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DE3519265A1 - Reaktorgekoppelte filtrationsanlage mit automatischem probeneinlass zur aufbereitung und analyse von proben aus fermentationsprozessen - Google Patents

Reaktorgekoppelte filtrationsanlage mit automatischem probeneinlass zur aufbereitung und analyse von proben aus fermentationsprozessen

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DE3519265A1
DE3519265A1 DE19853519265 DE3519265A DE3519265A1 DE 3519265 A1 DE3519265 A1 DE 3519265A1 DE 19853519265 DE19853519265 DE 19853519265 DE 3519265 A DE3519265 A DE 3519265A DE 3519265 A1 DE3519265 A1 DE 3519265A1
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Germany
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filtration
filtrate
sample
filtration unit
automatic
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DE19853519265
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Reinhard 1000 Berlin Lenz
Ulrich Peckmann
Matthias Reuss
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Individual
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Description

  • Beschreibung
  • Reaktorgekoppelte Filtrationsanlage mit automatischen Probeneinlaß zur Aufbereitung und Analyse von Proben aus Fermentationsprozessen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine reaktorgekoppelte Filtrationsanlage (1) gemäß dem Ob#begriff des Anspruchs 1. In Zusammenhang mit der computergekoppelten Überwachung und Regelung von Fçrmentationsprozessen besteht ein erheblicher Mangel an zuverlässigen automatischen Verfahren für die Ermittlung der wichtigen Schlüsselparameter dieser Prozesse wie z.B. Konzentrationen der Biomassse, des Nährsubstrates und der Stoffwechselprodukte. Der Einsatz von hierfür geeigneten vollautomatischen Analysengeräten ist bislang nur in wenigen Einzelfällen möglich, weil die hierfür notwendige automatische Abtrennung der Organismen und der festen Medienkomponenten von der flüssigen Phase mit der für einen Produktionsprozeß notwendigen Zuverlässigkeit nicht möglich ist. Insbesondere haben sich die bisher vorgeschlagenen Filtrationssysteme, wie z.B. Dialyse und Membranfiltration mit während des Prozesses nicht austauschbaren Filtermitteln, nicht bewährt. Im Einzelnen sind als Nachteile zu nennen: 1. mangelhafte Standzeit infolge Porenverstopfung und Membranbelegung, 2. erhöhte Kontaminationsgefahr des Prozesses durch das Risiko der mechanischen Schädigung der empfindlichen Membranen, 3. eingeschränkte Auswahlmöglichkeit des Filtermaterials und dessen Porengröße wegen der Notwendigkeit der thermischen Sterilisierbarkeit und der Aufrechterhaltung der Sterilität während des Prozesses.
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  • 1981-1987) ein System vorgeschlagen, bei dem eine automatische Kuchenfiltration durchgeführt wird. Diese Autoren konnten zeigen, daß mit Hilfe der automatisch erfaßten Filtrationseigenschaften im Falle des Schimmelpilzes Penicillium chrysogenum quantitative Aussagen über morphologische Veränderungen während der Fermentation möglich sind. Das vorgeschlagene System basiert aber wiederum auf einem während der Fermentation nicht austauschbaren Filtermittel (fest eingebaute Kupfergaze) mit den bereits erörterten Nachteilen.
  • Darüber hinaus wird bei diesem für Laborfermentern konzipierten System die gesamte Probe, d.h. Filtrat und Filterkuchen, in den Reaktor zurückgeführt, so daß die Kopplung eines Analysenautomaten nicht ohne weiteres möglich ist. Dieses System hat weiterhin den Nach teil, daß die Erfassung des Filterkuchenaufbaus mit Hilfe einer einzigen Lichtschranke (Durchlichtmessung) erfolgt Diese Messung wird durch die Absorption der Fermentationsfluide beeinflußt, was insbesondere bei technischen Nährmedien problematisch werden kann.
  • Darüber hinaus ist bei einer Störung dieses einzigen Meßsignals eine zuverlässige Auswertung der Filtrationseigenschaften der entsprechenden Probe nicht möglich.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine reaktorgekoppelte automatische Filtrationsanlage anzugeben, mit deren Hilfe 1. bei einem Höchstmaß an Kontaminationssicherheit und 2. größtmöglicher Flexibilität bei der Auswahl des Filtermittels, 3. eine automatische Erfassung der Filtrationseigenschaften möglich wird und 4. das Filtrat für die Ankopplung von Analysenautomaten bereitgestellt wird.
