DE102021127134A1

DE102021127134A1 - Bilderfassungsvorrichtung für einen transparenten Bioreaktor

Info

Publication number: DE102021127134A1
Application number: DE102021127134.7A
Authority: DE
Inventors: Bruno Chilian; Johannes Bauer
Original assignee: Tri Thinking Res Instruments GmbH; Tri Thinking Research Instruments GmbH
Current assignee: Tri Thinking Res Instruments GmbH; Tri Thinking Research Instruments GmbH
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023066632A1

Abstract

Bilderfassungsvorrichtung (1) für einen transparenten Bioreaktor (2), umfassend eine Bilderfassungseinheit und ein Befestigungsmittel (4) zur Befestigung der Bilderfassungseinheit (3) an dem Bioreaktor, wobei die Bilderfassungseinheit (3) mindestens eine Kamera (5) und mindestens eine abbildende Optik (6) umfasst. Die Bilderfassungsvorrichtung (1) ist dadurch gekennzeichnet, dass die sie zur optischen Auflösung mikroskopischer Strukturen ausgestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bilderfassungsvorrichtung für einen transparenten Bioreaktor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein System zur Kultivierung von biologischem Material umfassend mindestens eine solche Bilderfassungsvorrichtung.
Zellkulturen ermöglichen die Erzeugung großer Mengen an qualitativ hochwertigem, medizinisch wertvollen Zellmaterial und gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dabei werden insbesondere bei industriellen Zellkulturprozessen oftmals sogenannte Bioreaktoren eingesetzt. Hierunter versteht man spezielle Behälter, in denen bestimmte Mikroorganismen oder Zellen unter möglichst optimalen Bedingungen beziehungsweise Parametern kultiviert werden können. Zu diesen Parametern gehören unter anderem die Zusammensetzung des Nährmediums, die Sauerstoffsättigung, die Temperatur und der pH-Wert im Medium. Die Kultivierung von Zellkulturen mittels eines Bioreaktors wird häufig auch als 3D-Kultivierung bezeichnet.
Es sind unterschiedliche Arten von Bioreaktoren bekannt, welche sich in Form, Volumen und anderen Eigenschaften unterscheiden können. So sind beispielsweise neben zylindrisch ausgestalteten Bioreaktoren auch Reaktoren in kubischer Grundform bekannt. Hinsichtlich der Größe der Reaktoren sind mobile Bioreaktoren mit Volumina von einigen Kubikzentimetern ebenso bekannt wie Bioreaktoren, deren Volumina bis hin zu einigen Kubikmetern (m³) reichen. Letztere werden häufig auch als Fermenter bezeichnet.
Im Sinne dieser Offenbarung werden die Begriffe „Zelle“, „biologisches Material“, „Kultur“, „Probenmaterial“ und „Organismus“ synonym verwendet, soweit sich aus dem jeweiligen Kontext nichts anderes ergibt.
Während des Bioreaktorprozesses ist es oftmals schwierig, verlässliche quantitative Aussagen über den Zustand der im Reaktor kultivierten Zellen oder Mikroorgansimen zu treffen. Solche Aussagen sind aber notwendig, um die Kultivierung durch Anpassung der Parameter zu steuern, um den Prozess wirtschaftlich betreiben zu können (z.B. Maximierung der Ausbeute, Minimierung des Verbrauchs teurer Reagenzien, Minimierung der Laufzeiten, Verhinderung von Chargenausfällen) und um neue Kultivierungsprotokolle zu entwickeln. Um eine die Qualität einer Zellkultur möglichst exakt beurteilen zu können, sind vor allem Analysen der Zellstrukturen auf mikroskopischer Ebene hilfreich.
Hierzu werden in der Regel Verfahren verwendet, die auf einer Probenentnahme aus dem Bioreaktor basieren. Die entnommene Probe kann anschließend mikroskopisch untersucht werden, wobei dazu externe Gerätschaften wie beispielsweise Mikroskope benötigt werden. Derartige Verfahren haben sich im Laboralltag etabliert. Beispielhaft sei das Verfahren genannt, das in DE 10 2006 019 242 A1 beschrieben wird.
Eine Alternative zur Probenentnahme wird in DE 10 2014 217 342 A1 vorgeschlagen. Darin wird ein mobiles Sensorsystem für die Prozessmessung zur Verwendung im Innern eines Bioreaktors offenbart. Die kugelförmigen Messvorrichtungen des Systems bewegen sich mit der Fluidbewegung durch das Medium und übertragen die erfassten Messwerte drahtlos an einen externen Empfänger. Auf dem Markt ist das System unter dem Namen „Sense-o-Spheres“. Mikroskopische Analysen sind mit diesem System allerdings nicht möglich. Darüber hinaus sind Wartung und Herstellung der Sensoren technisch anspruchsvoll und mit entsprechenden Kosten verbunden.
Aus CN 1 04962455A ist wiederum ein System für einen Fotobioreaktor bekannt, umfassend einen Bioreaktor und ein spezielles Gehäuse, das den Bioreaktor vollständig umschließt. Das Gehäuse weist an einer Innenseite unter anderem eine Lichtquelle, eine Kamera, ein Thermometer, Lüftungsschläuche und verschiedene elektronische Anschlüsse (z.B. USB-Anschlüsse) auf. Das System aus Gehäuse und Fotobioreaktor ist aufeinander abgestimmt, sodass das komplex aufgebaute Gehäuse nicht auf andere Reaktoren übertragbar ist. Darüber hinaus ist das System nicht in der Lage, eine optische Überwachung in mikroskopischen Größenbereichen durchzuführen.
