DE3328712C2

DE3328712C2 - Folienfermenter

Info

Publication number: DE3328712C2
Application number: DE19833328712
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. 8047 Karlsfeld Märkl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-08-09
Filing date: 1983-08-09
Publication date: 1986-04-17
Also published as: DE3328712A1

Abstract

Folienfermenter für die Anzucht von Mikroorganismen oder von Zell- bzw. Gewebekulturen, ausgeführt als Folienschlauch, der beidseitig verschlossen und aufgehängt ist und der an jedem Ende durch einen kreisrunden Deckel abgeschlossen ist, so daß sich ein zylindrischer Raum bildet. Dem Folienschlauch ist ein genau angepaßter Stahlmantel zugeordnet, der bei der "in-situ"-Sterilisation an den zylindrischen Schlauch anlegbar ist und damit den Schlauch stützt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Folienfermenter für die Anzucht von Mikroorganismen oder von Zeil- bzw. Gewebekulturen. Derartige Fermenter werden üblicherweise aus Edelstahl hergestellt. Die Festigkeit des Behälters hat sich dabei nach den Sterilisationsbedingungeni.(Sattdampf Wasser 121°C, 1,2 bar Überdruck, 0,5 h)zü richten. Aus Sicherheitsgründen empfiehlt die DECHEMA-Betreibernorm (»Arbeitsmethoden für die Biotechnologie«, November 1982) die Auslegungstemperatur von 143⁰C und den Auslegungsdruck von 4 bar. Die Innenflächen sind möglichst reinigungsfreundlich auszubilden und auf Korn 240 zu bearbeiten.

Für Laborzwecke werden auch sogenannte »Glasfermenter« (übliche Reaktorgrößen 2 bis 200 1) eingesetzt. Hier wird ein serienmäßig erhältliches Glasrohr mit einem Boden und einem Deckel aus Edelstahl versehen. Alle Antriebselemente, Meßinstrumente sowie Zu- und Abführungsleitungen werden durch diese Stahlteile geführt. Verglichen mit Ganzstahlfermentern haben Glasfermenter den Vorteil der visuellen Beobachtungsmöglichkeit Darüber hinaus können Glasfermenter auch für die Anzucht photosynthetischei Kulturen eingesetzt werden, da der Reaktorinhalt von außen leicht zu beleuchten ist Nachteilig ist ein hohes Sicherheitsrisiko bei der »in situ«-Sterilisation (ohne Autoklaven bei gefülltem Fennenter), da ein bei 121⁰C mit Innendruck belasteter Glasbehälter schon bei geringfügigen Verletzungen des Glasmantels bersten kann. Die heute angebotenen Berstschutzmäntel, die fur die Sterilisation verwendet werden, bieten aber keinen ausreichenden Schutz gegen freiwerdende Glassplittcr sowie den Heißdampf.

Für biologische Reaktionen, die langsam ablaufen und die deshalb einen nur geringen Gasbedarf (Sauerstoff bei aeroben, CO₂ bei photosynthetischen Organismen) haben, sind Rührorgane in den Fermentern nicht notwendig. Solche langsam wachsenden Kulturen sind beispielsweise Pflanzenzellkulturen. Wegen der niedri-" gen Wachstumsgeschwindigkeit ist bei diesen Kulturen ein großes Reaktiom-yolumen notwendig, dessen volumenbezogene Kosten möglichst niedrig sein sollen. Für diesen Zweck ist nun (vgl. »Algae Biomass«, G. Shelef and C. J. Soeder, Editors, 1980, Elsevier/North-Holland Biomedical Press, S. 307 bis 313, insbesondere S. 308) ein Fermenter entwickelt worden (Fig. 1), der aus einem Folienschlauch (Polyäthylen) mit einem Durchmesser von 30 cm und einer Länge von 1 bis 2 m besteht. Die Wandstärke des Folienschlauches beträgt 0.3 mm beim kleineren und 0,6 mm beim größeren Behälter (Doppelfolie). Der Folienschlauch ist durch Zusammendrücken längs einer geraden Linie verschlossen und wird an der oberen Verschlußkl -mme über ein Seil an der Raumdecke aufgehängt. Im jeweils oberen bzw. unteren Bereich des Kulturbehälteis kann über einen eingeklebten Polyäthylenschlauch dem Behälterinnenraum wahlweise Flüssigkeit oder Gas zugeführt bzw. entnommen werden. Weitere Einbauten sind nicht vorgesehen. Die angegebenen Kulturbehälter dienen der nichtsterilen Anzucht photoautotropher Mikroalgen bzw. von Rädertierchen (rotifers). Dieser Folienschlauch hat aber den entscheidenden Nachteil, daß er nicht »in situ« steri(isierbar ist, da die Folie den dabei auftretenden Innendruck nicht aufnehmen kann. Die Anordnung kann deshalb nur für die Anzucht von mit rpin anorganischer Nährlösung versorgten Algen herangezogen werden, bei denen eine Sterilisation nicht notwendig ist. Bei Pflanzenzellkulturen werden jedoch in der Regel organische Nährlösungsbestandteile eingesetzt. Die Sterilisation ist dann nicht zu umgehen. Außerdem besteht bei diesem bekannten Folienfermenter keine Möglichkeit, die bei üblichen Fermentern vorgesehenen Einbauten, z. B. eine pH-Sonde, unterzubringen. Durch die US-PS 40 27 427 ist ein Verfahren und, eine Vorrichtung für die Produktion von !Mikroorganismen bekannt geworden. Es handelt sich _ä um einen Plastiksack, dessen einzige Öffnung durch eine gasdurchlässige, kreisförmige Filterscheibe verschlossen ist. Die Verbindung des auswechselbaren Filters mit'der Plastikfolie wird durch eine kragenlormige Verschraubung bewerkstelligt. Diese Vorrichtung