  • 5. Während der Filtration soll das Wachstum des Filterkuchens erfaßt werden können.
  • 6. Nach jeder Filtration muß die Anlage automatisch gereinigt werden.
  • 7. Um die oben diskutierten Nachteile nicht austauschbarer Filtermittel zu vermeiden, muß nach jedem Filtrationsschritt das Filtermittel erneuert werden können.
  • 8. Der Verfahrensablauf sollte einfach steuerbar und beeinflußbar sein.
  • 9. Da das Fermentationsfluid im Reaktor ein Dreiphasengemisch (fest, flüssig, gasförmig) darstellt, ist es für eine saubere Ermittlung der Filtrationseigenschaften notwendig, die Gasphase vor Beginn der Filtration abzutrennen.
  • 10. Um eine reproduzierbare Befüllung des Probengefäßes zu erreichen, ist es nötig, dieses während der Beschickung zu entlüften.
  • 11. Zur Vermeidung von Verstopfungen des Entlüftungskanals und Rückvermischungen sollte keine Probe in den Entlüftungskanal eindringen können.
  • 12. Zum Schutz der Umgebung der Filtrationseinheit vor Nässe und Verschmutzung muß sichergestellt sein, daß zu keinem Zeitpunkt Spülwasser oder Probenbestandteile unkontrollierbar aus der Filtrationseinheit austreten können.
  • 13. Das Filtratauffanggefäß ist so zu konstruieren, daß Rückvermischungen zwischen aufeinanderfolgenden Proben bzw. zwischen Proben und Spülwasser ausgeschlossen sind 14. Da bei einer Kuchenfiltration das zu Beginn der Filtration anfallende Filtrat noch Schwebstoffe enthalten kann, sollte sichergestellt sein, daß diese Feststoffe nicht in den Analysenautomaten gelangen können.
  • Die unter 1. erwähnte Aufgabe wird bei einer Filtrationsanlage (1) der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Probe über eine dampf- sterilisierbare Leitung (19) mit Hilfe automatisch ansteuerbarer Ventile (12, 13) der Filtrationsanlage (1) zugeführt wird.
  • Da die eigentliche Abtrennung der Feststoffe im unsterilen Bereich erfolgt, kann die Sterilität der Prozesse nach dem Stand der Technik als gesichert angesehen werden.
  • Aus dem gleichen Grund kann die zweite Aufgabe als gelöst angesehen werden.
  • Die Tatsache, daß das Filtermittel (6) keine Sterilitätsbarriere darstellt, gibt dem Anwender die Möglichkeit, diese der jeweiligen Aufgabe anzupassen, so daß auch schwierige Filtrationsprobleme, z.B. durch den Einsatz von Mehrschichtfiltern, lösbar sind.
  • Mit der erfindungsgemäßen Anlage können eine Vielzahl von Schlüsselparametern industrieller Fermentationsprozesse mit verschiedenartigen Organismen und Medien einer automatischen Erfassung durch Analysenautomaten zugänglich gemacht werden. Dadurch ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten für Aufgaben der Überwachung und Regelung dieser Verfahren.
  • Die notwendige Zuverlässigkeit bei der meßtechischen Erfassung des Filterkuchenaufbaus wird durch den Einsatz mehrerer übereinander angeordneter Reflexionslichtschranken (17) sichergestellt.
  • Nach Beendigung der Filtration wird durch Schalten der entsprechenden Ventile (13, 14) die Filtrationsanlage (t) automatisch gereinigt. Dieser Vorgang kann erforderlichenfalls mehrmals wiederholt werden.
  • Das Filtermittel (6) wird durch einen Motor (3) nach Anheben des Spritzschutzes (7) weitertransportiert. Bei abgesenktem Spritzschutz (7) ist die Filtrationseinheit (1) hinreichend gegen unkontrollierten Austritt von Flüssigkeit jeder Art geschützt Der Verfahrensablauf wird durch einen entsprechend programmierten Prozeßrechner gesteuert.
  • Das Kopfteil (20) der Filtrationseinheit (1) ist so ausgebildet, daß die Probe tangential in den Kopf (20) eintritt und der gasförmige Anteil durch das Entlüftungsrohr (21) austreten kann.