Die vorbekannten Lösungen zur Überwachung von Zellkulturen in Bioreaktoren haben also verschiedene Nachteile. So sind sie entweder teuer in der Herstellung, umfassen viele aufwändige Verfahrensschritte oder sie sind nicht ohne Weiteres auf verschiede Reaktoren übertragbar. Darüber hinaus haben die bekannten Lösungen das gemeinsame Problem, dass sie keine optische Überwachung der kultivierten Organismen im mikroskopischen Größenbereich ermöglichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bilderfassungsvorrichtung für einen transparenten Bioreaktor bereitzustellen, welche die Nachteile im Stand der Technik beseitigt und welche insbesondere eine zuverlässige, zeit- und kostengünstige sowie für die Zellkulturen schonende optische Überwachung der im Reaktormedium befindlichen Zellen im mikroskopischen Bereich ermöglicht.
Hauptmerkmale der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Bilderfassungsvorrichtung für einen transparenten und insbesondere zylindrischen Bioreaktor oder einen sogenannten „Bioreaktor-Imager“ gelöst, wobei die Bilderfassungsvorrichtung eine Bilderfassungseinheit und ein Befestigungsmittel zur Befestigung der Bilderfassungseinheit an dem Bioreaktor umfasst, wobei die Bilderfassungseinheit mindestens eine Kamera und mindestens eine abbildende Optik umfasst. Die Bilderfassungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zur optischen Auflösung mikroskopischer Strukturen ausgestaltet ist. Vorteilhafterweise können mehrere Kameras verwendet werden. Auf diese Art und Weise können dreidimensionale Bilder des biologischen Materials erzeugt werden.
Die Bilderfassungsvorrichtung ist insbesondere für eine Verwendung an Bioreaktoren vorgesehen, die ein Volumen von bis zu 1 m³ aufweisen, eine im Wesentlichen zylindrische Form haben und eine zumindest abschnittsweise transparente Wandung aufweisen. Dabei ist unter dem Begriff „transparent“ die Eigenschaft eines Materials zu verstehen, wonach das Material für zumindest einen Teilbereich des elektromagnetischen Wellenspektrums des sichtbaren Lichts (d.h. für Wellenlängen im Bereich von 400 nm bis 800 nm) im Wesentlichen durchlässig ist.
Als Kamera kann im Wesentlichen bereits ein lichtsensitiver Elektrochip mit einer Bildsensorfläche verwendet werden. Vorzugsweise ist aber als Kamera eine Anordnung vorgesehen, die neben einem lichtsensitiven Elektrochip noch mindestens eine optische Linse sowie bevorzugt eine Steuerelektronik zum Ansteuern des lichtsensitiven Elektrochips umfasst. Es ist außerdem denkbar, dass die Kamera eine Platine umfasst, auf der die Steuerelektronik und der lichtsensitive Elektrochip gemeinsam verbaut sind.
Die Ausgestaltung der Bilderfassungseinheit dahingehend, dass sie zur optischen Auflösung mikroskopischer Strukturen geeignet ist, kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass als Bilderfassungsvorrichtung ein Mikroskop vorgesehen ist oder dass zumindest eine Anordnung optischer Elemente, insbesondere Linsen, vorgesehen ist, die auf dem Kamerasensor ein Bild erzeugt, in dem, aufgrund der Pixelgröße des Kamerasensors mikroskopische Strukturen optisch aufgelöst werden.. Dabei ist unter einer mikroskopischen Struktur allgemein eine Struktur zu verstehen, deren physikalische Größe unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegt, also zum Beispiel sub-zelluläre Strukturen. Unter der optischen Auflösung einer Struktur kann im Sinne dieser Offenbarung verstanden sein, dass das aufgenommene Bild dieser Struktur mehrere Pixel des Kamerachips überdeckt. Dabei muss das jeweils erfasste Bild nicht notwendigerweise optisch, d.h. einem menschlichen Betrachter, dargestellt werden. Stattdessen kann das erfasste Bild „ungesehen“ durch einen Algorithmus ausgewertet oder auf einem Speichermedium hinterlegt werden.
Eine derartige Bilderfassungsvorrichtung hat den Vorteil, dass sie im Reaktor ablaufende Prozesse nicht beeinflusst. Zum einen entfällt die Notwendigkeit, eine spezielle und meist aufwändige Sensorik in das Medium einzuführen. Zum andern kann auch auf eine regelmäßige Probenentnahme verzichtet werden. Beide Verfahren sind üblicherweise mit Stress für die Kultur verbunden und ihr Wegfall ist daher vorteilhaft für die Kultivierung. Darüber hinaus kann der Verlust von Probenmaterial vermieden werden, der ansonsten durch regelmäßige Probenentnahme entsteht. Demgegenüber ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass eine optische Überwachung des Mediums durch externe Komponenten erfolgt. Die Überwachung kann dabei automatisch und kontinuierlich durchgeführt werden, was zu besonders aussagekräftigen Messergebnissen führt - insbesondere im Vergleich zu Messungen, die lediglich auf der Entnahme von Stichproben basieren. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, dass die Oberflächen ihrer Komponenten nicht steril oder autoklavierbar sein müssen, weil sie nicht unmittelbar mit dem Medium in Kontakt kommen.
