DE3544382A1 - Verfahren zur sauerstoffversorgung von bioreaktoren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und die anwendung der vorrichtung - Google Patents
Verfahren zur sauerstoffversorgung von bioreaktoren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und die anwendung der vorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sauerstoffversor
gung von Bioreaktoren und eine Vorrichtung zur Durchfüh
rung des Verfahrens.
Bei Sauerstoff benötigenden biotechnologischen Verfahren
führt die der O2-Versorgung dienende Luftdispergierung in
der Wasserphase des Bioreaktors häufig zu Problemen durch
die aufsteigenden Gasblasen, wie z. B. übermäßige Schaum
bildung und hieraus resultierende unerwünschte Flotations
effekte. Die Gasblasen und/oder die für die ausreichende
Sauerstoffversorgung erforderlichen durch den Rührer oder
die Gasblasen bedingten hohen Turbulenzen führen bei
empfindlichen Zellen, die häufig menschlicher, tierischer
oder pflanzlicher Herkunft sind, zu Zellschädigungen,
Verringerung des Zellwachstums und Erhöhung der Zellster
berate. Die hierdurch bedingte Anreicherung von toxischen
Zell-Zerfallprodukten beeinträchtigt die Zellvermehrung
zusätzlich. Auch bei der Züchtung von Mikroorganismen wie
z.B. Pilzen, Hefen, Bakterien sind derartige negative
Effekte möglich.
Die Schaumbildung kann derzeit nur durch zusätzliche
technisch aufwendige Maßnahme wie den Einbau von mecha
nischen Schaumbrechern und/oder den Einsatz von Anti
schaummitteln verhindert oder in tolerierbaren Grenzen
gehalten werden. Die Bekämpfung der Schaumbildung und der
zusätzlichen häufigen Flotation von Biomasse und orga
nischen Substanzen der Nährlösung als weitere negative
Begleiterscheinungen der Blasenbelüftung können die Pro
duktionskosten von Zellkulturen und biotechnologischen
Endprodukten sehr stark erhöhen.
Um die Schaumbildung und damit einhergehende Flotation von
Zellen, Proteinen, Micro-Carriern und Zell-Zerfallproduk
ten zu vermeiden, ist es bereits vorgeschlagen worden, den
erforderlichen Sauerstoff über offenporige hydrophobe
Membranen in den Reaktor einzutragen, wobei die Membranen
als Schlauchmembranen ausgebildet werden. Bei diesem
Reaktor muß die Membran bewegt werden, was den fertigungs
technischen Aufwand erhöht und einen Einsatz bei größeren
Bioreaktoren unwirtschaftlich macht. Darüberhinaus ge
statten diese Schlauchmembranen aufgrund der geringen
zulässigen O2-Partialdrücke nur eine begrenzte Sauerstoff
eintragrate, da andernfalls an den Poren unerwünschte
Gasblasen entstehen und aus den Poren austreten. Es ist
auch schon vorgeschlagen worden, für die Züchtung von
tierischen Zellen in Suspensions-und Monolayerkulturen in
Fermentationsgefäßen die Zufuhr des Sauerstoffs über
permeable Membranen durchzuführen, die aus einem gasdurch
lässigen synthetischen Material wie Silicongummi bestehen,
wobei die Membran als Schlauch ausgebildet sein kann.
Diese Schlauchmembranen sind außerordentlich empfindlich
gegen mechanische Einwirkungen, so daß ihr Einbau in den
Bioreaktor sehr sorgfältig erfolgen muß, damit Beschädi
gungen vermieden werden. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß nur geringe Sauerstoffeintragraten möglich
sind, da andernfalls bei höheren O2-Partialdrücken von
z.B. 1,5 bar Überdruck die Schlauchmembran reißt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur
Sauerstoffversorgung von Bioreaktoren und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die bei
geringem mechanischem Aufwand eine hohe Sauerstoffeintrag
rate ermöglicht ohne daß als Folge der Blasenbildung eine
Flotation in dem Bioreaktor auftritt.
