DE9014916U1

DE9014916U1 - Biotechnical reaction vessel

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Publication number: DE9014916U1
Application number: DE9014916U
Authority: DE
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Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1991-01-10
Anticipated expiration: 2000-10-30

Description

BeschreibungDescription

Biotechnisches Reaktionsgefäß
A. Rathjen, L. Bornschein, R. Seitz, Karlsruhe, DEBiotechnical reaction vessel
A. Rathjen, L. Bornschein, R. Seitz, Karlsruhe, DE

Die Erfindung betrifft ein biotechnisches Reaktionsgefäß mit festen und beweglichen Einbauten zur Temperierung und Durchmischung sowie zur Halterung von Sensoren und mit Stutzen für den Zu- und Ablauf des Reaktionsmediums, bestehend aus einem prismatischen oder zylindrischen Rohr, welches durch zwei Endplatten dicht verschließbar ist.The invention relates to a biotechnical reaction vessel with fixed and movable fittings for temperature control and mixing as well as for holding sensors and with nozzles for the inlet and outlet of the reaction medium, consisting of a prismatic or cylindrical tube which can be tightly closed by two end plates.

Reaktionsgefäße ähnlicher Bauart sind nicht nur auf die Nutzung in der Biotechnik beschränkt und sind daher aus Anwendungen im chemischen Labor in Vorrichtungen zur Titration (Prospekt der Firma Metrohm GmbH, FiI-derstadt), als Hilfsmittel in der Polymerforschung (Prospekt der Firma IKA Jahnke und Kunkel GmbH, Staufen) oder eben in der Biotechnik (Prospekt der Firma Braun-Diessel, Melsungen) bekannt.Reaction vessels of a similar design are not only restricted to use in biotechnology and are therefore known from applications in chemical laboratories in devices for titration (brochure from Metrohm GmbH, Filderstadt), as aids in polymer research (brochure from IKA Jahnke und Kunkel GmbH, Staufen) or in biotechnology (brochure from Braun-Diessel, Melsungen).

Reaktoren der beiden erstgenannten Anwendungen bestehen häufig aus einem Glasbehälter, der zur externen Temperierung meist doppelwandig ausgeführt ist, und mit einem Deckel verschlossen werden kann. Solche Deckel weisen eine begrenzte Zahl von Durchführungen auf, beispielsweise für eine Rührwelle, eine Dispergiereinrichtung oder für Meßfühler (Sensoren). Für Reaktionen in niedrig viskosen Medien (z.B. bei Titrationen) erfolgt die Durchmischung vielfach durch einen Magnetrührer. Zähe Medien erfordern eine kräftigere Rühreinrichtung, wobei spezielle Rührorgane gelegentlich nach der Art eines Schabers bis in die wandnahen Schichten wirken.Reactors for the first two applications often consist of a glass container, which is usually double-walled for external temperature control and can be closed with a lid. Such lids have a limited number of openings, for example for a stirrer shaft, a dispersing device or for measuring sensors. For reactions in low-viscosity media (e.g. in titrations), mixing is often carried out using a magnetic stirrer. Viscous media require a more powerful stirring device, with special stirring elements occasionally working like a scraper down to the layers close to the wall.

Insbesondere für die Biotechnik wurden spezielle Reaktionsbehälter entwickelt. Als Beispiele hierfür seien das biotechnologische Reaktionsgefäß aus der DE-PS 37 06 961 oder der Folienfermenter nach DE-PS 33 28 712 genannt. Neben der Durchmischung und Temperierung wird hier vor allem die Möglichkeit gefordert, eine Vielzahl unterschiedlicher Sensoren (pH-Wert, Redox-Potential, Sauerstoffgehalt etc.) und ggf. weitere Sonden (z.B. Druck, OptischeSpecial reaction vessels have been developed especially for biotechnology. Examples of this include the biotechnological reaction vessel from DE-PS 37 06 961 or the film fermenter according to DE-PS 33 28 712. In addition to mixing and temperature control, the main requirement here is the ability to use a variety of different sensors (pH value, redox potential, oxygen content, etc.) and, if necessary, other probes (e.g. pressure, optical