Gegenüber Lösungen, die auf einer regelmäßigen Probenentnahme basieren, bringt die erfindungsgemäße Vorrichtung außerdem den Vorteil mit sich, dass die zeitintensive Analyse der zuvor entnommenen Probe entfällt. Darüber hinaus sorgt die Bilderfassungsvorrichtung für eine erhöhte Sicherheit bei der Kultivierung gefährlicher Erreger, weil durch die externe Überwachung kein regelmäßiger Umgang mit dem Medium sowie mit den darin befindlichen Organismen mehr nötig ist.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem einfachen Aufbau der Bilderfassungsvorrichtung, umfassend eine Bilderfassungseinheit und ein Befestigungsmittel. Der einfache Aufbau ermöglicht unter anderem eine unkomplizierte Handhabung der Vorrichtung. Außerdem kann der Bioreactor-Imager als mobile Vorrichtung verwendet werden, welche problemlos mit verschiedenen Bioreaktoren verwendet werden kann, welche jeweils unterschiedliche Komponenten und/oder Abmessungen aufweisen. Der einfache Aufbau hat außerdem den Vorteil, dass die Vorrichtung mit einfachen Mitteln in hoher Stückzahl produzierbar ist. So lassen sich beispielsweise alle strukturgebenden Komponenten wie etwa die beiden Gehäuse oder das Befestigungsmittel mittels 3D-Druck herstellen. Schließlich führt der einfache Aufbau zu einem niedrigen Wartungsaufwand - insbesondere im Vergleich zu Lösungen, die auf Sensoren beruhen, welche sich im Medium befinden und über Funkverbindungen mit externen Geräten kommunizieren.
Vorteilhafterweise benötigt die Bilderfassungsvorrichtung nicht notwendigerweise eine separate Lichtquelle. Stattdessen kann das Umgebungslicht des Bioreaktors genutzt werden, um Bilder zu erfassen. Dieser Vorteil ergibt sich unter anderem dadurch, dass nur ein geringer Abschnitt des zylindrischen Bioreaktors vom Befestigungsmittel der Bilderfassungsvorrichtung umschlossen wird, wodurch noch ausreichende Lichtmengen in den Bioreaktor eindringen können.
Die Bilderfassungsvorrichtung ist über das Befestigungsmittel an dem Bioreaktor befestigbar. Dabei kann die Befestigung insbesondere über ein Verspannen des Befestigungsmittels am Reaktor stattfinden. Denkbar ist aber auch, dass das Befestigungsmittel am Reaktor verklebt oder über einen Saugmechanismus an der Außenwand des Reaktors angebracht wird oder dass Befestigungsmittel über einen Magnetmechanismus am Reaktor angebracht wird, oder dass die Bilderfassungsvorrichtung an einer Regulierungsstation befestigt wird, mit welcher Temperatur und/oder chemische Zusammensetzung des Mediums im Bioreaktor reguliert werden und/oder mit welcher der sogenannte Impeller betrieben wird. Es kann ferner vorgesehen sein, dass das Befestigungsmittel die Bilderfassungsvorrichtung in einer vertikalen Ebene an dem zylindrischen Reaktor anbringt, wobei die Bilderfassungseinheit beispielsweise an der Grundfläche oder an der Deckfläche des zylindrischen Bioreaktors angebracht werden kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich vor allem daraus, dass die Bilderfassungsvorrichtung zur optischen Auflösung mikroskopischer Strukturen ausgestaltet ist. Das macht es möglich, verschiedene Zelltypen zu differenzieren oder unterschiedliche Makromoleküle nachweisen. Auf diese Weise können wichtige Erkenntnisse über die Qualität der Kultur gewonnen werden, was wiederum im Bedarfsfall eine schnelle Anpassung der Kultivierungsparameter ermöglicht.
Nach einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Bilderfassungsvorrichtung mindestens eine Lichtanordnung aufweist, wobei die Lichtanordnung mindestens eine Lichtquelle umfasst. Dabei kann die mindestens eine Lichtanordnung insbesondere über das Befestigungsmittel an dem Bioreaktor befestigt sein. Vorteilhafterweise ist die Lichtanordnung mit der Lichtquelle in derselben horizontalen Ebene angeordnet wie die Bilderfassungseinheit, wobei die Lichtquelle dazu ausgebildet sein kann, Licht durch das Probenmedium und in Richtung der Kamera der Bilderfassungseinheit zu werfen. Mit einer solchen Lichtquelle kann die Qualität der Bilderfassung auf einfache Art und Weise verbessert werden, weil beispielsweise Helligkeit und Kontrast des zu erfassenden Sichtfelds erhöht werden. Um dabei zu gewährleisten, dass möglichst viel Licht auf die Kamera trifft, kann ferner vorgesehen sein, dass die Lichtanordnung mindestens ein optisches Element umfasst, welches dazu ausgebildet ist, den Strahlengang der Lichtquelle zu bündeln und auf die Kamera zu projizieren. Das optische Element kann zum Beispiel ein Kollimator sein, welcher insbesondere asphärisch ausgebildet sein kann.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Lichtquelle mindestens eine LED (Leuchtdiode oder light-emitting diode) umfassen. Eine LED ist besonders langlebig, was wiederum zur Langlebigkeit der gesamten Vorrichtung beiträgt. Weitere Vorteil, die sich aus der Verwendung einer LED ergeben, sind ihre geringe Wärmeentwicklung, ihre hohe Leuchtkraft, die sofortige Helligkeit, ihre geringe Größe, ihr niedriger Energieverbrauch. sowie die große Farbauswahl. All diese Vorteile tragen dazu bei, dass sich LEDs besonders gut zur Beleuchtung des biologischen Materials eignen. So ist insbesondere der niedrige Energieverbrauch wichtig, wenn der Bioreactor-Imager mit einer Batterie betrieben wird.
