsetzt sind, und den Weitertransport dieser Proben an eine Analysestation. Derartige Probemedien sind beispielsweise in Bioreaktoren und chemischen Reaktoren vorzufinden, bei denen Gase entstehen oder auch aus schnellen Rührvorgängen der Probemedien durch Untermischung von Gasen. Die Aufgabe wird durch eine doppellumige Sonde mit einer Entnahmekapsel gelöst. Die Entnahmekapsel wird zunächst mit Gasblasen durchsetzten Probemedium gefüllt. In der Entnahmekapsel findet eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und flüssigen Probemedium statt. Durch die doppellumige Sonde wird anschließend eine Probe durch den inneren Fluidleiter entnommen und durch eine Schlauch- und Rohrverbindung abtransportiert. Die Kompartimente haben in einer typischen Applikation der erfindungsgemäßen Entnahmesonde ein Volumen von 0,1 bis mehreren hundert Mikrolitern.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von Proben aus Probemedien, die mit Gasblasen durchsetzt sind. Derartige Probemedien sind beispielsweise in Bioreaktoren und chemischen Reaktoren vorzufinden, bei denen Gase entstehen oder auch aus schnellen Rührvorgängen der Probemedien durch die Untermischung von Gasen.
Es ist bekannt, Probe in sogenannte Kompartimente einzuschließen, die durch Oberflächenspannung nicht mischbarer Fluide entstehen. Auf diese Weise können insbesondere kleine Probenmengen mit Volumina in der Größenordnung von 0,1 bis mehreren hundert Mikrolitern sicher voneinander getrennt und Querkontaminationen vermieden werden. Kompartimente lassen sich in Schläuchen mit Innendurchmessern von 0,05 bis ca. 2 mm aufbewahren, inkubieren, weiter transportieren und analysieren.
Die Entnahme kleiner Probenmengen aus mit Gas durchsetzten Flüssigkeiten gestaltet sich schwierig, da vermieden werden muss, gleichzeitig Gas zu entnehmen. Auch ist zu sichern, dass bei sich verändernden Prozesszuständen innerhalb von Bioreaktoren die Probe dem aktuellen Zustand entspricht. Totvolumina müssen insbesondere bei kleinen Probemengen vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem eine weitgehend gasfreie Entnahme einer Probe aus einem mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium erfolgt, zugleich gesichert wird, dass die Probe dem aktuellen Prozesszustand im Probenmedium entspricht und dass die Proben als eingebettetes Kompartiment weiter, beispielsweise zu einer Analysestation, transportiert werden können.
Die Aufgabe wird durch eine doppellumige Sonde gelöst, die mit einer Entnahmekapsel verbunden ist. Die Entnahmekapsel wird zunächst mit Gasblasen durchsetzten Probemedium gefüllt. In der Entnahmekapsel findet eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und flüssigen Probemedium statt. Durch die doppellumige Sonde wird anschließend eine Probe durch den inneren Fluidleiter entnommen und durch eine Schlauch- und Rohrverbindung abtransportiert. Die Kompartimente haben in einer typischen Applikation der erfindungsgemäßen Entnahmesonde ein Volumen von 0,1 bis mehreren hundert Mikrolitern.
Wenn das Probenmedium aus einer wässrigen Lösung mit Probenmaterial wie beispielsweise an-/organische Substanzen in beliebigen Aggregatzuständen, bioaktive Moleküle oder auch Zellen, Zellverbände oder Mikroorganismen besteht, bietet sich als Transportfluid für die Bewegung des Kompartimentes eine unpolare Flüssigkeit an. Auch Gase sind geeignet, um Kompartimente in Form von separaten Flüssigkeitströpfchen einzuschließen. Allerdings sind lange Gassäulen im Fluidleiter wegen ihrer Elastizität zu vermeiden, da dadurch keine sichere Positionierung des Kompartimentes im Fluidleiter und keine definierte Probemengenentnahme möglich sind. Durch eine Kombination eines Gases mit einer Transportflüssigkeit lassen sich diese Nachteile vermeiden. Als Transportflüssigkeit kann beispielsweise Nährlösung verwendet werden.
Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen:
1 Kompartimentenstrom
2 Probenentnahmesonde
3 Querschnitt der Entnahmekapsel entlang des Schnittes A-A in 2
4 Anordnung der Entnahmesonde im Probenbehälter
5 Entnahmekapsel mit Strömungsumkehr
6 Gesamtanordnung des Probenentnahmesystems
1 verdeutlicht den beispielhaften Aufbau des Kompartimentenstroms. In einem Fluidleiter 9 befindet sich das Kompartiment 6, das durch zwei Blasen 4a und 4b eines vorzugsweise sterilen Gases eingeschlossen ist. In Richtung der saugenden Förderpumpe 34 befindet sich im Fluidleiter beispielsweise Nährlösung, die als Transportflüssigkeit 2 dient.
