EP2016356B1

EP2016356B1 - Vorrichtung zum einfrieren, transportieren und auftauen von fluiden

Info

Publication number: EP2016356B1
Application number: EP07720111A
Authority: EP
Inventors: Hans Peter Meier; Jan Hengstler
Original assignee: zeta Holding GmbH
Current assignee: Zeta Biopharma GmbH
Priority date: 2006-05-08
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2027-05-02
Also published as: EP2016356A1; RU2415362C2; DE502007002271D1; WO2007128151A1; ATE451588T1; US20090308567A1; RU2008143701A

Description

FELD DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vorrichtung zum Einfrieren, Transportieren und Auftauen von Fluiden, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, Lösungen und Suspensionen für die chemische, biotechnologische, pharmazeutische und Lebensmittelindustrie, gemäss Patentanspruch 1 und ein Verfahren zum Auftauen von solchen Fluiden gemäss Patentanspruch 10.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Bei der Produktion in der chemischen, pharmazeutischen und biotechnologischen Industrie, aber auch in der Lebensmittelindustrie hat die zunehmende Globalisierung von Produktionsprozessen steigende Anforderungen an die Logistik für das Lagern und Versenden von Produktstufen, z B. aus Zellkulturen für das Down Stream Processing, geführt. Um dieser Problematik gerecht zu werden, ist es immer wieder nötig, kleinere oder grössere Chargen von flüssigen Zwischen- und/oder Endprodukten einzufrieren und die eingefrorenen Chargen zu transportieren. Dazu sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen bekannt, die einen Behälter mit einer Gefrier-Auftau-Einrichtung umfassen, mit denen sich Chargen von einigen wenigen bis zu mehreren hundert Litern gefrieren lassen.
Aus US 5,524,706 ist zum Beispiel eine Vorrichtung mit einem aufrecht stehenden zylindrischen Behälter mit einem trichterförmigen Boden mit einer zentralen Ablassöffnung bekannt Behälterwand und -boden sind doppelwandig ausgebildet und werden beim Gefriervorgang von Kühlmittel durchströmt. Um ein schonendes und gleichmässiges Gefrieren zu gewährleisten, sind im Behälter eine Vielzahl von Kühlelementen angebracht Die Kühlelemente sind Hohlzylinder, deren Durchmesser und Längen so aufeinander abgestimmt sind, dass sie konzentrisch zueinander angeordnet den Behälterinnenraum jeweils von einem oberen Bereich, der durch die maximale Füllhöhe vorgegeben ist, bis annähernd zum Boden durchsetzen. Der Abstand der Kühlelemente vom Behälterboden und von den Kühlelementen zueinander ist überall gleich. Durch oberseitige Rohrleitungen, die alle Kühlelemente verbinden, kann über eine einzige Zuleitung und eine Ableitung an der Deckeloberseite das Kühlmittel zu- und abgeführt werden. Zum Auftauen wird entsprechend warmes Medium durch die Kühlelemente geleitet und nach dem vollständigen Verflüssigen des Behälterinhalts wird der Behälter über die zentrale untere Ablassöffnung im Bereich des tiefsten Punkts des Behälters entleert. Da die Kühlelemente gemäss der US 5,524,706 einen grossen Teil des Behältervolumens einnehmen und eine sehr grosse Oberfläche aufweisen, kann das Einfrieren und Auftauen schnell und schonend erfolgen, ohne dass noch zusätzliche Verfahrensschritte nötig wären. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es jedoch sehr wünschenswert die Kühlelemente massiv zu verkleinern um Kosten zu sparen und um das Nutzvolumen des Behälters zu steigern.
Von der Anmelderin wurde eine Gefrier- und Transportvorrichtung entwickelt, für die der Gefrierprozess in seinem zeitlichen und örtlichen Verlauf von Temperaturen und Phasenübergängen im Behälter quantifiziert wurde. Die Vorrichtung mit dem Markennamen FreezeContainer^® ist in den Figuren 1a und 1b dargestellt und weist bei einem skalierbaren Volumen von bis zu 300 Liter eine ganze Reihe von Vorteilen auf. Das Apparategewicht liegt über 10% tiefer als bei anderen bekannten Vorrichtungen. Die FreezeContainer^® haben ein optimales Sterildesign mit sehr guten CIP Eigenschaften. Das Design der Kühlelemente stellt einen über das Kesselvolumen zeitlich homogenen Phasenübergang sicher, was wiederum kurze Prozesszeiten garantiert. Über diese Vorteile hinaus ist das generelle Apparatedesign variabel genug, dass der FreezeContainer^® in komplexe Produktionsabläufe integriert werden kann und dabei die hohen Anforderungen der Pharmaindustrie an Funktions- und Prozesssicherheit erfüllt.
Zum Auftauen wird wiederum warmes Medium durch Behälterwand, Behälterboden und die Kühlschlange geleitet Der Auftauprozess wird vorzugsweise durch leichtes Schütteln des Behälters unterstützt.
Der geschlossene Behälter wird von oben her über ein im Deckel angebrachtes Zuführrohr mit Fluiden, insbesondere mit sterilen Flüssigkeiten, Lösungen und Suspensionen für die chemische, biotechnologische, pharmazeutische und Lebensmittelindustrie, im Folgenden als Produkt bezeichnet, befüllt Das Zuführrohr mündet genau über einer zentralen Ablassöffnung am tiefsten Punkt des Bodens, so dass das Produkt nach vollständigem Auftauen über den Bodenablass oder über das Zuführrohr entnommen werden kann.
Um das bereits hohe Mass an Funktionsumfang und Prozessanpassungsfähigkeit noch weiter zu erhöhen, ist es gewünscht, das Produkt beim Auftauen umpumpen zu können, was mit der bestehenden Vorrichtung nicht möglich ist