Im Sinne einer vorteilhaften Weiterentwicklung soll die Bilderfassungseinheit zur optischen Auflösung von Objekten ausgestaltet sein, die einen Mindestabstand von 500 µm oder weniger zueinander aufweisen, wobei die Objekte bevorzugt einen Mindestabstand von 50 µm oder weniger zueinander aufweisen, wobei die Objekte besonders bevorzugt einen Mindestabstand von 5 µm oder weniger zueinander aufweisen. Das bedeutet, dass mit der Bilderfassungsvorrichtung Strukturen optisch erfasst werden können, die sich in einem Größenbereich von unter ca. 1 mm und niedriger aufhalten. Mithilfe einer solchen Bilderfassungseinheit lassen sich beispielsweise Prozesse nachverfolgen, die während der Kultivierung von Bioorganismen ablaufen. Aus den daraus gewonnenen Erkenntnissen können wiederum diejenigen Parameter abgeleitet werden, die für die Optimierung der Kultivierung wesentlich sind.
Es ist außerdem denkbar, dass die abbildende Optik mindestens eine optische Linse und/oder mindestens einen Spiegel und/oder mindestens ein Beugungsgitter umfasst. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Bilderfassungseinheit ein Lichtmikroskop ist. Ein Lichtmikroskop ist vorteilhaft, weil sich die zu untersuchenden Proben, die sich üblicherweise in Zellkulturen befinden, aufgrund ihrer Kontrasteigenschaften mittels Durchlichtmikroskopie sehr gut nachweisen lassen. Dabei kann das Lichtmikroskop je nach Anwendungsbereich ein Hellfeldmikroskop oder ein Dunkelfeldmikroskop sein. Ein Dunkelfeldmikroskop kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn die Zellkultur vor allem Objekte umfasst, die im Hellfeld aufgrund eines geringen Kontrasts nicht gut aufzulösen wären.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Bilderfassungsvorrichtung ein reflektierendes Element umfassen, welches dazu ausgestaltet ist, in einen Reaktionsraum des Bioreaktors eingeführt zu werden. Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das reflektierende Element eine Sonde, ein Rohr oder ein Schirm ist. Insbesondere ein als heller Schirm ausgebildetes reflektierende Element führt dazu, dass vor dem Element vorbeischwebende biologische Material besonders gut erfasst werden können, weil sie sich besser gegenüber dem Hintergrund abheben. Denkbar ist auch, dass eine im Reaktionsraum befindliche Struktur wie beispielsweise eine Rührsonde oder ein Rührstab zusätzlich als reflektierendes Element genutzt wird. Auf diese Weise kann die Zahl der Strukturen, die in den Reaktionsraum eingeführt werden müssen, minimiert werden.
Es ist ferner denkbar, dass die Bilderfassungseinheit eine Steuereinheit umfasst, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Steuereinheit eine Steuerungselektronik ist, die mindestens einen Prozessor umfasst. Mithilfe einer derartigen Steuereinheit kann die Bilderfassung automatisiert werden. So können beispielsweise Bildaufnahme-Intervalle (sprich: Häufigkeit und/oder Dauer der Bildaufnahme) festgelegt werden. Diese Intervalle lassen sich über eine Steuereinheit, die einen Prozessor aufweist, voreinstellen, sodass die Bilderfassungsvorrichtung von alleine in gewünschten Abständen oder für eine gewünschte Dauer mikroskopische Bilder von der Zellkultur erfasst. Vorteilhafterweise kann die Steuereinheit auch dazu genutzt werden, die Lichtanordnung zu steuern, etwa indem sie die Intensität der Lichtquelle herauf- oder herabsetzt.
Ein weiteres bevorzugtes Merkmal der Steuereinheit ist die Steuerung der Belichtungszeit bzw. der Belichtungsdauer der Bilderfassungseinheit. Die Teilchen des biologischen Materials können sich aufgrund natürlicher Molekularbewegung oder aufgrund der Rührbewegung im Reaktor zum Teil schnell bewegen. Um eine bestmögliche Qualität der aufgenommenen Bilder zu gewährleisten, sollten jedoch durch Bewegung der Teilchen auftretende Unschärfen (auch als „Bewegungsunschärfe“ bezeichnet) vermieden werden. Dies kann z.B. über eine kurze Belichtungszeit erfolgen, wobei vor allem die Bilderfassungseinheit dazu ausgestaltet sein kann, die entsprechenden Beldichtungszeiten zu erreichen. So ist es mit der hier beschriebenen Bilderfassungseinheit insbesondere möglich, Beldichtungszeiten in einem Bereich von weniger als 100 Mikrosekunden, vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 100 Nanosekunden zu erzielen. Die kurzen Belichtungsdauern werden beispielsweise durch lichtempfindliche Kamerasensoren erreicht, welche einen „global shutter“ aufweisen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die LED zur Beleuchtung der Teilchen mit sehr kurzen Lichtpulsen zu betreiben, wobei ein Lichtpuls weniger als 100 Mikrosekunden, vorzugsweise weniger als 100 Nanosekunden andauern kann.
