DE3544382A1 - Verfahren zur sauerstoffversorgung von bioreaktoren und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens und die anwendung der vorrichtung - Google Patents

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.