Dichte) unterzubringen. Beim Einsatz derartiger Reaktoren in der Biotechnik ist zwischen zwei Anwendungsfällen zu unterscheiden. Zum einen werden Reaktionen mit dem Ziel durchgeführt, eine möglichst große Menge von Mikroorganismen wachsen zu lassen (Fermentation oder Zellzüchtung). Dabei ist die Gestaltung des Reaktors eher zweitrangig, sofern die Füllmenge - das sogenannte Arbeitsvolumen - nur ausreichend groß ist. Andererseits sollen mit einer begrenzten Menge von Biokatalysatoren (Enzyme oder ganze Mikroorganismen) Enzymreaktionen und ähnliche Abläufe verfolgt werden. In diesem Fall sollte das Arbeitsvolumen möglichst klein sein, um auch bei einem geringen Einsatz an Biokatalysatoren hinreichend große Änderungen in der Zusammensetzung des Reaktionsmediums messen zu können.density). When using such reactors in biotechnology, a distinction must be made between two applications. On the one hand, reactions are carried out with the aim of growing as large a number of microorganisms as possible (fermentation or cell cultivation). The design of the reactor is of secondary importance, as long as the filling quantity - the so-called working volume - is sufficiently large. On the other hand, enzyme reactions and similar processes are to be followed with a limited number of biocatalysts (enzymes or whole microorganisms). In this case, the working volume should be as small as possible in order to be able to measure sufficiently large changes in the composition of the reaction medium even with a small amount of biocatalysts used.

Bekannte Reaktoren (Fermenter) zur Erzeugung von Biomasse, die nach dem Prinzip eines Rührkesselreaktors aufgebaut sind, bestehen in der Regel aus einem vertikal angeordneten Behälter aus Glas oder Edelstahl. Die Durchmischung erfolgt mittels einer senkrecht stehenden Rührerwelle, die entweder durch den Boden oder den Deckel des Behälters führt. Für die Sensoren und sonstigen Armaturen sind senkrechte Stutzen im Deckel vorgesehen. In manchen Ausführungen findet man auch seitlich angeordnete, schräg abwärts geneigte Stutzen für derartige Einbauten. In jedem Fall aber kann bei solchen Konstruktionen wegen der vorgegebenen Anzahl und Größe der Sensoren ein Arbeitsvolumen von ca. 1 Liter nicht unterschritten werden. Allein durch Verkleinerung des Maßstabs herkömmlicher Baumuster läßt sich die zweite genannte Aufgabe nur unzureichend erfüllen, da bei den bekannten Reaktorausführungen sowohl die Rühreinrichtungen als auch die Sensoren und alle sonstigen Einbauten vorwiegend in axialer Richtung ausgerichtet sind, und jedes dieser Elemente zur Befestigung und leichten Montage Platz beansprucht, der weit über die Querschnittsfläche des eigentlichen Sensorschaftes hinausgeht. Insbesondere bei den Einschraubstutzen mit Überwurfmutter steht dem genormten Schaftdurchmesser von 19 mm ein erforderlicher Montagedurchmesser von ca. 70 mm gegenüber. Bezogen auf den Schaftdurchmesser entspricht dies einer Flächenvergrößerung und damit näherungsweise auch einem Anstieg des Arbeitsvolumens um das Dreizehnfache. Übliche Reaktortypen, dazu zählen auch die zuerst genannten Universal-Rührreaktoren, sind also nicht besonders kompakt gebaut.Known reactors (fermenters) for producing biomass, which are constructed according to the principle of a stirred tank reactor, usually consist of a vertically arranged container made of glass or stainless steel. Mixing takes place by means of a vertical stirrer shaft that runs either through the bottom or the lid of the container. Vertical nozzles are provided in the lid for the sensors and other fittings. In some designs, there are also laterally arranged, diagonally downward-sloping nozzles for such fittings. In any case, however, with such designs, a working volume of approx. 1 liter cannot be undercut due to the specified number and size of the sensors. The second task mentioned can only be inadequately fulfilled by reducing the scale of conventional designs, since in the known reactor designs, both the stirring devices and the sensors and all other fittings are mainly aligned in the axial direction, and each of these elements requires space for fastening and easy assembly, which goes far beyond the cross-sectional area of the actual sensor shaft. Particularly in the case of screw-in sockets with union nuts, the standardized shaft diameter of 19 mm is offset by a required assembly diameter of approximately 70 mm. In relation to the shaft diameter, this corresponds to an increase in surface area and thus approximately an increase in the working volume by thirteen times. Common reactor types, including the universal stirred reactors mentioned above, are therefore not particularly compact.