Die Steuereinheit kann außerdem eine Verarbeitung der durch die Kamera aufgenommenen Bilder durchführen. Diese Verarbeitung kann vor allem eine Speicherung von Daten des Bildmaterials und/oder eine Übertragung dieser Daten auf ein externes Rechensystem zur Auswertung umfassen. Denkbar ist aber auch, dass die Auswertung der Daten des Bildmaterials direkt durch die Steuerelektronik der Steuereinheit erfolgt. Schließlich kann die Steuereinheit eine eigene Spannungsquelle oder einen Anschluss zum Anschließen einer externen Spannungsquelle umfassen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Bilderfassungseinheit der Bilderfassungsvorrichtung bereits mit einer Gleichspannung von 5V betrieben werden kann.
Darüber hinaus kann die Bilderfassungseinheit ein Bilderfassungsgehäuse umfassen, wobei die Kamera, die mindestens eine abbildende Optik und die Steuereinheit zumindest teilweise in dem Bilderfassungsgehäuse angeordnet sind. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass das Bilderfassungsgehäuse die Kamera, die Optik und die Steuereinheit im Wesentlichen vollständig einschließt. Die Ausführungsform mit dem Bilderfassungsgehäuse sorgt für eine kompakte und leicht handhabbare Vorrichtung. Gemäß einem bevorzugten Beispiel wird das Bilderfassungsgehäuse durch 3D-Druck erzeugt. Es ist außerdem von Vorteil, wenn das Bilderfassungsgehäuse einen Kabelschacht aufweist, durch den elektrische Kabel zur Steuerung der Bilderfassungseinheit und der Lichtanordnung geführt werden können.
Des Weiteren kann die Bilderfassungsvorrichtung ein Lichtgehäuse und/oder einen Sockel umfassen, wobei die Lichtanordnung vorteilhafterweise von dem Lichtgehäuse umschlossen oder in den Sockel eingelassen ist.
Es ist außerdem denkbar, dass das Bilderfassungsgehäuse stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Befestigungsmittel verbunden ist und/oder dass das mindestens eine Lichtgehäuse stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Befestigungsmittels verbunden ist. Bevorzugt sind sowohl das Bilderfassungsgehäuse als auch das Lichtgehäuse je stoffschlüssig mit einem Teil des Befestigungsmittel verbunden, wobei der andere Teil des Befestigungsmittels separat über einen Kraftschluss an die beiden Gehäuse angebracht werden kann.
Bevorzugterweise kann das Befestigungsmittel als Schelle ausgestaltet sein. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass sich die Vorrichtung problemlos an nahezu jede Art von zylindrischem Bioreaktor anbringen lässt. Dazu muss die Schelle lediglich in Umfangsrichtung um den Bioreaktor gelegt und verspannt werden. Weitere Schritte zum Anbringen der Bilderfassungsvorrichtung sind nicht nötig. Die Schelle ist vorzugsweise aus einem flexiblen und/oder elastischen Material, wie zum Beispiel Kunststoff oder einem Elastomer hergestellt oder es umfasst ein derartiges Material.
Die Schelle kann einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel aufweisen, wobei der erste Schenkel insbesondere mehr als die Hälfte eines Schellenumfangs bildet und wobei der zweite Schenkel insbesondere weniger als die Hälfte des Schellenumfangs bildet. Dass einer der Schenkel vorzugsweise länger ausgebildet ist als der andere - sprich, dass das Kreisbogenmaß des einen Schenkels größer ist als das Kreisbogenmaß des anderen Schenkels - hat den Zweck, dass der längere Schenkel ein Lichtgehäuse umfassen kann, in welchem die Lichtanordnung angeordnet ist. Dabei ist das Lichtgehäuse vorzugsweise einstückig an dem ersten Schenkel der Schelle ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung kann die Bilderfassungsvorrichtung bei bestimmungsgemäßem Gebrauch derart an dem Bioreaktor angebracht werden, dass das Lichtgehäuse mit seiner Lichtquelle im Wesentlichen diametral gegenüber dem Bilderfassungsgehäuse angeordnet ist. Als bestimmungsgemäßer Gebrauch der Bilderfassungsvorrichtung wird derjenige Zustand der Bilderfassungsvorrichtung verstanden, bei der sie an einem Bioreaktor zum Zwecke der Bilderfassung angebracht ist.
Um zu vermeiden, dass der Strahlengang durch die Mittelachse des Reaktionsraums verläuft - wo unter Umständen Strukturen wie Rührstäbe oder Sonden den Strahlengang beeinflussen oder sogar unterbrechen könnten - können gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform Lichtquelle und Kamera derart angeordnet werden, dass der Strahlengang nicht durch die Mittelachse des Zylinders verläuft, sondern entlang einer (gedachten) Kreissehne, welche den Kreisumfang des Zylinders in zwei ungleichgroße Kreisbögen unterteilt.
Beim Eintritt in den Reaktionsraum wird der Lichtstrahl durch das transparente Material des Bioreaktors ein erstes Mal um einen Brechungswinkel α gebrochen beziehungsweise abgelenkt. Beim Austritt aus dem Reaktionsraum wird der Lichtstrahl ein zweites Mal um den Brechungswinkel α' gebrochen beziehungsweise abgelenkt. Vorteilhafterweise sind die Lichtquelle und die Bilderfassungseinheit bei bestimmungsgemäßem Gebrauch der Bilderfassungsvorrichtung derart zueinander ausgerichtet, dass ihre jeweiligen Ausrichtungen die Brechungswinkel α und α' kompensieren.