ι ist für die Produktion kleiner Mengen von Mikroorganismen vorgesehen. Die Installation der bei Fermenlern üblichen Einbauten wie Meßsonden, Zu- und Abführleitungen sowie einer Gasverteileinrichtung ist nicht vorstellbar. Die Vorrichtung kann im übrigen nicht »in situ« sterilisiert werden.

Weiterhin ist durch die GB-PS 8 55 644 ein tonnenförmiger Behälter bekannt, eier mit einer Plastikfolie ausgekleidet wird. Der die Auskleidung bildende Plastiksack ist mit einer verschraubbaren öffnung versehen, durch die der Behälter gefüllt oder entleert werden kann. Ebenfalls bekannt, durch die CH-PS 5 Yi 105, ist ein stapelbarer Kunststoffbehälter mit Plastiksackeinlage, die einen verschließbaren Stutzen besitzt. Die beiden zuletzt angesprochenen Patentschriften beschreiben also Plastiksäcke, deren Form durch einen äußerem Stützbehälter vorgegeben wird. Die einen Fermenter betreffende Problematik, z. B. der Druckaufnahme während der Sterilisation, wird darin nicht angesprochen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Foüenfermenter zu schaffen, der »in situ« sterilisierbar ist und die Verwendung genormter Meßy-mden und anderer Einbauten ermöglicht. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch die in den Patentansprüchen gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Aufden beigefügten Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen dem Stand der Technik entsprechenden Folienfermenter,

F i g. 2 einen erfindungsgemäßen Folienfermenter im Schnitt,

Fig. 3 den zugehörigen Siützmantel,

Fig. 4 die Anwendung als Blasensäule,

Fig. 5 die Anwendung als Schlaufenreaktor,

Fig. 6 ein Produktionsbeispiel, Fig. 7 einen Deckel mit den O-Ringen,

Fig. 8 den Stützmantel, vergrößert.

Gemäß Fig. 2 ist ein Folienfermenter als Folienschlauch 1 ausgebildet, der mit Hilfe elastischer Gummiringe (O-Ringe 2, Material beispielsweise Viton) mit einem entsprechend ausgebildeten Stahl-Uodcn 4 bzw. Stahl-Deckel 3 fest verbunden ist.

In dem oberen Deckel 3 können Meßsonden (pH-Sonde, Redox-Sonde, p_o,-Sonde, Turbidostatsonde), die Animpfstutzen, pH-Regulationsstutzen, Abluftkühler und eventuell ein Überdruckventil untergebracht sein. Der untere Deckel-Boden 4 kann die Zuführeinrichtung 5 für die Begasung, Kühleinrichtung, Heizeinrichtung, Temperaturmeßfühler, Ablaßventil und, wenn notwendig, ein Probeentnahmeventil enthalten. Zu den Deckel-Einbauten zählen beispielsweise auch di: Gasverteileiririchtung bzw. das Einsteckrohr (vgl. Fig. 5).