Erfindungsgem. erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß
der für die Durchführung des Bioprozesses erforderliche
Sauerstoff insgesamt oder anteilsmäßig blasenfrei durch
eine porenfreie Kunststoffmembran mit einer Gewebever
stärkung in die Wasserphase eingetragen wird. Die Kunst
stoffmembran kann als Schlauch- oder Flachmembran ausge
bildet sein, wobei das Gewebe in die Kunststoffmembran
eingebettet, auf der der Wasserseite zugewandten Fläche
der porenfreien Kunststoffmembran oder aber auf der der
Wasserseite abgewandten Fläche der porenfreien Kunststoff
membran angeordnet sein kann.
Weitere Merkmale der Erfindung werden in den abhängigen
Ansprüchen beschrieben und nachstehend anhand der Zeich
nungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 bis 3 Ausführungsformen von Schlauchmembranen in
schematischen Seitenansichten im Schnitt,
Fig. 4 bis 6 Ausführungsformen von Flachmembranen in
schematischen Seitenansichten im Schnitt,
Fig. 7a einen Bioreaktor mit Flachmembranen in der
Seitenansicht im Schnitt,
Fig. 7b eine Doppelmembran des Bioreaktors nach Fig. 7 in
einer vergrößerten Detailansicht,
Fig. 7c eine weitere Ausbildung eines Bioreaktors mit
Flachmembranen in der Seitenansicht im Schnitt.
Fig. 8 einen Bioreaktor mit Schlauchmembran in der
Seitenansicht im Schnitt,
Fig. 9a und 9b die Anordnung von Schlauchmembranen in einer
schematischen Draufsicht,
Fig. 9c eine weitere Anordnung von Schlauchmembranen in
einer schematischen Seitenansicht in einem
vergrößerten Ausschnitt.
In Fig. 1 bis 3 sind als Schlauchmembranen ausgebildete
Kunststoffmembranen 4 dargestellt, die z. B. aus einem
ansich bekannten Siliconkunststoff oder mit Silicon be
schichtetem Kunststoff bestehen können. Die Kunststoff
membranen 4 sind mit einem Gewebe 6 verstärkt. Das Gewebe
6 kann in die Kunststoffmembran 4 eingebettet, auf der der
Wasserseite 7 zugewandten Fläche 8 oder aber auf der der
Wasserfläche 7 abgewandten Fläche 9 angeordnet sein. Das
Gewebe 6 kann aus monofilen oder multifilen organischen
oder anorganischen Fasern bestehen. Organische Fasern
können solche aus Polyester, Polyamid, Teflon od. dgl.
sein, während als anorganische Fasern Glasfasern oder
Metallfasern verwendet werden können. Von besonderem
Vorteil sind Fasern wie z. B. aus Polyester, die die zur
Sterilisation erforderlichen Temperaturen ohne negative
Beeinträchtigung ihrer meachnischen Eigenschaften ertragen
können.
In den Fig. 4 bis 6 sind schematisch ebenfalls porenfreie
Kunststoffmembranen 3 dargestellt, die jeweils als Flach
membran ausgebildet sind. Diese Kunststoffmembranen weisen
ebenfalls Verstärkungen mit einem Gewebe 6 auf, das wie
oben beschrieben ausgebildet und angeordnet ist.
Der in Fig. 7a schematisch dargestellte Bioreaktor 1 be
steht aus einem Reaktorgehäuse 10 mit einem bodenseitig
angeordneten Rührer 11. In dem Reaktorgehäuse 10 ist ein
Kunststoffmembranmodul 18 angeordnet, das aus Doppelmem
branen 19 besteht. Jede Doppelmembran 19 ist aus zwei
Flachmembranen 12, 13 gebildet, die mittels eines gas
durchlässigen Abstandhalters 14 auf Distanz gehalten
werden (Fig. 7b). Durch den durch die Flachmembranen 12,
13 gebildeten Kanal 20 wird der Sauerstoff eingebracht und
kann durch die Flachmembranen 12, 13 in die Wasserseite 7
diffundieren. Der Abstandshalter 14 kann z. B. als Well
band, Netz, Gewebe oder dergleichen ausgebildet sein.
