DD269162A1

DD269162A1 - Anordnung zur on-line-erfassung physikalischer, chemischer und biologischer prozessgroessen

Info

Publication number: DD269162A1
Application number: DD31067387A
Authority: DD
Inventors: Ludwig Apel; Dieter Beckmann; Gerald Lauckner; Josef Metze; Willi Preiss
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1987-12-18
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1989-06-21
Also published as: CN1038348A; DE3842902A1; CH677539A5; SE8804562L; DD269162B1; HUT52884A; SE8804562D0

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur on-line-Erfassung physikalischer, chemischer und biologischer Prozessgroessen in geschlossenen, sterilen biologischen Systemen. Die Erfindung bezieht sich auf die Erfassung von Prozessgroessen in komplexen fluessigen Medien und ist in der Biotechnologie, Medizin, Landwirtschaft und im Umweltschutz anwendbar. Ziel der Erfindung ist es, den in einem biologischen System, z. B. in einem Bioreaktor, ablaufenden Prozess vollstaendiger zu erfassen als bisher und Voraussetzungen fuer eine weitgehende Automatisierung und Optimierung nach biologischen Zielgroessen des Prozesses zu schaffen. Erfindungsgemaess wird das dadurch erreicht, dass zur sterilen Entnahme von biologischem Material in fluessiger Form eine ausserhalb des biologischen Systems und mit diesem verbundene Separationsbaugruppe vorgesehen ist, dass sich der Separationsbaugruppe ein Modul fuer die Darstellung der Probe anschliesst, dass Mittel fuer die parallele bzw. serielle messtechnische Erfassung der Proben angeordnet sind, wobei sowohl Mittel fuer die sterile messtechnische Erfassung der Probe vor dem Modul als auch Mittel fuer die nichtsterile messtechnische Erfassung der Proben hinter dem Modul angeordnet sind, und dass den vorgenannten Baugruppen ein Transportsystem zum Transport der Proben zugeordnet ist. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Erfassung von Prozeßgrößen in komplexen flüssigen Medien und ist in der Biotechnologie, Medizin, Landwirtschaft und im Umweltschutz anwendbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bekannt sind off-line-Varfahren, bei denen aus dem geschlossenen System, z. B. aus einem Bioreaktor, biologisches Material entnommen wird und in einem Lator auf die gewünschten Eigenschaften hin untersucht wird. Der Nachteil des off-line-Verfahrens besteht in einer zeitlichen und räumlichen Trennung und somit in der verzögerten Rückwirkung auf den Prozeß. Dadurch ist eine durchgehende Automatisierung der Prozeßsteuerung ausgeschlossen.

Weiterhin ist es bekannt, die Erfassung on-line vorzunehmen. So ist aus der DE-OS 3516030 eine Anordnung bekannt bei der eine in einem Bioreaktor angeordnete Probeentnahmesonde on-line an ein Meß- bzw. Steuersystem angekoppelt ist. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß Probe ^ntnahmesonden durch deii sogenannten Foi'ling-Effekt relativ schnell unbrauchbar werden, d.h die Sonden sind häufig auszuwechseln. Da sich die Probensonden im Bioreaktor befinden, ist die Folge davon die Störung bzw. Unterbrechung des Prozesses. Damit ist ebenfalls die Sterilität des Prozesses nicht mehr aufrechtzuerhalten.

Ein weiterer Nachteil bei dieser online-Messung besteht darin, daß bei der Messung Interferenzen auftreten, d. h., daß die zu messende Größe durch unerwünschte Nebeneffekte beeinflußt wird, wodurch mehr oder weniger stark verfälschte Meßergebnisse erzielt werden. Aufgrund dieser Nachteile ist der in einem biologischen System, z. B. in einem Bioreaktor ablaufende Prozeß nur unvollkommen steuerbar und nur bedingt oder nicht automatisierbar.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den in einem biologischen System ablaufenden Prozeß vollständiger zu erfassen als bisher und Voraussetzungen für eine durchgehende Automatisierung und Optimierung nach biologischen Zielgrößen des Prozesses zu schaffen.

Darlegung des Wesens der E findung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine on-line-Meßwerterfassung durchzuführen, ohne daß Rückwirkungen auf das sterile biologische System auftreten, z.B. durch Auswechseln · ?" Probenahmesonden, uhd beider mehrere Prozeßgrößen seriell oder parallel gemessen werden können, wobei Interferenzen auszuschließen sind.