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Einfrieren, Transportieren und Auftauen von Fluiden, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, Lösungen und Suspensionen für die chemische, biotechnologische, pharmazeutische und Lebensmittelindustrie zur Verfügung zu stellen, die die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet und ein Höchstmass an Betriebsmöglichkeiten zulässt. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei der sich das gefrorene Produkt schneller und schonender als bisher auftauen lässt und gleichzeitig die Durchmischung des aufgetauten Substrats erleichtert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10, die ein beheiztes Tauchrohr umfassen, das frühzeitig aufgetaut wird und daher ein Umpumpen, das heisst die Entnahme und Rückführung von aufgetautem und vorzugsweise vorgewärmtem Produkt, während des gesamten Auftauvorgangs ermöglicht. Die Nachteile der bekannten Verfahren werden vermieden und ein schnelleres Auftauen erreicht
Die neue Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung weist mindestens ein Tauchrohr auf, das mit den Wärmetauscherelementen mindestens über einen Teilbereich seiner Längsausdehnung, der sich vorzugsweise annähernd von einem tiefsten Punkt des Behälters bis zu einer maximalen Füllhöhe erstreckt, in thermischer Wirkverbindung steht Die maximale Füllhöhe ist die Füllhöhe, bis zu welcher der Behälter mit zu gefrierendem Produkt gefüllt werden und noch kontrolliert ausgefroren werden kann. Sie wird vor allem durch die Anordnung der Wärmetauscherelemente bestimmt unter Berücksichtigung der Volumenausdehnung in Folge von Dichteänderungen. Bei den im Folgenden dargestellten Ausführungsformen liegt sie zwischen einem oberen Behälterrand und oberen Anteilen der Wärmetauscherelemente. Vorzugsweise steht das Tauchrohr in direktem Kontakt mit mindestens einem Wärmetauscherelement und ist passiv erwärmbar. Beim Auftauen lässt sich verflüssigtes Produkt über das mindestens eine heizbare Tauchrohr, das wiederum vorzugsweise von oben her den Behälterinnenraum durchsetzt und über einem tiefsten Punkt des Bodens mündet, entnehmen. Gegenüber den bekannten Vorrichtungen mit dem frei im Behälterinnenraum und damit frei im gefrorenen Produkt angeordneten Zuführrohr bringt das heizbare Tauchrohr den Vorteil mit sich, dass das gefrorene Produkt im Inneren des Tauchrohrs sehr schnell auftaut und die Entnahme des aufgetauten flüssigen Produkts nur in einer Anfangsphase des Auftauprozesses blockiert ist. Bei der Entnahme wird das aufgetaute Produkt während der Passage durch das beheizte Tauchrohr zudem schonend erwärmt, so dass es mit einer Temperatur deutlich über dem Gefrierpunkt vorzugsweise von oben her auf noch gefrorene Anteile des Produktes aufgegeben werden kann und den Auftauvorgang beschleunigt In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind dazu Rückführleitungen an der Innenseite des Behälterdeckels angeordnet
Die Erwärmung des aufgetauten Produktes im Tauchrohr während der Entnahme bringt einen wesentlichen Vorteil gegenüber einer Entnahme an einer Ablassöffnung im Boden mit sich. Wird bei einer Vorrichtung, wie sie aus der US 5,524,706 bekannt ist, das aufgetaute Produkt über den unteren Ablass entnommen, so hat das Produkt eine Temperatur die nur knapp über dem Gefrierpunkt liegt Wird diese kalte Flüssigkeit über die im Deckel angeordneten Einfüllstutzen auf das noch gefrorene Produkt gepumpt, so beschleunigt dies den Auftauvorgang kaum. Gemäss der vorliegenden Erfindung wird nun das umgepumpte Produkt vorgewärmt auf die noch gefrorenen Anteile gegeben, was den Auftauvorgang erheblich beschleunigt. Zudem ist die Abgabe des aufgetauten Produkts über die Ablassöffnung im Boden steriltechnisch nachteilig.
Ein weiterer Vorteil der neuen Vorrichtung liegt darin, dass der Weg, den das flüssige Produkt beim Umpumpen ausserhalb des Behälters zurücklegen muss, sehr kurz gehalten werden kann, da es nicht vom Bodenablass bis zur Zuführung im Deckel des Behälters geleitet werden muss. Einerseits lassen sich dadurch unerwünschte Leitungen an der Aussenseite des Behälters vermeiden und andererseits lassen sich das Be- und Entleeren sowie das Umpumpen bei der neuen Vorrichtung bequem von oben her erledigen, da alle Anschlüsse im Deckel oder zumindest in einem oberen Bereich des Behälters angeordnet werden können.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Rührers werden nachstehend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1a: einen Längsschnitt durch einen Kühl-Auftaü-Behälter gemäss Stand der Technik mit einem Kühlelement im Innenraum des Behälters und einem Bodenablass;