Der auf diese Weise gebildete Folienschlauch stellt ein exakt zylinderförmiges Gebilde dar, das bei der Sterilisation mit Hilfe eines Stützmantels 6 (Fig. 3) gestützt wird. Eingesetzt wird eine durchsichtige PA-Folie (Schmelztemperatur 170 bis 220⁰C). Die Foliendicke kann nach einer nachstehend noch angegebenen Auslegungsgleichung bestimmt werden. Die Instruimcnticrung kann, wie bei Glasfermentern, durchge-[ führt werden. Es ist ein Betrieb als Blasensäule 7 l-'ig. 4) bzw. Schlaufenreaktor 8 (F i g. 5) vorgesehen. In Jen Fällen erfolgt die Gaszufuhr über einen Gaskompressor 9, ein Sterilfilter 10 und einen Gasverteiler |ll. Oben entweicht die Abluft 12. Bei dem Schlaufenreaktor gemäß Fig. 5 ist nocis sin Einsteckrohr 13 zur Er- ; ziclüng einer definierten Umlaufströmung vorgesehen.

Die Sterilisation erfolgt in der Regel mit Hilfe des ohnehin in jedem Fermenter eingebauten Temperaturregelsystems. Voraussetzung ist, daß die eingesetzten Heizelemente entsprechend stark ausgelegt sind, um ein Hochheizer, des Fermenterinhaltes auf 121°C im Zeitraum von etwa 30 Minuten zu ermöglichen. Die Sterilisationstemperatur von 121°C wird über einen Zeitraum von 30 Minuten gehalten. Anschließend wird der Fermenterinhalt auf Betriebsbedingungen abgekühlt. Es ist hierbei nützlich, wenn im unteren Deckel (Boden) des Fermenters eine Kühlmöglichkeit vorgese · hen ist. Steht kein Temperaturregler zur Verfugung, so genügt auch eine Heizeinrichtung in Verbindung mit einem am oberen Deckel angebrachten Sicherheitsventil, das auf einen Überdruck von 1,2 bar eingestellt ist (Dampfkochtopfprinzip).

Folienfermenter können als Laborrenktoren eingesetzt werden, da sie ähnlich wie Glasreaktoren den Vorteil der durchsichtigen Außenwand haben. Besonders günstig ist jedoch - wegen der geringer -Olumenbezogenen Fermenterkosten - der F.insat? ·η der technischen Produktion, etwa nach dem in Fig. 6 angegebenen Schema. Danach ist eine größere Anzahl von Folienfermentern 22 in einem klimatisierten Raum 24 untergebracht, so daß eine Thermostatisierung des einzelnen Fermenters entfallen kann. Die einzelnen Fermenter sind an der Decke an einem Transportband aufgehängt und können von der Position Pos. 21 zur Position Pos. 23 transportiert werden. Die Transportzeit entspricht der notwendigen Kulturzeit. Die Folienfermenter werden in der Position Pos. 21 sterilisiert. In der Position Pos. 23 erfolgt die Ernte und danach die Aufarbeitung. Nach Abernten werden die verbrauchten Folien einer Verwertung 26 zugeführt, die Deckel und Böden werden in 25 gereinigt, über 27 in die Ausgangsposition Pos. 21 gebracht und zusammen mit einer neuen Folie 28 zu einem neuen Folienfermenter zusammengeführt.

Die Folienhalterung am Deckel ist in Fig. 7 vergrößert dargestellt. Die den Fermentationsraum 37 umhüllende Folie 31 muß am oberen und unteren Ende je an einem Deckel 32 befestigt werden, so daß ein von der Umwelt hermetisch abgeschlossener Raum entsteht. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Folie durch Einklemmen der Folie zwischen zwei O-Ringe 35 und 36 am Deckel festzuhalten. Die eigentliche Abdichtung erfolgt am O-Ring 36, da aufgrund des Gewichts des gefüllten Folienfermenters die Folie 31 an den O-Ring 36 angedrückt wird. Der O-Ring 35 wird durch einen Haltering 33 auf den O-Ring 36 gedrückt. Hierdurch wird die dazwischenliegende Folie 31 festgehalten. Der Außendurchmesser des O-Ringes 35 sollte etwas größer sein als der Innendurchmesser des Folienschlauches 31 (im Austührungsbeispiel ist der Innendurchmesser des Folienschlauches 200 mm, der Außendurchmesser des O-Ringes 205 mm). Auf diese Weise wird der Folienschlauch beim Einbau etwas gedehnt und eine Faltenbildung der Folie an der Dichtfläche zuverlässig verhindert.

Der Stützmantel für die »in situ«-Sterilisation ist in Fig. 8 vergrößert gezeigt. Bei der »in situ«-SteriIisation tritt im Inneren des Folienfermenters ein Überdruck von ca. 1,2 bar auf. Deswegen muß während der Sterilisation die Folie 45 abgestützt werden.