  • Die Entlüftung der Filtrationseinheit erfolgt ebenfalls hierüber. Das Entflüfungsrohr (21) ist derart gestaltet, daß es deutlich unterhalb des Probeneinlasses (22) endet, wodurch keine Probe in das Rohr (21) eintreten kann.
  • Das totvolumenfreie Bodenventil (44) im Filtratauffanggefäß (2) verhindert Rückvermischung zwischen aufeinanderfolgenden Proben bzw. zwischen Proben und Spülwasser. Die zu Beginn einer Kuchenfiltration anfallenden Schwebstoffe lagern sich im unteren zylindrischen Teil (41) des Filtratauffanggefäßes (2) ab. Da der Probenkanal (42) zur Ankopplung von Analysenautomaten oberhalb des zylindrischen Teils (41) angeordnet ist, kann feststofffreies Filtrat Analysenautomaten (46) zugeführt werden.
  • Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutests Fig. 1 Die Prinzipdarstellung der reaktorgekoppelten Filtrationsanlage (1) gemäß der Erfindung Fig. 2a - 2e Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform einer reaktorgekoppelten Filtrationsanlage (i) gemäß der Erfindung Fig. 3 Darstellung einer 2. Ausführungsform.
  • Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Filtrationsanlage (1) arbeitet vollautomatisch. Die einzelnen Operationsfolgen stehen unter Kontrolle eines Prozeßrechners, der gleichzeitig für die Meßdatenerfassung und -auswertung zum Einsatz kommt. Ein Zyklus besteht aus folgenden Aktionen: 1. Sterilisation des Probennahmeventils (12) am Bioreaktor.
  • 2. Öffnen des Probenahmeventils (12) und Abführung des Vorlaufs.
  • 3. Herstellung der Verbindung zwischen Reaktor und Filtrationsanlage (1) und Befüllung des Probenbehälters (25) (Fig. 2a).
  • 4. Schließen der Entlüftung (8,21) und Überlagern der Probe mit dem vorgewählten Filtrationsdruck (15).
  • 5. Filtration, Erfassung des Gewichtes des anfallenden Filtrats mit Hilfe der Wägevorrichtung (4); Registrierung der Signale der Reflexionslichtschranken (17).
  • 6. Überführung eines Teils des Filtrats in das automatische Analysensystem. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist dies ein Hochdruckflüssigkeitschromatograph (45,46).
  • 7. Anheben des Probenbehälters (25); Spülung mit Wasser (14).
  • 8. Durchblasen der Leitungen, Ventile und Filtrationseinheit mit Luft. In Abhängigkeit von den Filtrationsproben erfolgt dieser Zyklus mehrmals.
  • 9. Anheben des Spritzschutzes (7).
  • 10. Einschalten des Stellmotors (3) und Transport des Filterbandes (6).
  • 11. Absenken der Filtrationseinheit (1).
  • Fig. 2a zeigt eine bevorzugte praktische Ausführungsform, der in Fig. 1 vereinfacht dargestellten Filtrationseinheit (1). Der Probenbehälter (25) wird gemeinsam mit dem Kopfteil (20) mit Hilfe des doppeltwirkenden pneumatischen Zylinders (5) in den Stangen (23) vertikal geführt. Der Probenbehälter (25) ist in einem Metallblock (29) eingesteckt, der auf der Unterseite mit einer Nut für eine Flachdichtung (30) versehen ist.
  • Beim Absenken wird diese Dichtung (30) gegen das auf der Filterstütze (32) aufliegende Filterband (6) gepreßt. Für die mechanische Stützung des Filterbandes (6) im Bereich des Probenbehälters (25) dient ein untergelegtes Sieb (31).
  • Die Filtrationseinheit (1) ist im unteren Teil so ausgeführt, daß genügend Bodenfreiheit für den zentralen Abfallkanal (37) und den seitlich angeordneten Filtratkanal (35) gegeben ist. Dieser Kanal (35) wird so ausgeführt, daß das auf der Wägevorrichtung (4) stehende Auffanggefäß (2) neben der Filtrationseinheit (1) angeordnet werden kann.
