DE10252217B4

DE10252217B4 - Probenahmeventil und damit durchführbares Verfahren zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren

Info

Publication number: DE10252217B4
Application number: DE2002152217
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rietschel; Friedel Scholze
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius Stedim Biotech GmbH
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: DE10252217A1; WO2004044119A1; DE20316936U1; AU2003282090A1

Abstract

Probenahmeventil zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren, bei dem eine Probe über einen Strömungskanal, der in einem Ventilgehäuse ausgebildet ist und über den ein Probeneinlass mit einem Probenauslass verbunden ist, entnehmbar ist, und bei dem das Ventilgehäuse mittels eines den Probenströmungskanal über einen eigenen Sterilisationsmitteleinlass durchströmenden Sterilisationsmittels hitzesterilisierbar ist, und bei dem das Ventilgehäuse kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in das Ventilgehäuse (1) eine separate Kühlungseinrichtung (21) integriert ist, die als ein zu dem Probenströmungskanal (17) benachbarter Kühlungsströmungskanal (18) mit einem Anschluss (26') für einen Kühlmitteleinlass (23) und einem Anschluss (26'') für einen Kühlmittelaunlass (22) ausgebildet ist, über den der Probenströmungskanal (17) aktiv kühlbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Probenahmeventil zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren, bei dem eine Probe über einen Strömungskanal, der in einem Ventilgehäuse ausgebildet ist und über den ein Probeneinlass mit einem Probenauslass verbunden ist, entnehmbar ist, und bei dem das Ventilgehäuse mittels eines den Probenströmungskanal über einen eigenen Sterilisationsmitteleinlass durchströmenden Sterilisationsmittels hitzesterilisierbar ist, und bei dem das Ventilgehäuse kühlbar ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren mit einem Probenahmeventil, bei dem ein in einem Ventilgehäuse angeordneter Probenströmungskanal des Probenahmeventils vor der Probenahme zunächst hitzesterilisiert und dann abkühlt wird.

Probenahmeventile werden eingesetzt, um zu vorbestimmten Zeitpunkten Proben aus Kulturgefäßen, wie beispielsweise Fermentern oder Bioreaktoren für eine nachfolgende Analyse, anhand deren ein Fortschritt oder Ablauf eines biologischen oder technologischen Reaktionsprozesses verfolgt werden kann, zu entnehmen. Die Probenahme unterliegt bestimmten Sterilitätsbedingungen die es erforderlich machen, das Probenahmeventil vor einer jeweiligen Probenahme einem Sterilisationsprozess zu unterziehen, bei dem das Ventil von einem Sterilisationsmittel, beispielsweise Wasserdampf, durchströmt wird. Problematisch ist, dass die Probe bei der Entnahme nicht er hitzt werden darf, da sie sonst unbrauchbar werden kann. Insbesondere bei zu untersuchenden Proteinen besteht die Gefahr der Denaturierung bei zu starker Erwärmung. Eine sichere Probenahme kann daher erst erfolgen, wenn nach der Dampfsterilisation die Temperatur des Gehäuses des Probenahmeventils wieder auf eine zulässige Höchsttemperatur abgesunken ist. Dadurch sind relativ lange Wartezeiten zwischen den Probenahmen erforderlich, die sich zeit- und kostenaufwendig auswirken können.

Aus der DE 32 49 528 C2 ist eine Vorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem Fermenter bekannt, bei der auf einer Welle ein Karussell angeordnet ist. Auf dem Karussell sind kreisförmig Probeaufnehmer, jeweils bestehend aus einem Reagenzglas und einem Überströmventil befestigt. Die Reagenzgläser sind am Umfang eines ebenfalls auf der Welle des Karussells befestigten zylinderförmigen Wärmetauschers angeordnet. Der Wärmetauscher wird über einen Einlassstutzen, bzw. einen Auslassstutzen mit einem Kühlmittel gespeist. Das jeweils zur Probennahme vorgesehene Reagenzglas wird in eine Stellung gebracht, in der es über ein druckluftgesteuertes Ventil, das an einem Ventilgehäuse angeordnet ist, mit der Probe aus dem Fermenter füllbar ist. Weiterhin ist ein Sterilisationsmittelkreislauf mit einem Einlassventil am Ventilgehäuse zum Einlassen eines Dampfsterilisationsmittels und einem weiteren Überströmventil am Probeaufnehmer zum Ablassen des Dampfsterilisationsmittels, bzw. des Dampfkondensats, aus dem Probeaufnehmer, vorgesehen.

Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung wirkt sich aus, dass der Wärmetauscher lediglich die Reagenzgläser, bzw. die Proben selbst kühlt. Das Ventilgehäuse wird jedoch dadurch nicht gekühlt. Zum Verkürzen der Probenahmeintervalle kann diese Kühlungseinrichtung damit keinen Beitrag leisten.

Aus der WO 99/40175 A1, bzw. der US 5 948 998 A , ist ein Probenahmeventil bekannt, bei dem eine Abkühlung des Ventilgehäuses mit Hilfe von Fermenterinhalt vorgesehen ist. Das bekannte Probenahmeventil ist als ein Dreiwegeventil ausgebildet, das ein Probeneinlassrohr mit einem Anschluss als ein Probeneinlass und ein Probenauslassrohr sowie ein Abflussrohr als jeweilige Ausgänge aufweist. Das Probeneinlassrohr ist mit einem Fermenter verbindbar, das Probenauslassrohr ist mit einem zylinderförmigen Probenbehälterhalter verbunden. Der Halter weist ein äußeres und ein inneres Gewinde auf. Das äußere Gewinde ist zum Anschluss eines Adapter mit einer Dampffalle vorgesehen, das innere Gewinde dient vorzugsweise zum Anschluss eines Probensammelbehälters. Vor einer Probenahme wird der Probeneinlass mit einer Dampfzufuhr verbunden und die Dampffalle an das Probenauslassrohr angeschlossen. Das Ventil wird dann in einer ersten Ventilstellung für etwa 15 bis 20 Minuten dampfdurchströmt, so dass der Dampf, bzw. das Dampfkondensat, durch den Probenauslass zu der Dampffalle hin strömt. Nach der Dampfsterilisation wird der Probeneinlass mit dem Fermenter verbunden und das Ventil in eine zweite Stellung gebracht. In der zweiten Ventilstellung wird der Probenfluss vom Fermenter durch das Abflussrohr abgeleitet. Dabei kühlt sich das Ventilinnere ab. Nach dieser Abkühlphase kann die eigentliche Probenahme erfolgen. Dazu wird der Probensammelbehälter an das Probenauslassrohr angeschlossen und durch Öffnen des Ventils in die erste Ventilstellung die gewünschte Probenmenge dem Sammelbehälter zugeführt.

Nachteilig bei dem bekannten Probenahmeventil wirkt sich aus, dass die Kühlung des Ventilgehäuses nach der Dampfsterilisation nur passiv durch Durchleiten von Fermenterinhalt über die zweite Öffnungsstellung des Ventils erfolgt. Dieser Abkühlungsprozess ist relativ uneffektiv und zudem kostenaufwendig, da zur Kühlung des Ventils ein Teil des Fermenterinhalts verwendet wird und dabei verloren geht. Dadurch ist je weils eine relativ große Menge an Probenflüssigkeit für eine Probennahme nötig. Bei einer begrenzten Menge an zur Verfügung stehendem Ferment wird die Anzahl möglicher Probennahmen und damit die Flexibilität in der Handhabung eingeschränkt. Weiterhin hängt der Wärmeaustausch von den spezifischen Wärmeleitungseigenschaften des jeweiligen Fermenterinhalts ab, so dass ein definierter Abkühlungsprozess kaum durchführbar ist. Dies kann die Betriebssicherheit des Probenahmeventils, bzw. die Arbeitssicherheit bei der Probenahme ungünstig beeinträchtigen. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei der Abkühlphase denaturierte Rückstände des Ferments im Ventilinneren und im Probeneinlassrohr verbleiben können, die anschließend die Probe bei der Entnahme kontaminieren. Dies wirkt sich ebenso ungünstig auf die Betriebssicherheit aus. Schließlich ist der für die Probenahme erforderliche wechselnde Anschluss von Fermenter und Dampfzufuhr an das Probeneinlassrohr relativ umständlich handhabbar.

Weiterhin ist aus dem Betriebshandbuch BIOSTAT^® C-DCU3 der Firma B. Braun Biotech International GmbH, ein kompakter in situ sterilisierbarer Fermenter mit einem Probenahmeventil bekannt. Das bekannte Probenahmeventil weist einen separaten Anschluss für eine Dampfzufuhr auf. In geschlossener Ventilstellung kann der für den Probenfluss vorgesehene Strömungsweg bzw. Strömungskanal, der einen Ventilstößel im Inneren des Ventilgehäuses umgibt, dampfsterilisiert werden. Dazu gelangt der Dampf über den separaten Dampfeinlass und einen Zuführkanal in den Strömungskanal, der zu dem Probenauslassrohr hinführt.