In 2 wird der Aufbau der Entnahmekapsel 10 gezeigt. Sie besteht aus einem Kapselgehäuse 11, das ein Innenvolumen 15 einschließt und mit verschiedenen Überströmöffnungen 12 versehen ist, die zum Durchleiten von Flüssigkeiten und Gasen geeignet sind. Beispielsweise besitzt das Innenvolumen 15 ein Volumen von ca. 1 ml und eine Höhe von 15 mm.
In einer vorteilhaften Ausführung befinden sich die Überströmöffnungen 12 im oberen Teil der Entnahmekapsel 10, sodass eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und Flüssigkeit im Innenvolumen 15 begünstigt wird. Dabei wird in diesem Ausführungsbeispiel vorausgesetzt, dass die Applikation der Entnahmesonde 41 senkrecht bzw. in einem Winkel kleiner 90 Grad zur Senkrechten in Richtung der Erdanziehung erfolgt. Die Überströmöffnungen sind vorteilhaft mit einem Querschnitt zu versehen, der einen sicheren Durchtritt von Gasblasen 5 ermöglicht. Die Überströmöffnungen 12 können vorteilhaft in der Form von Schlitzen mit einer Breite von 1 mm und einer Länge von 5 mm ausgebildet sein, wie in 3 verdeutlicht wird.
Eine weitere Öffnung in der Entnahmekapsel 10 ist für die Durchführung 13 des äußeren Fluidleiters 20 vorgesehen. Der Fluidleiter 20 ist gegenüber dem Gehäuse 11 abgedichtet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung endet der äußere Fluidleiter 20 mit dem Abstand a über den Boden 14 der Entnahmekapsel 10, wobei a sehr klein gegenüber der Höhe des Innenvolumens h ist. Dadurch wird begünstigt, dass Probe dicht über den Boden 14 entnommen und die schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und Flüssigkeit genutzt wird.
Im inneren des äußeren Fluidleiters 20 befindet sich der innere Fluidleiter 30. Der innere Fluidleiter ist gegenüber dem äußeren Fluidleiter um den Betrag b zurückgesetzt, wobei b in verschiedenen Ausführungsbeispielen zwischen 0 bis 10 mm beträgt. Durch die Kombination von zwei konzentrisch angeordneten Fluidleitern 20 und 30 ergeben sich zwei Fluidpfade 17 und 18, einer zwischen der Außenwandung des inneren Fluidleiters 30 und der Innenwandung des äußeren Fluidleiters 20 und ein weiterer innerhalb des inneren Fluidleiters 30 Beide Fluidpfade 17 und 18 sind mit gesonderten Fluidanschlüssen 22 und 32 für ein erstes Fluid 8 und ein zweites Fluid 7 versehen.
Die Handhabung der Entnahmesonde 41 wird in 4 gezeigt. In einem Probenbehälter 40 befindet sich das Probenmedium 1, das mit Gasblasen 5 durchsetzt ist. Die Entnahmekapsel (10) ist annähernd senkrecht in das Probenmedium 1 eingetaucht. Im Innenvolumen 15 der Entnahmekapsel 10 befindet sich ebenfalls Probenmedium 1 mit Gasblasen 5 durchsetzt. In der Entnahmekapsel 10 ist eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und Flüssigkeit zu beobachten. Für eine optimale Funktion dieser schwerkraftbedingten Entmischung sollte die Höhe der Entnahmekapsel 10 bei einer beispielsweise zylindrischen Ausführung mindestens das 1,5 fache des Durchmessers des Zylinders sein. Der äußere Fluidleiter 20 ragt in das flüssige Probenmedium 1 hinein.
Eine andere Ausführungsform einer Entnahmekapsel 110 ist in 5 gezeigt. Durch eine Umlenkung 116 in der Entnahmekapsel 110 wird ein u-förmiges Kammervolumen 115 gebildet, bei dem der innere und äußere Fluidleiter 30 bzw. 20 in das eine Ende des Kammervolumens 115 eingeführt sind, die Einströmöffnung 112 sich am anderen Ende des u-förmigen Kammervolumens 115 befindet. Dadurch wird bei Ausblasen des Kammervolumens eine Strömungsumkehr bewirkt.