Erfindungsgemäß wird das bei einer Anordnung zur on-line-Erfassung physikalischer, chemischer und biologischer Prozeßgrößen in geschlossenen, sterilen biologischen Systemen, insbesondere in Bioreaktoren, unter Verwendung von Vorrichtungen zur Probenahme zur sterilen Entnahme von Proben und mit einem oder mehreren parallel oder seriell angeordneten Detektionssystemen zur Erfassung der Meßdaten, dadurch erreicht, daß zur sterilen Entnahme ^on biologischem Material in flüssiger oder gasförmiger Form eine außerhalb des biologischen Systems angeordnete und mit diesem verbundene Separationsbaugruppe vorgesehen ist, daß sich der Separaiionsbaugruppe ein Modul für die Darstellung der Probe anschließt, daß Mittel für die parallele bzw. serielle meßtechnische Erfassung der Proben angeordnet sind, wobei sowohl Mittel für die sterile meßtechnische Erfassung der Probe vor dem Modul als auch Mittel für die nichtsterile meßtechnische Erfassung der Proben hinter dem Modul vorgesehen sind, und daß den vorgenannten Baugruppen ein Transportsystem zum Transport der Probe zugeordnet ist.

Der Anordnung können Mittel für die Entsorgung der Proben zugeordnet sein.

Das biologische System kann ein Bioreaktor sein, dem ein Grobfilter zugeordnet ist und mit diesem eine Baugruppe bildet, wobei dem Grobfilter ein Separationsbaustein zur Trennung von Biomasse und Filtrat nachgeordnet ist, dem ein Entgasungsmodul, ein Zwischenspeicher für Biomasse und ehe Meßzelle für Biomasse zugeordnet ist, wobei die genannten Baugruppen sterilisiei bar sind und steril betrieben werden können.

Zur Darstellung der Proben ist an den nichtsterilen Bereich des Separationsbausteins eine Pumpe angeschlossen, der über Ventile Vorratsbehälter für Wasser, Pufferlösungen, Marker und Reagenzien zugeordnet sind, wobei die Pumpe über weitere Ventile mit den Mitteln für die nichtsterile meßtechnische Erfassung der Proben, mit e.nem Zwischenspeicher für Filtrat und mit einem Auslaß verbunden ist.

Mit dieser Anordnung ist es erstmals möglich, eine on-line-Messung durchzuführen, ohne daß in das biologische System, z. b durch Probenahmesonden, eingegriffen werden muß. So kann z. B. ein Bioreaktor kontinuier ich steril weiter betrieben werden, auch wenn es erforderlich ist, im Probenahmemodul Baugruppen auszuwechseln.

Die Anordnung ermöglicht ebenfalls erstmalig den Separationsbaustein durch Rückspülung 'reizuspülen, um den Fouling-Effekt zu vermeiden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung bleibt dabei dennoch die Sterility erhalten.

Es wird weiterhin erstmalig möglich, seriell oder parallel mehrere Proben zu erfassen und für unterschiedliche Messungen darzustellen, d.h. so aufzubereiten, daß mit diesen bei dem vorgesehenen Meßverfahren optimale Einsatzbedingungen für die Detektionssystema erzielt werden.

Aufgrund des Vorliegens von mehreren Meßwerten kurze Zeit nach der Probenahme wird erstmalig eine automatisciie Prozeßsteuerung möglich. Aber auch für die manuelle Steuerung des Prozesses ergeben sich bessere Möglichkeiten für die Prozeßoptimierung. Erstmals wird mit dieser Anordnung die Voraussetzung für den Übergang von der diskontinuierlichen zur kontinuierlichen Prozeßführung mit biologischen Parametern als Führungsgrößen möglich.

Ein weiterer en scheidender Vorteil besteht darin, daß es möglich ist, ohne Beeinflussung des sterilen Prozesses im biologischen System nicht sterilisierbare Detektoren in der on-line-Messung einzusetzen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung in einer schematischen Darstellung Fig. 2: den detaillierten Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Aus einem geschlossenen System 7, z. B. aus einem Bioreaktor, wird eine repräsentative ^Dmbe unter sterile:". Bedingungen in einer Separationsbaugruppe 1 separiert bzw. so aufbereitet, daß die Randbedingungen für eine Detektion im geschlossenen Kreis erfüllt werden, z. B. zwischen den Baugruppen 7-1 bzw. 1-7. Für im geschlossenen Kreis nicht einsetzbare Detektionssysteme erfolgt in einer zweiten Baugruppe 2 die Darstellung der Probe, wodurch die für die Detektion erforderlichen Randbedingungen, d. h. die physikalisch-chemischen Parameter der Probe, wie Temperatur, Druck, pH-Wert, Konzentration, Zugabe von Reagenzien und Markern, definiert realisiert werden. Der Baugruppe 2 fü^r die Darstellung der Probe schließt sich eine Detektionsbaugruppe 3 für die Detektion der Komponenten der Probe an. Dabei können ein Detektionssystem oder mehrere oarallel oder seriell angeordnet sein, z. B. für chemische, physikalische und biologische Parameter. Dem Detektionssystem .,anließt sich noch eine Baugruppe 4 zur Entsorgung der Probe an. In dieser kann z. B. die Neutralisation gefährlicher Substanzen, Desinfektion und Speicherung der Probe erfolgen.