Nachteilig wirkt sich aus, dass für das bekannte Probenahmeventil keine Kühlmaßnahmen vorgesehen, bzw. angeordnet sind, so dass aufgrund der relativ langen nötigen Wartezeit, während der das Ventil durch den natürlichen Wärmeaustausch mit der Umgebung auf die zulässige Temperatur abkühlt, keine ho hen Probenahmefrequenzen möglich sind. Es besteht auch die Gefahr, dass insbesondere dann, wenn eine große Zahl von Proben in möglichst kurzer Zeit entnommen werden sollen, durch Nichteinhalten der nötigen Abkühlzeit Proben zu früh entnommen werden und dann unbrauchbar sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Probenahmeventile so zu verbessern, dass sie kürzere Probenahmeintervalle ermöglichen, einfacher handhabbar sind und eine höhere Betriebs- und Arbeitssicherheit gewährleisten.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass in das Ventilgehäuse eine separate Kühlungseinrichtung integriert ist, die als ein zu dem Probenströmungskanal benachbarter Kühlungsströmungskanal mit einem Anschluss für einen Kühlmitteleinlass und einem Anschluss für einen Kühlmittelauslass ausgebildet ist, über den der Probenströmungskanal aktiv kühlbar ist.

Durch die separate Kühleinrichtung kann das Probenahmeventil durch die direkte Kühlung des Ventilgehäuses, bzw. des Probenströmungskanals, nach der Dampfsterilisation schneller abgekühlt werden. Insbesondere wird der für die Kühlung wichtige Bereich, der Strömungskanal für den Probenfluss im Ventil, besonders effektiv gekühlt. Dadurch werden schnellere Abfolgen von Probenahmen möglich. Die separate Kühleinrichtung kann auf einfache Weise mit einem Kühlmittel mit definierten, gleichbleibenden Wärmeleitungseigenschaften betrieben werden. Somit ist ein definierter, reproduzierbarer und sicherer Abkühlprozess möglich. Da der Kühlkreislauf von dem Weg des Probenflusses getrennt ist, wird die Gefahr einer Kontamination des Ventils durch Kühlmittel vermieden. Daher müssen keine besonderen Anforderungen an das Kühlmittel gestellt werden, d.h. der Kühlkreislauf kann kostengünstig mit Leitungswasser oder einer vorhandenen Kühlwasserversorgung ge speist werden. Zur Probenahme muss aus dem Fermenter nur soviel Probeflüssigkeit entnommen werden, wie zur Analyse des Fermentierprozesses erforderlich ist, d.h. es geht keine zusätzliche Probenflüssigkeit verloren, was sich kostengünstig auswirkt. Für die Dampfsterilisation weist das Probenahmeventil einen eigenen Sterilisationsmitteleinlass auf, der mit dem Probenströmungskanal verbunden ist. Die separate Kühlungseinrichtung und der eigene Anschluss für das Sterilisationsmittel ermöglichen die Kühlung, bzw. die Dampfsterilisation des Ventils, ohne dass dazu der Probeneinlass aufwendig abwechselnd an verschiedenen Anschlüssen angeschlossen werden muss. Dies ist zeitsparend und erhöht den Bedienungskomfort des Ventils. Weiterhin wird dadurch, dass der Kühlungsströmungskanal im Inneren des Ventilgehäuses verläuft und benachbart zu dem Strömungskanal für den Probendurchfluss angeordnet ist, eine besonders kompakte Bauweise des Ventils ermöglicht.

Die Strömungskanäle für den Probendurchfluss und für den Kühlmitteldurchfluss sind vorzugsweise weitlumig ausgebildet. Dabei ist das Maß der Weitlumigkeit sowie die Wandstärken des Ventilgehäuses an die Mindestmaterialstärken, die den konstruktiv und fertigungstechnisch vorgegebenen Anforderungen an die Festigkeit und die Haltbarkeit des Ventilgehäuses entsprechen, angepasst. Dadurch können hohe Durchflussraten erzielt werden. Durch die vergrößerte Wärmeaustauschfläche bei der weitlumigen Ausführung der Kanäle, ist eine weitere Verkürzung der Prozessdauer für die Dampfsterilisation des Ventils, bzw. den Abkühlprozesses nach der Sterilisation realisierbar. Durch die geringen Wandstärken wird die Effektivität des Wärmeaustausches zwischen Sterilisations-, bzw. Kühlmittel und den Wandungen im Gehäuse erhöht. Dadurch kann eine weitere Verkürzung der Probenahmeintervalle erzielt werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sterilisationsmitteleinlass auf der dem Probenauslass gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses angeordnet.