Denkbar ist auch, dass der zweite Schenkel als von der Schelle separates Bauteil ausgebildet ist. So ist beispielsweise vorgesehen, dass der zweite Schenkel über eine Schraub-, Klemm-, Steck- oder Rastverbindung an der ersten Schelle beziehungsweise an dem Bilderfassungsgehäuse befestigbar ist. Vorzugsweise ist der zweite Schenkel an seinem ersten Ende über eine Schraubverbindung am Bilderfassungsgehäuse befestigt. An seinem zweiten Ende, dem Rastende, kann der zweite Schenkel über eine Klemm- oder Rastverbindung mit einem Rastende des ersten Schenkels verbunden sein. Nach einem Ausführungsbeispiel kann außerdem vorgesehen sein, dass der Rast- und Klemmmechanismus, über die Schenkel miteinander verspannt werden, einen ersten Haken und einen zweiten Haken aufweist, wobei der erste Haken am Rastende des ersten Schenkels angeordnet ist und wobei der zweite Haken an einem Rastende des zweiten Schenkels angeordnet ist. Eine derartige Verbindbarkeit der Schellenschenkel sorgt dafür, dass die Schelle ohne Weiteres und vor allem ohne Werkzeug geöffnet und geschlossen werden kann, was eine einfache An- und Abmontage der Bilderfassungsmerkmale an dem Bioreaktor ermöglicht. Insbesondere kann der Bioreaktor-Imager an einen befüllten Bioreaktor angebracht werden, ohne dass der Bioreaktor von etwaigen Zuläufen, Schläuchen oder sonstigen Anschlüssen getrennt werden müsste. Vorteilhafterweise kann sogar ein Bewegen oder Anheben des Bioreaktors vermieden werden, weil ein als Schelle ausgebildetes Befestigungsmittel um die Mantelfläche des in der Regel zylindrischen Bioreaktors gelegt und daran verspannt werden kann.
Es ist außerdem ein System denkbar, welches aus zwei oder mehreren Bilderfassungsvorrichtungen aufgebaut ist, welche vorzugsweise drahtlos miteinander oder mit einem zentralen Rechensystem (beispielsweise einem Server) kommunizieren.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ferner ein System zur Kultivierung von biologischem Material vorgesehen, wobei das System mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung gemäß einer der vorstehend genannten Ausgestaltungen sowie mindestens einen Bioreaktor umfasst. Dabei ist der Bioreaktor als obligatorischer Teil des Systems zu verstehen. Dabei kann der Bioreaktor ein transparenter zylindrischer Bioreaktor sein, der ein Volumen von bis 1 m³ umfasst.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Bilderfassungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bei bestimmungsgemäßem Gebrauch;
2 eine halbtransparente perspektivische Ansicht der Bilderfassungsvorrichtung aus 1;
3 eine schematische Skizze der Bilderfassungsvorrichtung aus 1 und 2;
4 eine schematische Draufsicht auf den Strahlengang einer Bilderfassungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform

In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden daher, sofern nicht zweckmäßig, nicht erneut beschrieben. Bereits beschriebene Merkmale werden zur Vermeidung von Wiederholungen nicht erneut beschrieben und sind auf alle Elemente mit gleichen oder einander entsprechende Bezugszeichen anwendbar, sofern nicht explizit ausgeschlossen. Die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sind sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen beziehungsweise gleichen Bauteilbezeichnungen übertragbar. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie
z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiterhin können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.
In 1 ist eine Bilderfassungsvorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die Bilderfassungsvorrichtung 1 ist dabei bestimmungsgemäß an einem zylindrischen transparenten Bioreaktor 2 angebracht. Die in 1 gezeigte Ausführungsform der Bilderfassungsvorrichtung 1 weist eine Bilderfassungseinheit 3 und eine Lichtanordnung 7 auf, wobei die Bilderfassungseinheit 3 und die Lichtanordnung 7 über ein Befestigungsmittel 4 an dem zylindrischen Bioreaktor 2 befestigt sind. Die Bilderfassungseinheit 3 umfasst unter anderem eine Kamera 5 mit entsprechender abbildender Optik 6 (beides nicht gezeigt), wodurch sie in der Lage ist, mikroskopische Strukturen optisch aufzulösen. Dabei ist unter einer mikroskopischen Struktur eine Struktur zu verstehen, deren Größe unter unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegt. Im Falle der möglichen Anwendungsgebiete der vorliegenden Bilderfassungsvorrichtung 1 handelt es sich bei den mikroskopischen Strukturen vornehmlich um die Strukturen von biologischen Zellen oder Organismen, sprich von biologischem Material 27, welches sich in der zu überwachenden Zellkultur befindet. Mit einer solchen Bilderfassungseinheit 3 ist es möglich, auch noch solche Objekte optisch aufzulösen, deren Größe weit unter 1 mm liegt. Besonders bevorzugt ist die Bilderfassungseinheit 3 der Bilderfassungsvorrichtung 1 dazu geeignet, noch solche Objekte optisch aufzulösen, die Strukturen im Größenbereich von unter 5 µm aufweisen.