Zwischen den Doppelmembranen 19 sind Abstandshalter 22
angeordnet. Diese verhindern, daß sich die Flachmembranen
12, 13 bei einer Beaufschlagung des Kanals 20 mit Gas
durch den Gasdruck nach außen verformen. Diese Abstands
halter 22 können ebenfalls als Wellband, Netz, Gewebe
oder dergleichen ausgebildet sein. Das Kunststoffmembran
modul 18 ist in seitlichen Wänden 23, 24 gehalten und in
dem Reaktorgehäuse 10 auf einer netz- oder gitterartigen
Auflage 31 abgestützt.
In Fig. 7c ist ein weiterer Bioreaktor 1 a dargestellt, der
sich von dem Bioreaktor 1 durch die Anordnung des Rührers
unterscheidet. Der hier verwendete Rührer 25 ist horizon
tal gelagert und weist stabförmige Rührelemente 26 auf,
die zwischen den Außenseiten 27 der Flachmembranen 12, 13
der Doppelmembranen 19 angeordnet sind. Die Rührelemente
26 sind radial auf der Welle 28 des Rührers 25 gelagert,
die durch die eine seitliche Wand des Reaktorgehäuses 10
durchgeführt ist. Um einen schnellen Ein- und Ausbau des
Kunststoffmembranmoduls 18 zu ermöglichen, können dessen
seitliche Wand 23 sowie die Doppelmembran 19 nicht näher
dargestellte vertikale schlitzförmige Ausnehmungen 29, 30
aufweisen, die in Fig. 7c durch Bezugszeichen angedeutet
sind. Bei einer Rotation des Rührers 25 wird ein beson
ders hoher scherkraftarmer Sauerstoffeintrag aus den
Doppelmembranen 19 erzielt.
Der in Fig. 8 dargestellte Bioreaktor 2 besteht ebenfalls
aus einem Reaktorgehäuse 10 mit einem bodenseitig ange
ordneten Rührer 11. In dem Reaktorgehäuse 10 sind jedoch
als Schlauchmembranen ausgebildete porenfreie Kunststoff
membranen 4 angeordnet. Die einzelnen Kunststoffmembranen
4 sind jeweils zu Schlauchringen 15 mit unterschiedlichem
Durchmesser geformt und übereinander und ineinander im
Abstand voneinander gestapelt. Zur Distanzhaltung und
Lagefixierung dienen Stützen 16. Fig. 9a zeigt eine sche
matische Draufsicht dieses so ausgebildeten Kunststoffmem
branmoduls 21. Es ist auch möglich, die schlauchförmigen
Kunststoffmembranen 4 in einer horizontalen Ebene jeweils
spiralförmig auszubilden wie es Fig. 9b zeigt. Hierbei
können jedoch unter Umständen ungleichmäßige mechanische
Belastungen und Lufteintragsraten auftreten. Fig. 9c zeigt
eine Abwandlung des Kunststoffmembranmoduls 21, bei der
die einzelnen Schlauchringe 15 direkt aufeinanderliegen.
Diese Ausführungsform entspricht annähernd einem Kunst
stoffmembranmodul mit Flachmembranen, wobei die für den
Lufteintrag wirksame Oberfläche durch die Wölbung der
einzelnen Schlauchringe 15 vergrößert ist. Zwischen den
Schlauchringen 15 (Fig. 9a) und in den spiralförmig ange
ordneten Schlauchringen 17 (Fig. 9b) sind ebenfalls Ab
standhalter 22 angeordnet.