Dadurch, dass der Sterilisationsmitteleinlass auf der dem Probenauslass gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses angeordnet ist, wird ein zuverlässiger Schutz vor einer versehentlichen Kontamination des Sterilisationsmitteleinlasses mit Probenflüssigkeit realisiert. Ist das Probenahmeventil – wie üblich – in einen waagerecht oder allenfalls schräg ausgerichteten Stutzen eines Fermenters eingebaut, zeigt das Probenauslassrohr nach unten und der Sterilisationsmitteleinlass nach oben. Bei der Probenahme über den waagrecht liegenden Probeneinlass kann somit keine Probenflüssigkeit in den Anschluss für das Sterilisationsmittel, der mit dem Probenströmungskanal verbunden ist, gelangen. Dadurch wird dieser Anschluss zuverlässig kontaminationsfrei gehalten. Es kann daher auf eine Verschlussvorrichtung zwischen dem Sterilisationsmittelanschluss und dem Probenströmungskanal verzichtet werden, was sich kostengünstig auswirkt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Anschlüsse der Kühlungseinrichtung in einem Abschnitt des Ventilgehäuses zwischen dem Sterilisationsmitteleinlass und dem Probeneinlass angeordnet.

Dadurch, dass die Anschlüsse der Kühlungseinrichtung in einem Abschnitt des Ventilgehäuses zwischen dem Sterilisationsmitteleinlass und dem Probeneinlass angeordnet sind, kann eine besonders bauraumsparende kompakte Bauweise des Ventils realisiert werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Kühlmitteleinlass und/oder dem Sterilisationsmit teleinlass ein Absperrventil und/oder ein Dosierventil vorgeschaltet.

Durch die Absperrventile wird die Handhabung des Ventils noch komfortabler. Mit den Dosierventilen ist es möglich, den Sterilisationsprozess und den Abkühlungsprozess genauer zu steuern. Insbesondere können die jeweiligen Durchflussraten variabel geregelt werden. Durch das Absperrventil an dem Sterilisationsmitteleinlass wird die Arbeitssicherheit weiter erhöht, da dann auch bei ungewöhnlicher Einbaulage sichergestellt ist, dass keine Probenflüssigkeit in den Einlass gelangt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Probenauslass als ein Auslassrohr mit einem Anschluss ausgebildet, der mit einer Sterilhülse verbindbar ist. Der Anschluss kann auch mit einem durch Autoklavieren sterilisierten Probenahmegefäß, das einen separaten Anschluss zur Ableitung von Kondensat und eine Entlüftungseinrichtung mit einem Sterilfilter aufweist, verbindbar sein.

Die Sterilhülse ist mit einer Füllung, beispielsweise aus Glasseide, versehen, die bei der Dampfsterilisation des Ventils die Funktion eines Sterilfilters erfüllt. Die auf das Probenauslassrohr aufgesetzte Hülse wirkt durch eine sich in einer Verschlusskappe befindlichen kleinen Bohrung wie eine Dampffalle (Blende). Damit wird gewährleistet, dass das Auslassrohr ebenso wie das Ventilgehäuse komplett sterilisiert werden können und anschließend keine rückwärtige Kontamination mehr eintreten kann. Dies kann auch gewährleistet werden, wenn das Probenauslassrohr mit dem vorher in einem Autoklav sterilisierten Probenahmegefäß, das eine separate Ableitung für das bei der Dampfsterilisation entstehende Kondensat aufweist, verbunden ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist mindestens einer der Anschlüsse für die Kühlungseinrichtung und für den Sterilisationsmitteleinlass als eine Schnellkupplung ausgebildet.

Durch den Einsatz von gebräuchlichen Schnellkupplungen kann die Handhabung des Ventil noch komfortabler gestaltet werden. Schnellkupplungen sind zudem eine besonders kostengünstige und einfache Anschlussform.

Die bekannten Verfahren zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren mit einem Probenahmeventil haben den Nachteil, dass sie relativ unsicher sind und zeitlich nicht optimiert sind.

Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Verfahren zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren mit einem Probenahmeventil so zu verbessern, dass sie kurze Probenahmeintervalle ermöglichen und eine hohe Arbeits- und Betriebssicherheit gewährleisten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 11 dadurch gelöst, dass der Probenströmungskanal über eine in dem Ventilgehäuse benachbart zu dem Probenströmungskanal angeordnete, als ein Kühlungsströmungskanal ausgebildete separate Kühlungseinrichtung, vor und/oder während der Probenahme mittels eines geregelten Abkühlungsprozesses aktiv gekühlt wird.

Dadurch, dass das Ventil nach der Hitzesterilisation aktiv abgekühlt wird, ist eine schnellere Probenahmeabfolge möglich. Da das Kühlmittel nicht in Berührung mit dem Probenströmungskanal kommt, ist dabei eine etwaige Kontamination durch Kühlmittel ausgeschlossen. Damit wird eine hohe Arbeitssicherheit gewährleistet. Die Geschwindigkeit der Abküh lung kann über die Durchflussrate des Kühlmittels gesteuert werden. Dabei kann zusätzlich die gegebene Kühlmitteltemperatur berücksichtigt werden. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass über Mittel, die dem Kühlungseinlass vorgeschaltet sind, die Kühlmitteltemperatur geregelt wird. Durch die gezielte Abkühlung wird zuverlässig erreicht, dass die für eine Probenahme höchstzulässige Entnahmetemperatur in einer vorgebbaren Zeit erreicht wird und das diese Temperatur bei der Probenahme nicht überschritten wird. Es ist auch möglich, die Probe schon beim Durchlaufen des Probenströmungskanals so zu kühlen, dass sie auf dem Weg bis in einen Sammelbehälter oder eine Analyseapparatur nicht nur nicht denaturieren kann sondern auch mit einer für eine nachfolgende Analyse optimalen Temperatur zur Verfügung steht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Probenahme in folgenden Schritte durchgeführt:

a) Dampfspülen des Probenströmungskanals des Probenahmeventils über einen Sterilisationsmitteleinlass und einen Probenauslass, bei geschlossenem Probeneinlass, mit reinem Wasserdampf,
b) Dampfsterilisation mit einer auf ein Probenauslassrohr aufgesetzten Sterilhülse oder mit einem mit dem Probenauslassrohr verbundenen Probenahmegefäß, das vorher in einem Autoklav sterilisiert worden ist, und das einen separaten Kondensatanschluss aufweist, über den das entstehende Kondensat abgeleitet wird,
c) aktive Kühlung des Ventilgehäuses mittels der Kühlungseinrichtung,
d) Öffnen des Probeneinlasses des Probenahmeventils und Probenahme bei abgenommener Sterilhülse in das Probenahmegefäß und
e) erneutes Dampfspülen entsprechend Schritt a)

Durch die Verfahrensschritte a) bis e) wird die Möglichkeit, dass Proben bei der Entnahme unbrauchbar werden, verringert und damit die Arbeitssicherheit erheblich verbessert sowie eine schnelle Abfolge von Probenahmen ermöglicht.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vor der Dampfsterilisation, gegebenenfalls in einem Kühlungsströmungskanal innerhalb des Ventilgehäuses vorhandenes Kühlmittel aus der Kühlungseinrichtung entfernt.