  • Der zylindrische Probenbehälter (25) wird anwendungsspezifisch ausgeführt und bestimmt die Bauhöhe der Filtrationseinheit (1). Fig. 2b zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Probenvolumen von 100 ml. Der Probenbehälter (25) besteht aus zwei verschiedenen transparenten Rohren (26, 28), die durch ein Paßstück (27) verbunden sind. Das Unterteil (28) ist so bemessen, daß sich bei gegebenen Probenahmen ein für die Reflexionslichtschrankenmessung (17) hinreichend hoher Filterkuchen ausbilden kann, für eine ausreichend schnelle Filtration genügend Filterfläche zur Verfügung steht und die insbesondere bei hochviskosen Fermentationsfluiden gegebene Gefahr einer Kolbenblasenbildung durch Lufteinschlüsse vermieden wird. Die Bemessung des oberen Rohres (26) richtet sich nach der gewünschten Probemenge.
  • In Fig. 2c ist der Kopf (20) mit den Bohrungen gezeigt, die für den im Unteranspruch beschriebenen tangentialen Probeneintritt (22) erforderlich sind. Die Pro- be gelangt durch die schräg angeordnete Bohrung (22) in den Probenbehälter (25). Der tangentiale Eintritt versetzt die Probe in eine rotierende Strömung, wodurch die aus dem Bioreaktor mitgerissenen Luftblasen zur Rohrachse hin abgetrennt werden. Durch das zentrisch angeordnete Rohr (21) wird das System entlüftet. Um zu gewährleisten, das keine Probenlösung in die Entlüftungsleitung (21) gelangen kann, ragt das zentrisch angeordnete Rohr (21) in den Probenraum (25) hinein und endet deutlich unterhalb des Probeneintritts (22). Bei der Bemessung der Höhe des Kopfteils (20) ist darauf zu achten, daß eine ausreichende Führung während des Anhebens und Senkens der Filtrationseinheit (1) gewährleistet ist.
  • Fig. 2d zeigt die im Unterteil (34) der Filtrationseinheit (1) montierte Filterstütze (32). Die Filterstütze (32) wird mit Hilfe von Bolzen (36) im Unterteil (34) festgehalten. Der Abfallstutzen (37), der aus dem trichterförmigen Unterteil (34) herausführt, hat einen Durchmesser von mindestens dem Innendurchmesser des unteren Teils des Probenbehälters (28).
  • In der Fig. 2a ist der Spritzschutz (7) in angehobenem Zustand dargestellt. Die Führung des Spritzschutzes (7) während des Hebens und Senkens durch unter dem Unterteil (34) angebrachte doppeltwirkende pneumatische Zylinder (9) erfolgt ebenfalls durch die Führungsstangen (23). Im abgesenkten Zustand des Spritzschutzes (7) verhindern 2 Flachdichtungen (33) das Austreten von Flüssigkeit aus dem Innenraum der Filtrationseinheit (1).
  • Fig.2e zeigt das Filtratauffanggefäß (2). Um eine Rückvermischung zwischen den zyklisch anfallenden Einzelproben und der Spülflüssigkeit, die zur Verfälschung nachfolgender Analysen führen wiirde, zu vermeiden, ist das Filtratauffanggefäß (2) mit einem totvolumenfreien hierfür speziell konstruierten Bodenablaßkörper (44) versehen. Dieser wird durch einen doppelt wirkenden pneumatischen Zylinder (9) betätigt. Der Probenkanal (42) zur Ankopplung des Analysenautomaten wird zweckmäßigerweise so angeordnet, daß ein evtl. im Filtrat vorhandenes Sediment nicht in den Probenkanal (42) eintreten kann. Der Probenkanal (42) endet in einer Normverschraubung (43), so daß die in der Analysentechnik üblichen Anschlüsse verwendet werden können. Das Gewicht des Filtratauffanggefässes (2) ist so zu dimensionieren, daß eine hinreichend genaue Wägung des Filtrates möglich ist.
  • Ausführungsbeispiel 2 (Fig.3) dient ausschließlich der Ankopplung von Analysenautomaten ohne Ermittlung der Filtrationseigenschaften. Bei dieser Anlage entfallen die in Fig. 1 dargestellten Vorrichtungen zur Erfassung des Filterkuchenwachstums (17) und die Wägeeinrichtung (4) für das Filtrat. Da für diese Anwendung die Anforderungen bezüglich der Gestaltung des Unterteils (28) des Probenbehälters (25) entfallen, kann dieser wesentlich einfacher konstruiert werden.