In der Biotechnik wird größter Wert auf die Sauberkeit der Geräte gelegt. Die leichte Handhabung während der Reinigung ist also ein wichtiges Kriterium bei der Gestaltung von Bioreaktoren. Ein Bioreaktor, insbesondere im Laborbereich, sollte deshalb einfach zu zerlegen sein. Daneben wäre es wünschenswert, wenn die Sensoren an einem Reaktorbauteil montiert und vor Beschädigung geschützt bleiben könnten, während die übrigen Bauteile gereinigt werden, zumal die Sensoren sehr viel behutsamer behandelt werden müssen als die übrigen Bauteile.In biotechnology, the greatest importance is attached to the cleanliness of the equipment. Ease of handling during cleaning is therefore an important criterion in the design of bioreactors. A bioreactor, especially in the laboratory area, should therefore be easy to dismantle. In addition, it would be desirable if the sensors could remain mounted on a reactor component and protected from damage while the other components are cleaned, especially since the sensors have to be handled much more carefully than the other components.

Daher bestand die Aufgabe, ein biotechnisches Reaktionsgefäß mit festen und beweglichen Einbauten zur Temperierung und Durchmischung zu schaffen, in welchem bei einem minimalen Arbeitsvolumen eine maximale Zahl von Sensoren untergebracht werden kann, wobei das Gerät möglichst leicht zerlegbar sein sollte, und die Sensoren während der Demontage zur Reinigung des Geräts in ihren Stutzen verbleiben können und dabei gleichzeitig gegen Beschädigung durch unachtsames Hantieren weitgehend geschützt sind.The task was therefore to create a biotechnical reaction vessel with fixed and movable components for temperature control and mixing, in which a maximum number of sensors can be accommodated with a minimum working volume, whereby the device should be as easy to dismantle as possible and the sensors can remain in their nozzles during disassembly for cleaning the device and at the same time are largely protected against damage caused by careless handling.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Reaktionsgefäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved in a generic reaction vessel by the characterizing features of claim 1.

Der Erfindung lag die Idee zugrunde, die einzelnen Bauelemente eines Bioreaktors, bei denen es sich vorwiegend um schlanke, längliche Gebilde handelt, so anzuordnen, daß bei einer für die Herstellung, Funktion und Handhabung des Gerätes insgesamt vorteilhaften Konfiguration eine optimale Durchdringung der beteiligten Elemente vorliegt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die länglichen Bauelemente nicht wie bei herkömmlichen Reaktoren annähernd gleichgerichtet, sondern winklig versetzt und sogar senkrecht zueinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme lassen sich auch diejenigen Bestandteile sinnvoll voneinander trennen, denen insbesondere während der Reinigung eine durchaus unterschiedliche Behandlung zukommt.The invention was based on the idea of arranging the individual components of a bioreactor, which are predominantly slim, elongated structures, in such a way that the elements involved are optimally interpenetrated in a configuration that is advantageous for the manufacture, function and handling of the device as a whole. This is achieved according to the invention by not arranging the elongated components in an almost identical manner as in conventional reactors, but rather at an angle and even perpendicular to one another. This measure also makes it possible to sensibly separate those components that require completely different treatment, particularly during cleaning.