Durch Entfernen des Kühlmittels, welches vorzugsweise Kühlwasser ist, aus der Kühlungseinrichtung wird erreicht, dass ggf. bei der Dampfsterilisation im Kühlungsströmungskanal befindliches Kühlwasser nicht unnötigerweise indirekt über das Ventilgehäuse mit erhitzt werden muss.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigen:
1: Ein Probenahmeventil in einer Seitenansicht im Schnitt,
2: eine Vorderansicht des Probenahmeventils in Richtung X von 1,
3: eine Draufsicht des Probenahmeventils von 1,
4: eine Seitenansicht im Schnitt des Ventilgehäuses des Probenahmeventils von 1,
5 eine Vorderansicht des Ventilgehäuses im Schnitt A-A von 4,
6 eine Vorderansicht des Ventilgehäuses im Schnitt B-B von 4 und
7 eine Draufsicht des Ventilgehäuses im Schnitt C-C von 4.
Ein Probenahmeventil besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 1, einem Stößel 2 und einem Ventilantrieb 3.
Das Ventil ist in drei Abschnitte 14, 24, 25 unterteilt. Der hintere Abschnitt 25 stellt das Verbindungsstück zum Antriebsteil 3 dar. Daran schließt sich ein mittlerer Abschnitt 24 und ein vorderer Abschnitt 14 zum Anschluss an einen Fermenter an. Der Antrieb 3 weist einen Bolzen 9 auf, der an seinem vorderen Ende über ein Gewinde koaxial mit dem Stößel 2 verbunden ist. Das hintere Ende des Bolzens 9 ist mit einem Handrad 4 verbunden. Der Bolzen 9 wird in einer Gewindekappe 10 geführt. Durch Drehen des Handrades 4 ist der Stößel 2 zum Öffnen und Schließen eines Probeneinlasses 6 um einen Hub 7 (8 mm) verstellbar. Der Antrieb 3 ist mit dem Ventilgehäuse 1 über einen Flansch 11 verschraubt. Zwischen einem Bund 12 des Stößels 2 und dem Bolzen 9 sitzt eine Dichtmembran 5. Die Membran 5 ist mit ihrem Rand umlaufend zwischen dem Flansch 11 und dem Ventilgehäuse 1 eingespannt und dichtet den Antrieb 3 gegenüber dem Ventilgehäuse 1 ab. Beim Verstellen des Antriebs 3 wölbt sich die Membran 5 entsprechend einer Vor- oder Rückwärtsbewegung.
In 1 ist das Probenahmeventil in geschlossener Ventilstellung mit der nach vorn gewölbten Membran 5 dargestellt. Der Stößel 2 führt durch einen zylinderförmigen Probenströmungskanal 17, dessen vorderes Ende als eine zylindrische Dichtfläche 8 ausgebildet ist. Der Stößel 2 weist an einem Stößelabschnitt 34 eine Nut mit einem O-Ring 13 auf, der bei geschlossenem Ventil den Probeneinlass 6 in Wirkverbindung mit der Dichtfläche 8 verschließt.
Der vordere Abschnitt 14 des Ventilgehäuses 1 ist vorteilhaft als ein Gegenstück zum Einbau in einen Normstutzen DN 25, wie er an Fermentern üblicherweise vorhanden ist, ausgebildet. Ein O-Ring 15 sitzt zur Abdichtung des Ventils 1 gegenüber dem Normstutzen in einer Nut am vorderen Ende des Abschnitts 14. Zur Verschraubung mit dem Normstutzen ist eine Überwurfmutter 16 vorgesehen.
Der Probenströmungskanal 17 weist ein als eine Bohrung ausgebildeten Sterilisationsmitteleinlass 27 auf. Die Bohrung führt abgeschrägt zum Probenströmungskanal 17 hin durch das Ventilgehäuse 1 in Höhe des hinteren Gehäuseabschnitts 25. An die Bohrung ist koaxial zu der Bohrung ein abgeschrägtes Ansatzrohr 28 mit einem Anschluss 26 für eine Sterilisationsmittelzufuhr angeschweißt. Der Anschluss 26 ist vorteilhaft als ein Normanschluss mit einer O-Ring-Dichtung 35 ausgebildet. Auf der dem Sterilisationsmitteleinlass 27 gegenüber liegenden Seite des Ventilgehäuses 1 ist, ebenfalls im Bereich des Gehäuseabschnitts 25, ein Probenauslass 29 in einem erweiterten Abschnitt 32 des Probenströmungskanal 17 ausgebildet, der durch ein Bohrung in ein abgewinkeltes Probenauslassrohr 30 mündet, dass einen Anschluss 31 zum Anschließen eines Probenahmegefässes aufweist. In einem waagerechtem Einbauzustand des Ventils, zeigt das Ende des Auslassrohres 30 senkrecht nach unten.