Der Transport der Probe und der Medien zwischen den genannten Baugruppen erfolgt mi' Hilfe eines Transportsystems 5. Alle iiiese Baugruppen werden von einem Steuerungssystem 6 zentral gesteuert. Eine Beeinflussung des Prozesses im geschlossenen System 7 ist über eine Prozeßste.jerung 8 im Zusammenwirken mit der De.ektionsbaugruppe 3 und/oder mit "lern Steuerungssystem 6 möglich.

Die Realisierung der in der Fig. 1 dargestellten Baugruppen is*.?..B. mit der in dei Fig.2 aufgeführten Gerätetechn:¹'möglich. Das geschlossene System 7 besteht im vorliegenden Fall aus einem sterilen Bioreaktor 9 und einem Grobfilter 10. Das geschlossene System könnte auch ein natürlicher biologischer Kreislauf sein. Der sterile Bioreaktor schließt das Rsaktorgefäß mit allen Einbauten, Rohrleitungen, Ventilen bis zu den Sterilfiltern sowie die Leitungen für den Probentransport zur und von der Separationsbaugruppe ein.

Die Separationsbaugruppe 1 besteht im vorliegenden Fall aus einem Separationsbaustein 11 und einem Entgasungsmodul 12 einschließlich der erforderlichen Rohrleitungen und Ventile. Im Separationsbaustein erfolgt die sterile Trennung der Biomasse und des Filtrates, wobei die mit dem geschlossenen System verbundene Eintrittsseite des Separationsbausteines zum sterilen

Bereich gehört, während die Austrittsseite nicht steril ist. Zur Separation der Probe können z. U. tangential überströmte Filter unterschiedlicher Materialien mit und ohne Mischsystem zur Vermeidung der Konzentrationspolarisation, Dialysebausteine, statische Filtrationseinheiten unterschiedlicher Materialien mit und ohne Mischsystem und Hohlfasern eingesetzt, werden.

An der sterilen Seite des Separationsbausteins 11 ist ein Zwischenspeicher 13 für die Biomasse angeordnet, dem sich eine Meßzelle 14 für die Biomasse anschließt.

Alle genannten Baugruppen bilden den Sterilbereich.

Dum Entgasungsmodul \l ist im nichtsterilen Bereich eine Meßzelle 15 für Gase, z.B. ein Gaschromatograph zugeordnet. An den nic'itsterilen Ausgang des Separationsbausteins 11 ist eine Pumpe 16 cngeschlossen, die zusammen mit Ventilen Bestandteil des Transportsystems 5 ist. Die Pumpe 16 ist übt r die entsprechenden Ventile sowohl mit einem Zwischenspeicher 17 für das Filtrat als auch mit einer Meßzelle 18 für das Filtrat verbunden. Als Pumpen können herkömmliche Dosierpumpen oder Spezialpumpen mit vorwählbarer Frequenz und vorwählbarem Hubvolumen vei wendet werden.

Der Pumpe 16 ist die Baugruppe 2 zur Darstellung der Probe zugeordnet. Diese Baugruppe kann z. B. Vorratsbehälter für Wasser 19, Pufferlösungen 20, Marker 21 und Reagenzien 22 haben. Dies« bieten die Möglichkeit, die Probe darzustellen, d.h.

die Probe optimal für das jeweilige sich anschließende Meßverfahren aufzubereiten.

Die Meßzellen 14,15 und 18 bilden die Detektionsbaugruppe 3. Die Meßzellen sind infolge des modularen Aufbaus der Anordnung austauschbar. Als Meßzellen werden sowohl Detektoren zur direkten Bestimmung biologischer, chemischer und physikalischer Größen im geschlossenen System im sterilen Bereich der Anordnung verwendet, die hr>hen dynamischen Anforderungen genügen, als auch Detektoren zur Erfassung biologischer, chemischer und physikalischer Größen im unsterilen Bereich. Diese sind nach Darstellung der Probe an den Prozeß angekoppelt. Als solche Detektoren können neben den genannten

z. B. Gaschromatographen, optische und Hochfrequenzspektrometer verwendet werden, denen die Proben in aufbereiteter Form zugeführt werden.