  • Da bei der Ankopplung von Analysenautomaten (z.B.
  • Hochdruckflüssigkeitschromatograph) bevorzugt Membranfilter zum Einsatz kommen, kann man den Nachteil der geringen Durchsatzleistung dieser Filter durch eine entsprechende Erhöhung der Filterfläche umgehen, wodurch sich u.a. auch die Bauhöhe der Filrationseinheit (1) erheblich verringert. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der für diese Anwendung konzipierten Filtrationseinheit (1) zeigt Fig. 3. Gegenüber der Anordnung der Vorrichtung in Fig. 2a sind die Führungsstangen (23) verkürzt und der Probenbehälter (47) mit verkleinerter Bauhöhe und entsprechend größerem Durchmesser ausgeführt. Die Bauteile Metallblock (29) und Filterstiitze (31, 32) werden den veränderten Abmessungen angepaßt.

Claims (12)

  1. Patentansprüche 1. Reaktorgekoppelte Filtrationsanlage mit automatischem Probeneinlaß zur Aufbereitung und Analyse von Proben aus Fermentationsprozessen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus der Filtrationseinheit (1) mit automatisch transportiertem Filterband (6), einem Filtratauffanggefäß (2), einer photometrischen Meßeinheit (17) zur Erfassung des Filterkuchenwachstums und der spezifischen Anordnung von Zuleitungsrohren (18, 19) und Ventilen (8,12,13,14,15,16) zur Beschickung, Entleerung, Reinigung, Sterilisation der Probenzuführung und Filtrationseinheit besteht.
  2. 2. Kopfteil (20) der Filtrationseinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe tangential von schräg oben in den Kopf (20) der Filtrationseinheit (1) eintritt.
  3. 3. Entlüftungsrohr (21) im Kopfteil (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses zentrisch in den Kopfteil (20) hineinragt und deutlich unterhalb des Probeneintritts (22) endet.
  4. 4. Photometrische Meßeinrichtung (17) zur Bestimmung des Filterkuchenwachstums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konzentrisch zu dem Probenbehälter (25) mehrere übereinander angeordnete Reflexlichtschranken (17) angeordnet werden.
  5. 5. Probenbehälter (25) in der Filtrationseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter aus transparentem Material gefertigt und das Unterteil (28) des Probenbehälters so dimensioniert ist, daß eine Messung des Filterkuchenwachstums ermöglicht wird
  6. 6. Unterteil (34) der Filtrationseinheit (1) gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Filtratablauf (Filtratkanal (35)) und der Kanal für die Abführung der Feststoffe und des Spülwassers (Abfallkanal (37)) voneinander getrennt sind.
  7. 7. Filtratkanal (35) im Unterteil (34) nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus der Filterstütze (32) seitlich herausgeführt wird.
  8. 8. Abfallkanal (37) im Unterteil (34) nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus dem trichterförmig gestalteten Innenteil des Unterteils (34) mit einem Innendurchmesser von mindestens dem Innendurchmesser des unteren Teils des Probenbehälters (28) herausgeführt wird.
  9. 9. Spritzschutzvorrichtung (7) der Filtrationseinheit (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese während des Filtrations- und Spülvorgangs auf das Unterteil (34) gedrückt, mit einer Flachdichtung (33) gegen das Filterband (6) und das Unterteil (34) abgedichtet und während des Transports des Filterbandes (6) durch den Motor (3) durch unter dem Unterteil (34) angebrachte doppeltwirkende pneumatische Zylinder (9) automatisch angehoben wird.
  10. 10. Filtratauffanggefäß (2) nach Anspruch 1, d## durch gekennzeichnet, daß das anfallende Filtrat in einem trichterförmigen Probenraum mit zylindrischen Ablauf (41) gesammelt wird.
  11. 11. Bodenablaßventil (44) des Filtratauffangefäßes (2) nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (44) bündig mit dem Auslauf (41) totvolumenfrei abschließt und durch einen doppeltwirkenden pneumatischen Zylinder (9) betätigt wird.
  12. 12. Probenkanal (42) des Filtratauffanggefäß (2) nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (42) am unteren Ende des trichterförmigen Teils herausgeführt wird.
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