Die je nach Typ des Bioreaktors und Anwendungsfall als
Schlauch- oder Flachmembranmodule zur Anwendung kommenden
Kunststoffmembranen zeichnen sich gegenüber bekannten
unverstärkten Kunststoffmembranen durch erhebliche Vor
teile aus. Durch die Gewebeverstärkung wird die Anwendung
sehr hoher Sauerstoffpartialdrücke von über 10 bar in der
Gasphase des jeweiligen Kunststoffmembranmoduls ermög
licht. Da die Sauerstoffmenge (g), die pro Zeiteinheit
(Stunde h) und Flächeneinheit (m2) eingetragen wird,
proportional mit dem Sauerstoffpartialdruck in der Gasphase
ansteigt, sind wesentlich höhere Sauerstoffeintragsraten
als bisher bekannt möglich. Während nicht verstärkte
Membransysteme z. B. auf der Basis dünnwandiger und ent
sprechend empfindlicher Siliconschläuche mit einer Wand
stärke von 0,2 mm bis ca. 0,5 mm Sauerstoffeintragsraten
von etwa 1 bis 2 g O2/m2h ergeben, betragen die Sauerstoff
eintragsraten bei demselben jedoch gewebeverstärkten
Membranmaterial und bei ähnlichen Wanddicken je nach
Durchmischung der Wasserphase 10 bis 30 g O2/m2h und mehr.
Die Durchmischung der Wasserphase 7, die auch den
Sauerstoffeintrag der Kunststoffmembranen mit
Gewebeverstärkung beeinflußt, kann durch einen oder
mehrere Rührer 11 und/oder durch eine externe Umwälzpumpe
erfolgen, die in den Abbildungen nicht näher dargestellt
ist. Eine zusätzliche Bewegung wie z.B. Rotation führt zu
einer weiteren Verbesserung des Sauerstoffeintrags und
damit der Reaktorumsatzleistung. Die Rotation kann hierbei
gleichbleibend oder als Hin- und Herbewegung und/oder Auf- und
Abbewegung ausgebildet sein.
Die durch die Gewebeverstärkung erzielte Verbesserung der
mechanischen Stabilität der Kunststoffmembranen 3, 4, 5
führt zusätzlich zu einer vollkommen problemlosen Hand
habung der jeweiligen Membran. Die Gefahr einer mecha
nischen Beschädigung, die bei unverstärkten dünnwandigen
Membranen stets gegeben ist und den Bau von Sauerstoff
eintragsmodulen auf Membranbasis im technischen Maßstab
erschwert, ist bei den gewebeverstärkten Kunststoffmem
branen 3, 4, 5 weitgehend beseitigt.
Der blasenfreie und damit auch zwangsläufig schaumfreie
Sauerstoffeintrag über nicht bewegte oder bewegte nicht
poröse Kunststoffmembranen 3, 4, 5 mit einer Gewebever
stärkung ist prinzipiell für die Sauerstoffversorgung
aller in der Biotechnologie eingesetzten Reaktortypen
geeignet. Neben dem Einsatz in Rührkessel- und Schlaufen
reaktoren ist die Verwendung gewebeverstärkter Kunststoff
membranen 3, 4, 5 als Membranmodul in jeweils auf den
Anwendungsfall zugeschnittener Modulform wie Schlauch
modul, Flachmembranmodul, Wickelmodul mit Schläuchen bzw.
Flachmembranen besonders auch für die Durchführung von
biotechnologischen Umsetzungen im Flüssig- Fest- Wirbel
schicht- und Fließbettreaktoren vorteilhaft.
Beim Flüssig- Fest- Wirbelschicht- bzw. Fließbettreaktor
befinden sich die Mikroorganismen entweder als biologi
scher Belag auf einem feinkörnigen festen Träger wie z. B.
Sand mit einem Durchmesser von z.B. 0,5 mm oder ohne
zusätzlichen Träger nur aus Bakterienmasse bestehend, in
Pelletform, in einem permanenten Schwebezustand, der durch
den aufwärtsgerichteten Strom der Nährlösung erzeugt wird.