Bei dieser Anordnung werden die im Bioreaktor 9 erzeugten biologischen Materialien zunächst einem Grobfilter zugeführt. Von diesem gelangen die Materialien über ein Ventil in den Separationsbaustein 11, in dem eine Trennung in Biomasse und Filtrat erfolgt. Die Biomasse kann anschließend durch den Entgasungsmodul 12 entgast werden und dann in den Zwischenspeicher 13 gepumpt werden. Dieser Vorgang wird nach Entfernung des Filtrats aus dem Separationsbaustein 11 und Abpumpen in den Zwischenspeicher 17 bei entsprechender Ventilstellung durch die Pumpe 16 vorgenommen. Nach Entleerung des Separationsbausteines 11 ist bei entsprechender Ventilstellung bereits die nächste Probenahme möglich, während gleichzeitig die Biomasse und das Filtrat aus der vorhergehenden Probe dem Detektionssystem zugeführt werden bzw. aufbereitet werden.

So ist es möglich, die Biomasse einer Trübungsmessung zu unterziehen. Durch die vorhergehende Grobfilterung und Entgasung wird hierbei eine hohe Meßgenauigkeit erzielt. Bisher mußte diese Messung direkt am oder im Reaktor vorgenommen werdon, wobei Gasblasen und Verunreinigungen nur unvollkommen beseitigt werden konnten. Trotz der Versuche, die Fohler zu eliminieren, wurde keine große Meßgenauigkeit erzielt.

Da sich die Meßzelle 14 für die Biomasse im Sterilbereich befindet, kann nach Durchführung der Messung die Biomasse wieder in den Bioreaktor 9 zurückgeführt werden.

Die separierten Gar-e können aus dem Entgasungsmodul 12 der Meßzelle 15, z.B. einem Gaschromatographen, zugeführt werden und können so eine zusätzliche Information über den Prozeß im Bioreaktor liefern, die bei bisher bekannten Anordnungen nicht erzielbar war.

Das Filtrat kann durch die Pumpe 16 aus dem Zwischenspeicher abgepumpt wer ien und mit Hilfe der Baugruppen 19 bis 22 aufbereitet werden und dabei optimal an das sich anschließende Meßverfahren angepaßt werden.

Die Modulbauweise gestattet es, in kurzen Zeitabständen Proben zu entnehmPii und diese unterschiedlich darzustellen, d.h. sie an unterschiedliche Meßverfahren optimal anzupassen. Dadurc ι erhält man wesentlich mehr und bessere Meßergebnisse als bisher.

Da der Bioreaktor keine Einbauten zur Probenahme mehr erfordert, weil die Probenahme außerhalb des Reaktors erfolgt, ist nunmehr ein wesentlich effektiverer kontinuierlicher Betrieb des Bioreaktors möglich. Bisher mußte der Betrieb unterbrochen werden, wenn durch den Fouling-Effekt die Probenahmesonden unbrauchbar geworden sind.

Claims

1. Anordnung zur on-!ine-Erfassung physikalischer, chemischer und biologischer Prozeßgrößen in geschlossenen, sterilen biologischen Systemen, insbesondere in Bioreaktoren, unter Verwendung von Vorrichtungen zur Probennahme zur sterilen Entnahme von Proben und mit einem oder mehreren parallel oder seriell angeordneten Detektionssystemen zur Erfassung der Meßdaten, dadurch gekennzeichnet, daß zur sterilen Entnahme von biologischem Material in flüssiger oder gasförmiger Form eine außerhalb des biologischen Systems angeordnete und mit diesem verbundene Separationsbaugruppe (1) vorgesehen ist, daß sich der Separationsbaugruppe (1) ein Modul (2) für die Darstellung der Probe anschließt, daß Mittel für die parallele bzw. serielle meßtechnische Erfassung der Proben angeordnet sind, wobei sowohl Mittel für die sterile meßtechnische Erfassung der Probe vor dem Modul (2) als auch Mittel für die nichtsterile meßtechnische Erfassung der Proben hintei dem Modul (2) vorgesehen sind, und daß den vorgenannten Baugruppen ein Transportsystem zum Transport der Probe und der notwendigen Darstellungsmittel zugeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anordnung Mittel für die Entsorgung der Proben zugeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Biologische System ein Bioreaktor (9) ist, dem ein Grobfilter (10) zugeordnet ist und mit diesem eine Baugruppe bildet, daß dem Grobfilter (10) ein Separationsbajstein (11) zurTrennung von Biomasse (14) und Filtrat nachgeordnet ist, dem ein Entgasungsmodul (2), ein Zwischenspeicher für Biomasse (13) und eine Meßzelle für Biomasse zugeordnet ist, und daß die genannten Baugruppen sterilisierbar und steril betreibbar sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Darstellung der Proben an den nichtsterilen Bereich des Separationsbausteins (11) eine Pumpe (16) angeschlossen ist, der über Ventile Vorratsbehälter für Wasser (19), Pufferlösungen (20), Marker (21), und Reagenzien (22) zugeordnet sind, und daß die Pumpe über weitere Ventile mit den Mitteln für die nichtsterile meßtechnische Erfassung der Proben (15,18), mit einem Zwischenspeicher für Filtrat (17) und mit einem Auslaß verbunden ist.