Der Stützmantel bestellt aus zwei Halbschalen 41, die durch Paßstifte 44 zu einem exakten Zylinderrohr zusammengefügt werden können, so daß sie die Folie 45 eng umschließen. Die beiden Halbschalen 41 werden

durch Halteringe 42 mit jeweils sechs am Umfang verteilten Schrauben 43 zusammengehalten. Die in axialer Richtung auf die Deckel 40 wirkende Kraft wird durch einen Vorsprung 46 des Stützmantels aufgefangen. Ein Tür Testzwecke ausgeführter Stahlstützmantel hat z. B. eine Gesamtlänge von 0,6 m, einen Innendurchmesser von 205 mm für einen Folienschlauch-Durchmesser von 200 mm. Insgesamt sind vier Halteringe 42 angebracht.

Abschließend seien die Vorteile des erfindungsgemäßen Folienfermenters gegenüber herkömmlichen Fermentern zusammengefaßt:

- Niedriger Herstellungspreis, nur zwei einfache Edelstahlteile sind notwendig; die Kosten für die Folie können vernachlässigt werden.

Gefahrlose Sterilisation (keine Glassplitter).

- Durchsichtige Außenwand, Einsatzmöglichkeit für photosynthetische Reaktionen.

Einfache Reinigungsmöglichkeit der wiederverwendbaren Teile.

Zur Abschätzung der notwendigen Foliendicke gelten die nachstehenden Überlegungen unter Anwendung der folgenden Bezeichnungen:

H = Höhe des Folienreaktors, D = Durchmesser des Reaktors, S = Wandstärke der Folie,

ρ = Dichte des Reaktorinhalis, g = Erdbeschleunigung,

σ = Zugspannung.

Zugspannungen innerhalb der Folie treten in axialer und in tangentialer Richtung auf:

1. Eine Spannung in axialer Richtung entsteht infolge des RcaktüfgcwichtcS

_H ■ D ■ ρ ■ g

"" AS

Das Gewicht des unteren Deckels ist hier vernachlässigt.

2. Die maximale tangential Zugspannung entsteht am unteren Reaktorende infolge des hydrostatischen Druckes

_HD-p-g _₂

2 S "" so

Daraus berechnet sich die Vergleichsspannung (Gestaltänderungsenergiehypothese):

Setzt man für σ, die Spannung ein, bei der die Folie reißt und wählt für den Sicherheitsfaktor F einen Wert zwischen 4 und 8, so kann die notwendige Foliendicke abgeschätzt werden.

40 N/mm²,
5,

2 m,

200 mm,
1000 kg/m³,
9,81m/s³,

Beispiel
(Pa-Folie)

0,21 mm

1

⁼ —fW ^V°ax ⁺ oian ⁺ \Otan ~ Oa:

y i-

55

60 Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

σ.	-0,43	H-	D-	P	*■ g*	F
S	-0,43		S
H-	D-	P	■g
	σ.

65

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung für die Anzucht von Mikroorganismen oder von Zeil- bzw. Gewebekulturen, bestehend aus einem Folienschlauch, der beidseitig verschlossen und aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienschlauch (1) an jedem Ende durch einen kreisrunden Deckel (3, 4, 32) abgeschlossen ist, so daß sich ein zylindrischer Raum bildet und daß dem Folienschlauch (1) ein genau angepaßter zylindrischer Stützmantel (6) zugeordnet ist, der bei der »in situ«-Sterilisation an den Schlauch anlegbar ist

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Deckel (3, 4, 32) an seinem Rand eine Aussparung zur Aufnahme von zwei elastischen Ringen (35,36) aufweist, die übereinander liegen und zwischen sich unter Einwirkung eines andrückbaren Halteringes (33) den Folienschlauch (31) dicht mrt dem Deckel verbinden.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des den Folienschlauch (31) unmittelbar spannenden elastischen Ringes (36) etwas größer ist als der Innendurchmesser des Folienschlauches, der beim Einbau etwas gedehnt wird und faltenfrei am elastischen Ring (36) anliegt.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Folienschlauch (1) bei einer Sterilisation stabilisierende Stützmantel (6) aus zwei I 'aibschalen (41) besteht, die durch Paß-Stifte (44) zu einem exakten Zylinderrohr zusammenfügbar sind.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen (41) durch Halteringe (42) mit Schrauben (43) zusammengehalten sind.

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (3) mit Meßsonden, Animpfstutzen, pH-Regulationsstutzen, Abluftkühler und gegebenenfalls mit einem Überdruckventil ausgestattet ist und im Deckel (4> Zulufteinleitung, Kühleinrichtung, Heizeinrichtung, Temperaturmeßfühler, Ablaßventil, eine Gasverteileinrichtung und gegegebenenfalls ein Probeentnahmeventil und ein Einsteckrohr (13) angebracht ist.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Folienschlauch ein Polyamid dient.

8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (3, 4) aus Edelstahl bestehen.