Der Probenströmungskanal 17 wird von der Wandung des Ventilgehäuses 1 ummantelt. In der Ummantelung ist ein Strömungskanal 18 für ein Kühlmittel ausgebildet. Der Kühlungsströmungskanal 18 ummantelt als Teil der Wandung des Ventilgehäuses 1 den Probenströmungskanal 17 und hat keine Verbindung zu dem Probenströmungskanal 17. Der Kanal 18 besteht aus einem zylinderförmigen Hohlraum mit zwei halbzylinderförmigen untereinander verbundenen Bereichen 19, 20. Die Bereiche weisen jeweils eine Bohrung auf, die als ein Kühlmitteleinlass 23 und ein Kühlmittelauslass 22 ausgebildet sind. Die Bohrungen sind in 7 um 45° versetzt gezeichnet. In die Bohrungen mündet jeweils ein Ansatzrohr 33 im Ventilgehäuseabschnitt 24, so dass die Längsachsen der Rohre 33 sich rechtwinklig schneiden. Die Ansatzrohre 33 weisen an ihren äußeren Enden Anschlüsse 26' bzw. 26'' auf, an denen eine Kühlmittelzufuhr, beispielsweise Leitungswasser, bzw. ein Kühlmittelabsluss anschließbar ist. Der Kühlmittelzufuhr, d.h. dem Anschluss 26', kann vorteilhaft ein Durchflussregler bzw. ein Dosierventil, vorgeschaltet sein. Der Kühlungsströmungskanal 18 bildet mit dem Kühlmitteleinlass 23, dem Kühlmittelauslass 22 und den zugehörigen Anschlüssen 26', 26'' eine separate Kühlungseinrichtung 21.
Ein Verfahren zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren mit einem Probenahmeventil beruht im Wesentlichen darauf, dass das Ventil vor einer Probenahme zunächst hitzsterilisiert wird und dann mittels einer separaten Kühlungseinrichtung 21 abgekühlt wird.
Das oben beschriebene Probenahmeventil wird in einen Normstutzen eines Fermenter eingesetzt und mit der Überwurfmutter 16 verschraubt. Zur Vorbereitung einer Probenahme muss das Probenahmeventil zunächst mit Reindampf (partikelfreier Wasserdampf) dampfgespült werden. Dazu wird eine Dampfzufuhr an den Anschluss 26 des Sterilisationsmitteleinlasses 27 angeschlossen. Nach Öffnen der Dampfzufuhr wird das Ventil für eine kurze Zeit dampfgespült. Der Dampf durchspült dabei den Probenströmungskanal 17 und tritt über den Probenauslass 29 aus einem Probenauslassrohr 30 aus. Das dabei entstehende Kondensat kann mit einem Becherglas aufgefangen werden.
Als nächster Schritt erfolgt die eigentliche Dampfsterilisation. Dazu wird die Dampfzufuhr gesperrt und auf den Anschluss 31 eine Sterihülse aufgesetzt oder ein Probenahmegefäss, das vorher in einem Autoklav sterilisiert worden ist und einen separaten Kondensatanschluss aufweist, angeschlossen. Nach erneutem Öffnen der Dampfzufuhr wird das Ventil für einige Minuten dampfsterilisiert. Die Sterihülse ist mit einer Füllung, vorteilhaft aus Glasseide, versehen, die bei der Dampfsterilisation des Ventils die Funktion eines Sterifilters erfüllt. Die aufgesetzte Hülse wirkt durch eine sich in einer Verschlusskappe befindliche kleine Bohrung als eine Dampffalle. Im Falle des angeschlossenen Probenahmegefässes wird das Kondensat über den Kondensatanschluss abgeleitet, während die Zuführung zu dem Gefässkörper über ein Absperrventil abgesperrt ist.
Nach der erfolgten Dampfsterilisation wird die Dampfzufuhr gesperrt. Anschließend wird die Kühlmittelzufuhr an den Anschluss 26' angeschlossen und der Kühlmittelabfluss mit dem Anschluss 26'' verbunden. Nach Öffnen der Kühlmittelzufuhr wird der Kühlungsströmungskanal 18 mit dem Kühlmittel durchströmt und so das Ventilgehäuse 1 in kurzer Zeit abgekühlt. Der Kühlungszeitraum kann über die Durchflussrate des Kühlmittels mit einem ggf. vorhandenen Durchflussregler, bzw. Dosierventil, unter Berücksichtigung der Kühlmitteltemperatur gesteuert werden. Nach einer ausreichenden Abkühlung kann die Probe durch Öffnen des Ventils aus dem Fermenter entnommen werden. War zuvor die Sterihülse aufgesetzt, wird diese vorher abgenommen. Anschließend kann die Probe einem dazu vorgesehenen Behälter, etwa dem beschriebenen Probenahmegefäss zugeführt werden, wobei dann der Kondensatanschluss des Probe nahmegefässes geschlossen wird und die Zuleitung zu dem Gefässkörper geöffnet wird.
Die Kühlmittelzufuhr kann während der Probenahme gesperrt sein. Es ist aber auch möglich, dass die Kühlung weiterläuft und die Probe bei der Entnahme weiter abgekühlt wird, um eine gewünschte Temperatur für die nachfolgende Verwendung, beispielsweise eine Probenanalyse, zu erreichen.
Durch die separate Kühlungseinrichtung 21 ist somit ein aktiv geregelter Abkühlprozess des Ventils, bzw. der Probe selber, möglich. Abschließend wird das Ventil nach Beendigung der Probenahme erneut dampfgespült und für die nächste Probenahme vorbereitet.