Eine derartige Bilderfassungsvorrichtung 1 hat den Vorteil, dass sie im Reaktor 2 ablaufende Prozesse nicht oder kaum beeinflusst. So entfällt zunächst die Notwendigkeit, eine Sensorik in das Medium einzuführen, welche die Kultivierung des biologischen Materials 27 stören könnte. Darüber hinaus ist auch keine Probenentnahme mehr erforderlich, weil die optische Überwachung des biologischen Materials 27 mit der Bilderfassungsvorrichtung 1 kontinuierlich von außerhalb des Bioreaktors erfolgen kann. Somit wird der Verlust von biologischem Material 27 vermieden wird, welcher ansonsten durch die Entnahme von Probenmaterial einhergehen würde. Mit der Bilderfassungsvorrichtung 1 gemäß 1 kann stattdessen eine zuverlässige optische Überwachung des Mediums mittels externer Komponenten erfolgen, wobei externe Komponenten solche Komponenten sind, die sich außerhalb des Reaktionsraums 11 des Reaktors 2 befinden.
Gemäß dem Beispiel aus 1 weist die Bilderfassungseinheit 3 ein Bilderfassungsgehäuse 15 auf, in welchem die einzelnen Komponenten der Bilderfassungseinheit 3 enthalten sind (in 1 nicht gezeigt). Das Bilderfassungsgehäuse 15 ist kraft- und stoffschlüssig mit dem Befestigungsmittel 4 verbunden, wobei das Befestigungsmittel 4 als Schelle 17 ausgebildet ist, welche einen ersten Schenkel 18 und einen zweiten Schenkel aufweist. An einem Ende des ersten Schenkels 18 ist die Schelle 17 mit einem Lichtgehäuse 16 verbunden, wobei das Lichtgehäuse 16 als Sockel ausgebildet ist, in welchen die Lichtquelle 8 eingelassen ist. Der erste Schenkel 18 und das Lichtgehäuse 16 sind gemäß dem in 1 gezeigten Beispiel einstückig ausgebildet. Das Lichtgehäuse 16 enthält die lichtgebenden Komponenten, namentlich die vorzugsweise als LED ausgestaltete Lichtquelle 8 sowie einen Kollimator 10 als optisches Element 9.
2 und 3 zeigen jeweils dieselbe Ausführungsform wie 1, allerdings ohne Bioreaktor 2. Dabei zeigt 2 die Vorrichtung 1 in halbtransparente perspektivische Ansicht. In 3 ist eine schematische Skizze einer Draufsicht auf die Bilderfassungsvorrichtung 1 gezeigt. Wie in 2 und 3 dargestellt ist, ist in dem Bilderfassungsgehäuse 15 neben der Kamera 5 auch eine Steuereinheit 13 mit einem Prozessor 14 enthalten. Das Bilderfassungsgehäuse 15 weist außerdem einen Kabelschacht 26 auf, der im Gehäuse 15 der Bilderfassungseinheit 3 eingelassen ist und durch welchen elektrische Kabel zur Steuerung der Bilderfassungseinheit 3 sowie der Lichtanordnung 7 geführt werden können. Das Bilderfassungsgehäuse 15 ist mit dem Befestigungsmittel 4, welches hier als Schelle 17 ausgestaltet ist, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sein. Wie in 3 gezeigt ist, ist das Bilderfassungsgehäuse 15 dabei einstückig mit dem ersten Schenkel 18 der Schelle 17 ausgebildet. Gemäß dem gezeigten Beispiel und wie in 2 erkennbar, ist das Bilderfassungsgehäuse 15 mit dem zweiten Schenkel 19 der Schelle 17 kraftschlüssig verbindbar, etwa über eine Schraub- oder Steckverbindung.
Der erste Schenkel 18 der Schelle 17 ist an seinem vom Bilderfassungsgehäuse 15 entfernten Ende mit dem Lichtgehäuse 16 verbunden, wobei der erste Schenkel 18 und das Lichtgehäuse 16 vorzugsweise einstückig ausgebildet sind. In beziehungsweise am Lichtgehäuse 16 sind die Lichtquelle 8 sowie ein optisches Element 9 angeordnet, wobei das optische Element 9 im gezeigten Beispiel ein asphärischer Kollimator 10 ist. Das Ende des ersten Schenkels 18 der Schelle 17, an dem das Lichtgehäuse 16 angeordnet ist, ist außerdem als erster Haken 21 eines Klemmmechanismus' 20 ausgebildet. Der zweite Haken 22, der mit dem ersten Haken 21 verhakt werden kann, ist an dem vom Bilderfassungsgehäuse 15 entfernten Ende des Schenkels 19 ausgebildet. Beide Schenkel 18, 19 der Schelle 17 weisen Schenkelflächen 23, 25 auf, wobei der erste Schenkel 18 eine erste Schenkelfläche 23 aufweist und wobei der zweite Schenkel 19 eine zweite Schenkelfläche 25 aufweist. In den Schenkelflächen 23, 25 sind jeweils in regelmäßigen Abständen Ausnehmungen 24 eingelassen.