In dem nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel (vgl. Fig. 1 und 2) wird ein zylindrischer Behälter dadurch gebildet, daß ein Rohr (1) zwischen zwei Endplatten (Deckeln) (2) unter Verwendung geeigneter Dichtungen ver-In the embodiment described below (see Fig. 1 and 2) a cylindrical container is formed by sealing a tube (1) between two end plates (lids) (2) using suitable seals.

schlossen ist. Die erforderlichen Dichtkräfte werden dabei von einer Gewindestange (6) übertragen, die mittels einer Mutter (7) verspannt ist. Zur Befestigung der beiden Endplatten kommen natürlich auch alle anderen Arten von Verspannungen wie beispielsweise Verschraubungen oder Schnellverschlüsse in Frage. Zu Beobachtungszwecken kann ein Deckel aus Glas bestehen.closed. The required sealing forces are transmitted by a threaded rod (6) which is clamped using a nut (7). Of course, all other types of clamping, such as screw connections or quick-release fasteners, can also be used to fasten the two end plates. A cover can be made of glass for observation purposes.

Typische Sensoren in der Biotechnik wie pH- oder Redox-Potential-Sonden erfordern eine aufrechte oder bestenfalls geneigte Position. Neuerdings werden aber zunehmend auch lageunabhängige Sensoren angeboten. Die folgenden Ausführungen beschreiben das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß zwar in einer bevorzugten Lage, jedoch kann das Gefäß auch in beliebiger anderer Orientierung eingesetzt werden.Typical sensors in biotechnology such as pH or redox potential probes require an upright or, at best, inclined position. Recently, however, position-independent sensors are increasingly being offered. The following explanations describe the reaction vessel according to the invention in a preferred position, but the vessel can also be used in any other orientation.

In einer bevorzugten Orientierung des Reaktorbehälters erstreckt sich die Rohrachse in horizontaler Richtung. Von oben sind die schlanken Sensoren mittels passender Stutzen nebeneinander in den Mantel eingelassen (vgl. Fig. 1 und 2). Und zwar in der Weise, daß die eine Hälfte der insgesamt unterzubringenden Sensoren gerade so dicht nebeneinander liegt, wie es Montage und Betätigung der außerhalb des Behälterinnenraums liegenden Stutzen bzw. Überwurfmuttern eben zulassen. Die andere Reihe von Sensoren befindet sich um etwa den halben Abstand zwischen zwei Sensoren sowohl in axialer Richtung als auch um einen gewissen Winkel in Umfangsrichtung versetzt. Wie in der Figur 1 leicht zu erkennen ist, wird dadurch der Rohrinnenraum in mehrere Teilräume untergliedert, die sich in axialer Richtung erstrecken. Diese Kammern (im geometrischen Sinn) lassen sich nun erfindungsgemäß mit den Einrichtungen zur Durchmischung und Temperierung des Behälters vorteilhaft ausfüllen. Dadurch wird das Arbeitsvolumen des Reaktionsgefäßes weiter verringert.In a preferred orientation of the reactor vessel, the pipe axis extends in a horizontal direction. From above, the slim sensors are inserted into the casing next to one another using suitable nozzles (see Fig. 1 and 2). This is done in such a way that one half of the sensors to be accommodated are just as close to one another as the assembly and operation of the nozzles or union nuts located outside the vessel interior allows. The other row of sensors is offset by about half the distance between two sensors both in the axial direction and by a certain angle in the circumferential direction. As can easily be seen in Figure 1, this divides the tube interior into several sub-chambers that extend in the axial direction. These chambers (in the geometric sense) can now be advantageously filled with the devices for mixing and tempering the vessel. This further reduces the working volume of the reaction vessel.

Bei den Einrichtungen zur Durchmischung kann es sich um beliebige beidseitig oder vorzugweise einseitig gelagerte Rührer handeln. Für die Temperierung kommen Heiz- bzw. Kühlschlangen in Frage oder, wie gezeichnet, einseitig verschlossene Wärmetauschkörper, die in ihrem Innern beheizbar oder kühlbar sind oder von einem Medium durchströmt werden.The mixing devices can be any type of stirrer mounted on both sides or preferably on one side. Heating or cooling coils can be used for temperature control or, as shown, heat exchange bodies closed on one side, which can be heated or cooled inside or through which a medium flows.