Erfaßt das jeweilige Kunststoffmembranmodul, das in diesem
Fall vorteilhaft als Schlauchmodul bzw. Schlauchwickel
modul ausgebildet ist, gleichmäßig die gesamte Wirbel
schicht, wird eine Schaumbildung verhindert und zusätzlich
noch eine schonende und über die gesamte Wirbelschicht
gleichmäßige den Umsatz der Mikroorganismen steigernde
Sauerstoffversorgung ermöglicht. Auch beim Wirbelschicht
und Fließbettreaktor, bei denen der Sauerstoffeintrag der
Kunststoffmembranen mit Gewebeverstärkung weitgehend durch
die Membrandimensionen und den Sauerstoffpartialdruck
bestimmt wird, bewirkt eine kontinuierliche Hin- und
Herbewegung der Membranen bzw. des Membranmoduls in der
horizontalen und/oder vertikalen Richtung eine Verbesse
rung des Sauerstoffeintrags.
Claims (16)
1. Verfahren zur Sauerstoffversorgung von Bioreaktoren,
dadurch gekennzeichnet, daß der für die Durchführung
des Bioprozesses erforderliche Sauerstoff insgesamt
oder anteilsmäßig blasenfrei durch eine porenfreie
Kunststoffmembran mit einer Gewebeverstärkung in die
Wasserphase eingetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoff über eine im Reaktor feststehende
oder bewegte Kunststoffmembran mit Gewebeverstärkung
in die Wasserphase eingetragen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich
net, daß zur Minimierung der Schaumbildung und Flota
tionseffekte der im Bioreaktor erforderliche Sauer
stoff zum einen Teil durch eine ansich bekannte Bla
senbelüftung und zum anderen Teil blasenfrei über eine
oder mehrere porenfreie Kunststoffmembranen mit Ge
webeverstärkung in die Wasserphase eingetragen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeich
net daß als Bioreaktor ein Rührkessel, Schlaufen-
Fließbett- oder Wirbelschichtreaktor verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 , dadurch gekennzeich
net, daß die Sauerstoffzufuhr ausschließlich oder
zusätzlich über porenfreie Kunststoffmembranen mit
Gewebeverstärkung in einem Rezirkulationswasserstrom
eines Rührkessels, Schlaufen-, Fließbett- oder Wirbel
schichtreaktors erfolgt.
6. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffeintrag über
porenfreie Kunststoffmembranen mit Gewebeverstärkung
im Bioreaktor zur Züchtung empfindlicher Bakterien
kulturen und Zellkulturen menschlicher, tierischer und
pflanzlicher Herkunft erfolgt.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
Bioreaktor (1, 2) porenfreie Kunststoffmembranen (3,
4, 5) angeordnet sind, die mit einem Gewebe (6) ver
stärkt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewebe (6) in die porenfreie Kunststoffmembran
(3, 4, 5) eingebettet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewebe (6) auf der der Wasserphase (7) zuge
wandten Fläche (8) der porenfreien Kunststoffmembran
(3, 4, 5) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Gewebe (6) auf der der Wasserphase (7) abge
wandten Fläche (9) der porenfreien Kunststoffmembran
(3, 4, 5) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gewebe (6) aus monofilen oder multi
filen organischen Fasern besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gewebe (6) aus anorganischen mono
filen oder multifilen Fasern besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die porenfreie Kunststoffmembran (3, 5)
als Flachmembran ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die porenfreie Kunststoffmembran (4) als
Schlauchmembran ausgebildet ist.
15. Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels der porenfreien
Kunststoffmembran (3, 4, 5) mit Gewebeverstärkung in
einem Bioreaktor (1, 2) der Sauerstoffeintrag und
gleichzeitig/oder die Entfernung des durch die Bio
prozesse entstandenen Kohlendyoxids oder anderer
leichtflüchtiger Stoffwechselendprodukte erfolgt.
16. Anwendung der Vorrichtung nach Anspruch 7 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die in der Wasserphase im
Bioreaktor (1, 2) gelösten gegebenenfalls unerwünschte
Substanzen über die porenfreie Kunststoffmembran (3,
4, 5) mit Gewebeverstärkung abgeführt werden.
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