Wie vor allem in 3 erkennbar ist, sind die Lichtquelle 8 und die Kamera 5 der Bilderfassungsvorrichtung 1 derart angeordnet, dass der Strahlengang 28 nicht durch die Mittelachse 29 des Zylinders verläuft, sondern entlang einer Kreissehne, welche den Kreisumfang des Zylinders des Bioreaktors 2 in zwei ungleichgroße Kreisbögen unterteilt. Der erste Schenkel 18 und der zweite Schenkel 19 der Schelle 17 sind entsprechend ausgestaltet. So ist der erste Schenkel 17 länger ausgebildet ist als der zweite Schenkel 18.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Strahlengang 28 einer Bilderfassungsvorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Wie in 4 erkennbar ist, verläuft der durch die Bilderfassungsvorrichtung 1 erzeugte Strahlengang 28 nicht durch die Mittelachse 29 des Reaktionsraums 12 des Bioreaktors. Stattdessen verläuft er entlang einer Kreissehne, wodurch verhindert werden kann, dass der Strahlengang 28 von den reflektierenden Elementen 11 oder an Rührsonden o.dgl. gestört oder unterbrochen wird. Darüber hinaus ist in 4 gezeigt, dass der Strahlengang 28 beim Eintritt in den Reaktionsraum 12 durch das transparente Material des Bioreaktors 2 ein erstes Mal um einen Brechungswinkel α gebrochen beziehungsweise abgelenkt wird. Beim Austritt aus dem Reaktionsraum 12 wird der Lichtstrahl ein zweites Mal um den Brechungswinkel α' gebrochen beziehungsweise abgelenkt. Die Lichtquelle 8 der Bilderfassungsvorrichtung 1 und die Bilderfassungseinheit 3 der Bilderfassungsvorrichtung 1 sind jedoch derart zueinander ausgerichtet, dass die Brechungswinkel α und α' kompensiert werden können.
Somit kann der Strahlengang 28 ungehindert von der Lichtquelle 8 durch den Reaktionsraum 12 zur Kamera 5 verlaufen, wodurch die Kamera 5 Bilder des biologischen Material 27 erfassen kann.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Bilderfassungsvorrichtung
2: Bioreaktor
3: Bilderfassungseinheit
4: Befestigungsmittel
5: Kamera
6: Abbildende Optik
7: Lichtanordnung
8: Lichtquelle
9: Optisches Element
10: Kollimator
11: Reflektierendes Element
12: Reaktionsraum
13: Steuereinheit
14: Prozessor
15: Bilderfassungsgehäuse
16: Lichtgehäuse
17: Schelle
18: Erster Schenkel
19: Zweiter Schenkel
20: Klemmmechanismus
21: Erster Haken
22: Zweiter Haken
23: Erste Schenkelfläche
24: Ausnehmungen
25: Zweite Schenkelfläche
26: Kabelschacht
27: Biologisches Material
28: Strahlengang
29: Mittelachse
α, α': Brechungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006019242 A1 [0006]
DE 102014217342 A1 [0007]
CN 104962455 A [0008]

Claims

Bilderfassungsvorrichtung (1) für einen transparenten Bioreaktor (2), umfassend - eine Bilderfassungseinheit (3) und - ein Befestigungsmittel (4) zur Befestigung der Bilderfassungseinheit (3) an dem Bioreaktor, wobei die Bilderfassungseinheit (3) mindestens eine Kamera (5) und mindestens eine abbildende Optik (6) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinheit (3) zur optischen Auflösung mikroskopischer Strukturen ausgestaltet ist.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungsvorrichtung (1) mindestens eine Lichtanordnung (7) aufweist, wobei die Lichtanordnung (7) mindestens eine Lichtquelle (8) umfasst.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Lichtanordnung (7) über das Befestigungsmittel (4) an dem Bioreaktor (2) befestigt ist.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtanordnung (7) mindestens ein optisches Element (9) umfasst.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (8) mindestens eine LED umfasst.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (9) ein Kollimator (10) ist, wobei der Kollimator (10) insbesondere asphärisch ausgebildet ist.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinheit (3) zur optischen Auflösung von Objekten ausgestaltet ist, die einen Mindestabstand von 500 µm oder weniger zueinander aufweisen, wobei die Objekte bevorzugt einen Mindestabstand von 50 µm oder weniger zueinander aufweisen, wobei die Objekte besonders bevorzugt einen Mindestabstand von 5 µm oder weniger zueinander aufweisen.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abbildende Optik (6) mindestens eine optische Linse und/oder mindestens einen Spiegel und/oder mindestens ein Beugungsgitter umfasst
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinheit (3) ein Lichtmikroskop ist.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungsvorrichtung (1) ein reflektierendes Element (11) umfasst, welches dazu ausgestaltet ist, in einen Reaktionsraum (12) des Bioreaktors (2) angeordnet zu werden.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinheit (3) eine Steuereinheit (13) umfasst, wobei die Steuereinheit (13) insbesondere eine Steuerungselektronik ist, die mindestens einen Prozessor (14) umfasst.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungseinheit (3) ein Bilderfassungsgehäuse (15) umfasst, wobei die Kamera (5), die mindestens eine abbildende Optik (6) und die Steuereinheit (13) zumindest teilweise in dem Bilderfassungsgehäuse (15) angeordnet sind.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungsvorrichtung (1) ein Lichtgehäuse (16) umfasst, wobei die Lichtanordnung (7) zumindest teilweise in dem Lichtgehäuse (16) angeordnet ist.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungsmittel (4) als Schelle (17) ausgestaltet ist.
Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtgehäuse (16) einstückig an dem ersten Schenkel (18) der Schelle (17) ausgebildet ist.
System zur Kultivierung von biologischem Material (29) umfassend - mindestens eine Bilderfassungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und - mindestens einen Bioreaktor (2).