Diese Einrichtungen werden vorteilhaft auf einer der beiden SeitenplattenThese devices are advantageously mounted on one of the two side plates

montiert. Somit besteht das Gerät im wesentlichen aus drei Komponenten: der einen Seitenplatte mit den Vorrichtungen zum Temperieren und Mischen, dem rohrförmigen Mittelteil mit den daran befestigten Sensoren und der zweiten Seitenplatte, in welcher die notwendigen Stutzen für den Zu- und Ablauf des Reaktionsmediums eingelassen sind (in den Fig. 1 und 2 nicht eingezeichnet).The device therefore essentially consists of three components: one side plate with the devices for tempering and mixing, the tubular middle part with the sensors attached to it and the second side plate in which the necessary nozzles for the inlet and outlet of the reaction medium are embedded (not shown in Fig. 1 and 2).

Zum Reinigen des Geräts lassen sich diese Komponenten leicht voneinander trennen. Die empfindlichen Sensoren können zunächst in ihren Stutzen verbleiben, während die robusteren Rühr- und Temperiereinrichtungen angemessen kräftig, beispielsweise mittels Bürsten etc. gereinigt werden. Je nach Erfordernis kann das Mittelteil mit den montierten Sensoren komplett in eine Reinigungslösung gestellt, abgespült oder auf andere geeignete Weise behandelt werden.These components can be easily separated from one another to clean the device. The sensitive sensors can initially remain in their sockets, while the more robust stirring and tempering devices are cleaned with appropriate force, for example using brushes, etc. Depending on requirements, the middle section with the mounted sensors can be placed completely in a cleaning solution, rinsed or treated in another suitable way.

Durch diese Konfiguration wird außer der Verringerung des Arbeitsvolumens also auch erreicht, daß das erfindungsgemäße Reaktionsgefäß leicht zerlegbar ist und die einzelnen Bauteile den funktioneilen Bestandteilen sinnvoll zugeordnet sind.In addition to reducing the working volume, this configuration also ensures that the reaction vessel according to the invention can be easily dismantled and that the individual components are sensibly assigned to the functional components.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen mit 2 Figuren1 sheet of drawings with 2 figures

Claims

Requirements Biotechnical reaction vessel

1. Biotechnical reaction vessel (see Fig. 1 and 2) with fixed and movable installations for temperature control (4) and mixing (3) as well as for holding sensors (5) and with nozzles for the inlet and outlet of the reaction medium, consisting of a prismatic or cylindrical tube (1) which can be tightly closed by two end plates (2),

characterized in that suitable devices for stirring (3) and tempering (4) are mounted or embedded in one or both end plates (2), while the sensors (5) which protrude into the vessel and are to be held by suitable connectors are arranged in at least two rows on the casing of the tube (1) in such a way that the sensor shafts cross alternately, whereby these rows of shafts together with the inner tube wall, depending on the crossing angle and position of the crossing center, delimit a plurality of clear spaces which extend in the axial direction and in which the aforementioned devices for tempering and stirring are accommodated in as space-filling a manner as possible.

2. Reaction vessel according to claim 1,
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characterized in that the angle between the axis of the prismatic or cylindrical tube and the horizontal is different from zero and is preferably approximately 90 degrees.

3. Reaction vessel according to claim 1 and 2,

characterized in that the pipe (1) is clamped between the two end plates (2) by a central screw connection consisting of a threaded rod (6) or stud bolt and a nut (7).

2 ■ ■-'■■ 2 ■ ■-'■■

1

4. Reaction vessel according to claim 1 to 3,

characterized in that the devices for stirring (3) and tempering (4) are embedded in one of the two end plates (2). 5

5. Reaction vessel according to claim 4,

characterized in that at least one nozzle (not shown in Fig. 1 and 2) is provided in the second end plate for the inlet and outlet of the reaction medium, whereby these nozzles are mounted so far up and down that the reaction vessel can be completely filled or emptied.