Die Applikation der Entnahmesonde für die Entnahme einer Probe aus dem Probenbehälter 40, die Einbettung als Kompartiment 6 in zwei Blasen eines (Steril-)Gases 4 und den Transport zu einer Auswertestation 42 verdeutlicht 6. Das Probenmedium 1 befindet sich beispielsweise in einem Bioreaktor. Der Fluidanschluss 22 des äußeren Fluidpfades 17 ist über ein erstes Ventil 23 mit einer Förderpumpe 24 für (Steril-)Gas 4 verbunden. Der innere Fluidpfad 18 ist mit seinem Fluidanschluss 32 über ein zweites Ventil 33 mit einer Förderpumpe 34 zum Absaugen des Kompartimentes 6 und Transport zu einer Auswertestation 42 sowie über ein drittes Ventil 36 mit einer Förderpumpe 35 für Transportflüssigkeit 2 verbunden.
Nach dem Eintauchen der Entnahmekapsel 10 in das Probenmedium 1 wird während eines Initialisierungsvorganges bei geschlossenen Ventilen 23 und 33 das Ventil 36 geöffnet und durch die Förderpumpe 35 Transportflüssigkeit 2 in den inneren Fluidpfad 18 gedrückt bis dieser vollständig gefüllt ist.
Der Probenentnahmezyklus beginnt bei geschlossenen Ventilen 33 und 36 durch Öffnen des Ventils 23 sowie Ausblasen des äußeren Fluidpfades 17 und der Entnahmekapsel 10 mit (Steril-)Gas 4. Das überschüssige (Steril-)Gas 4 kann durch die Überströmöffnungen 12 der Entnahmekapsel 10 in den Probenbehälter 40 entweichen.
Im zweiten Schritt der Probenentnahme wird eine kleine Menge (Steril-)Gas 4 in den inneren Fluidpfad 18 eingesaugt, in dem das Ventil 33 bei geschlossenen Ventilen 23 und 36 geöffnet wird und die Förderpumpe 34 eine entsprechende Menge Transportflüssigkeit 2 absaugt.
In einem dritten Schritt der Probenentnahme sind alle Ventile 23, 33 und 36 geschlossen, frisches Probemedium 1 strömt über die Überströmöffnungen 12 in die Entnahmekapsel 10. Der Nachströmvorgang kann in einer Ausführung der Erfindung durch Absaugen eines Gas/Flüssigkeitsgemisches durch den äußeren Fluidpfad 17 mittels der Förderpumpe 25 bei geöffneten Ventil 23 unterstützt werden. Fluid 8 strömt bis in den Auffangbehälter 27. Der Absaugvorgang wird durch Schließen des Ventils 23 beendet, wenn das Probemedium 1 die Entnahmekapsel 10 vollständig gefüllt hat.
Nach einer kurzen Wartezeit zum Entmischen des Gas-/Flüssigkeitsgemisches in der Entnahmekapsel 10 wird im vierten Schritt der Probeentnahme eine definierte Menge Probenmedium 1 in den inneren Fluidpfad 18 bei geöffneten Ventil 33 und geschlossenen Ventilen 23 und 36 eingesaugt.
Im fünften Schritt der Probenentnahme wird der Auffangbehälter 27, der äußere Fluidpfad 17 und die Entnahmekapsel 10 wiederum mit (Steril-)Gas 4 ausgeblasen und solange Sterilgas 4 in den inneren Fluidleiter 18 eingesaugt, bis sich das Probenkompartiment 6 an der Auswertestation 42 befindet. Die Auswertestation kann beispielsweise biologische, chemische, physikalische Analysen entsprechend dem bekannten Stand der Technik umfassen.
Danach kann die nächste Probenentnahme erfolgen, indem die Entnahmesonde wiederum, wie bereits beschrieben, initialisiert wird oder aber vorher die Fluidpfade 17 und 18 und die Entnahmekapsel 10 gespült werden.