Claims

Probenahmeventil zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren, bei dem eine Probe über einen Strömungskanal, der in einem Ventilgehäuse ausgebildet ist und über den ein Probeneinlass mit einem Probenauslass verbunden ist, entnehmbar ist, und bei dem das Ventilgehäuse mittels eines den Probenströmungskanal über einen eigenen Sterilisationsmitteleinlass durchströmenden Sterilisationsmittels hitzesterilisierbar ist, und bei dem das Ventilgehäuse kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in das Ventilgehäuse (1) eine separate Kühlungseinrichtung (21) integriert ist, die als ein zu dem Probenströmungskanal (17) benachbarter Kühlungsströmungskanal (18) mit einem Anschluss (26') für einen Kühlmitteleinlass (23) und einem Anschluss (26'') für einen Kühlmittelaunlass (22) ausgebildet ist, über den der Probenströmungskanal (17) aktiv kühlbar ist.
Probenahmeventil nach der Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschluss (26) für den Sterilisationsmitteleinlass (27) auf der dem Probenauslass (29) gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses (1) angeordnet ist.
Probenahmeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse (26', 26'') der Kühlungseinrichtung (21) in einem Abschnitt (24) des Ventilgehäuses (1) zwischen dem Sterilisationsmitteleinlass (27) und dem Probeneinlass (6) angeordnet sind.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlmitteleinlass (23) der Kühlungseinrichtung (21) ein Absperrventil vorgeschaltet ist.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühlmitteleinlass (23) ein Dosierventil vorgeschaltet ist.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass dem Sterilisationsmitteleinlass (27) ein Absperrventil vorgeschaltet ist.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sterilisationsmitteleinlass (27) ein Dosierventil vorgeschaltet ist.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenauslass (29) als ein Auslassrohr (30) mit einem Anschluss (31) ausgebildet ist, der mit einer Sterilhülse verbindbar ist.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenauslass (29) als ein Auslassrohr (30) mit einem Anschluss (31) ausgebildet ist, der mit einem durch Autoklavieren sterilisierten Probenahmegefäß, das einen separaten Anschluss zur Ableitung von Kondensat und eine Entlüftungseinrichtung mit einem Sterilfilter aufweist, verbindbar ist.
Probenahmeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Anschlüsse (26, 26', 26'') für die Kühlungseinrichtung (21) und für den Sterilisationsmitteleinlass (27) als eine Schnellkupplung ausgebildet ist.
Verfahren zur sterilen Entnahme von Proben aus Fermentern oder Bioreaktoren mit einem Probenahmeventil, bei dem ein in einem Ventilgehäuse angeordneter Probenströmungskanal des Probenahmeventils vor der Probenahme zunächst hitzesterili siert und dann abkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenströmungskanal über eine in dem Ventilgehäuse (1) benachbart zu dem Probenströmungskanal (17) angeordnete, als ein Kühlungsströmungskanal (18) ausgebildete separate Kühlungseinrichtung (21), vor und/oder während der Probenahme mittels eines geregelten Abkühlungsprozesses aktiv gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Schritte durchgeführt werden: a) Dampfspülen des Probenströmungskanals (17) des Probenahmeventils über einen Sterilisationsmitteleinlass (27) und einen Probenauslass (29), bei geschlossenem Probeneinlass (6), mit reinem Wasserdampf, b) Dampfsterilisation mit einer auf ein Probenauslassrohr (30) aufgesetzten Sterilhülse oder mit einem mit dem Probenauslassrohr (30) verbundenen Probenahmegefäß, das vorher in einem Autoklav sterilisiert worden ist, und das einen separaten Kondensatanschluss aufweist, über den das entstehende Kondensat abgeleitet wird, c) aktive Kühlung des Ventilgehäuses (1) mittels der Kühlungseinrichtung (21), d) Öffnen des Probeneinlasses (6) des Probenahmeventils und Probenahme bei abgenommener Sterilhülse in das Probenahmegefäß und e) erneutes Dampfspülen entsprechend Schritt a).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Dampfsterilisation gegebenenfalls in dem Kühlungsströmungskanal (18) vorhandenes Kühlmittel aus der Kühlungseinrichtung (21) entfernt wird.