Bezugszeichenliste

1: Probenmedium
2: Transportflüssigkeit
4: Sterilgas
5: Gasblasen
6: Kompartiment
7: erstes Fluid (allgemein für inneren Fluidleiter)
8: zweites Fluid (allgemein für äußeren Fluidleiter)
9: Fluidleiter
10: Entnahmekapsel
11: Kapselgehäuse
12: Überströmöffnungen
13: Durchführung
14: Boden
15: Innenvolumen
17: äußerer Fluidpfad
18: innerer Fluidpfad
19: Verbindungsleiter
20: äußerer Fluidleiter
21: distales Ende des äußeren Fluidleiter
22: Fluidanschluss des äußeren Fluidpfades
23: Ventil V1
24: Förderpumpe für Gas
25
26: Gasbehälter
27: Auffangbehälter
30: innerer Fluidleiter
31: distales Ende des inneren Fluidleiters
32: Fluidanschluss für inneren Fluidpfad
33: Ventil V2
34: Förderpumpe für Kompartimentenstrom
35: Förderpumpe für Transportflüssigkeit
36: Ventil V3
37: Behälter für Transportflüssigkeit
40: Probenbehälter
41: Entnahmesonde
42: Auswertestation
43: Richtung der Erdanziehung
44: Vertikalachse der Entnahmekapsel
110: Entnahmekapsel Ausführungsvariante
111: Kapselgehäuse Ausführungsvariante
112: Einströmöffnung
115: Innenvolumen
116: Umlenkmittel

Claims

Sonde zur Entnahme Von Proben aus einem mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium in einem Probenbehälter, Einbettung der entnommenen Proben als Kompartimente in einen Fluidstrom und Transport der Proben zu einer Auswertestation, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entnahmekapsel (10) mit Öffnungen (12) für das Durchströmen von mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium vorgesehen ist, eine weitere Öffnung in der Entnahmekapsel (10) für die Durchführung eines äußeren Fluidleiters (20) in das Innere der Entnahmekapsel (10) vorgesehen ist, innerhalb des äußeren Fluidleiters (20) ein innerer Fluidleiter (30) angeordnet ist, jeweils ein Ende des äußeren und inneren Fluidleiters über einen separaten Fluidanschluss (22) (32) verfügen, die jeweils anderen Enden (21) (31) der beiden Fluidleiter (20) (30) in die Entnahmekapsel (12) hineinragen und die Entnahmekapsel ganz oder teilweise in das Probenmedium (1) eingetaucht ist.
Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (12) für das Durchströmen von mit Gasblasen durchsetztem Probenmedium in dem Teil der Entnahmekapsel (10) angeordnet sind, der beim Eintauchen in das Probenmedium sich bezogen auf die Richtung der Erdanziehung (43) oben befindet.
Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Entnahmekapsel (10) hineinragende Ende (21) des äußeren Fluidleiters (20) in dem Teil der Entnahmekapsel (10) endet, der beim Eintauchen in das Probenmedium (1) sich bezogen auf die Richtung der Erdanziehung (43) unten befindet.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Fluidleiter (20) in einem Abstand (a) über den Boden (14) der Entnahmekapsel (10) endet, der dem 0,5 bis 2 fachen des Durchmessers des äußeren Fluidleiters (20) entspricht.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmekapsel (10) die Form eines Zylinders hat, dessen Höhe mehr als das 1,5 fache des Durchmessers beträgt.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Mittel zur Umlenkung (116) der Strömungsrichtung von Fluiden in der Entnahmekapsel (110) ein u-förmiges Kammervolumen (115) ausgebildet ist, bei dem der innere Fluidleiter (30) und äußere Fluidleiter (20) in das eine Ende des Kammervolumens (115) eingeführt ist, die Einströmöffnung (112) sich am anderen Ende des u-förmigen Kammervolumens (115) angeordnet ist.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalachse (44) der Entnahmekapsel (10) gegenüber der Richtung der Erdanziehung von 0° bis 80° geneigt ist.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidanschluss des äußeren Fluidpfades (17) über ein erstes Ventil (23) mit einer Förderpumpe (24) für das Absaugen von Flüssigkeits-/Gasgemischen und einem Behälter (26) für Gas (4) verbunden ist.
Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidanschluss (22) des inneren Fluidpfades (18) über ein zweites Ventil (33) mit einer Förderpumpe (34) für das Absaugen des Kompartimentes (6) und Transport zu einer Auswertestation (42) verbindet.
Verfahren zur Entnahme von mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium (1) aus einem Probenbehälter (40), Einbettung der entnommenen Proben als Kompartimente (6) in einen Fluidstrom und Transport der Proben zu einer Auswertestation (42) unter Verwendung der Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der äußere Fluidpfad (17) und die Entnahmekapsel (10) mit Gas (4) ausgeblasen wird, in einem zweiten Schritt in den inneren Fluidpfad (18) durch eine Förderpumpe (34) eine definierte Menge an Gas (4) eingesaugt wird, in einem dritten Schritt die vollständige Füllung der Entnahmekapsel (10) mit frischem Probenmedium durch Absaugen des Gas-/Flüssigkeitsgemisches mittels einer Förderpumpe (24) unterstützt wird und/oder die Entnahmekapsel (10) sich mit frischen Probenmedium (1) über die Überströmöffnungen (12) in die Entnahmekapsel (10) füllt, im vierten Schritt eine definierte Menge Probenmedium (1) in den inneren Fluidpfad (18) durch eine Förderpumpe (34) eingesaugt wird, in einem fünften Schritt die Entnahmekapsel (10) durch Gas ausgeblasen wird und durch die Förderpumpe (34) das Probenkompartiment (6) bis zu einer Auswertestation (42) gesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Probenentnahme der innere Fluidleiter (18) und die Verbindungsleitung (19) zur Auswertestation mit Transportflüssigkeit (2) gefüllt werden.