Fig. 1b: eine seitliche Ansicht des Behälters gemäss Figur 1a, in der ein Zuführrohr sichtbar ist, wobei die innenliegenden Installationen strichliniert dargestellt sind;
Fig. 2a: einen Längsschnitt durch einen Behälter einer Vorrichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Kühlelement und ein Tauchrohr nicht geschnitten dargestellt sind;
Fig. 2b: eine Ansicht von schräg oben auf ein Tauchrohr gemäss einer Ausführungsform in Wirkverbindung mit einer Kühlschlange, wobei nur die Anteile gezeigt sind, die im Inneren eines Behälters zu liegen kommen;
Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit wandseitig verlaufendem Tauchrohr, wobei wiederum ein Kühlelement nicht geschnitten dargestellt ist;
Fig. 4: eine seitliche Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die innenliegenden Installationen strichliniert dargestellt sind;
Fig. 5a: eine Ansicht von schräg unten auf einen Deckel einer Vorrichtung gemäss Figur 2 mit den am Deckel angebrachten Kühl, Tauch- und Rückführelementen; und
Fig. 5b: eine seitliche Ansicht auf Deckel und Kühl-, Tauch- und Rückführelemente gemäss Figur 5a.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Figur 1a ist ein Kühl-Auftau-Behälter B der Anmelderin im Längsschnitt dargestellt Dieser Behälter ist wie bereits oben ausgeführt unter der Bezeichnung FreezeContainer aus dem Stand der Technik bekannt. Der Behälter B ist mit einem oberen Deckel BD dicht verschliessbar. Zusammen mit einem unteren Boden BB und einer Seitenwand BS definiert der Deckel BD einen Innenraum I des Behälters B, in dem eine Kühlschlange KS angeordnet ist Die Kühlschlange steht, wie in der Figur 1a angedeutet, mit der doppelwandigen inneren Behälterwand über eine isolierte Kühlleitung KL in kommunizierender Verbindung. Kühlmittel, das über eine entsprechende Zuleitung AM der doppelwandigen Behälterwand BW zugeführt wird, wird nach dem Durchfliessen von Behälterwand BW und Boden BB über die Kühlleitung KL in die Kühlschlange KS geleitet Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich beim Einfrieren und Auftauen um technisch reversible Prozesse handelt, die sich mit der in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung und mit den gattungsgleichen Vorrichtungen gemäss der Erfindung durchführen lassen. Der Einfachheit halber werden in der folgenden Beschreibung daher die wesentlichen Elemente der Vorrichtungen primär als zum Kühlen geeignet beschrieben. Wenn im Folgenden von Kühlelementen, Kühlschlangen und ähnlichen Elementen die Rede ist, so ist klar, dass diese Wärmetauscher-Elemente nicht nur zur Durchleitung eines kalten Mittels oder Mediums beim Einfrierprozess geeignet sind, sondern auch zum Führen und Zusammenwirken mit einem warmen Medium während dem Auftauen.
Die Geometrie der Kühlschlange KS ist mit einer Mehrzahl von vertikal verlaufenden Abschnitten E_V, die jeweils über obere, respektive untere horizontale Abschnitte E_H miteinander verbunden sind, für einen optimalen zeitlichen und örtlichen Verlauf von Temperaturen und Phasenübergängen im Behälterinnenraum I ausgelegt. Während die oberen und unteren horizontalen Abschnitte E_H jeweils annähernd in einer Ebene liegen, reicht ein zentral im Behälter angeordneter vertikaler Abschnitt E_Z weiter nach unten bis knapp an einen tiefsten Punkt im Behälter heran. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Auftauen der Bereich unmittelbar oberhalb einer zentralen Ablassöffnung A im Behälterboden BB frühzeitig aufgetaut wird. Dies hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, da im Bereich der Bodenablassöffnung die Anordnung von Wärmetauscherelementen im Behälterboden sehr schwierig ist Die dem Deckel BD zugewandten oberen horizontalen Teilstücke EHO verlaufen in einem Bereich knapp unterhalb der maximalen Füllhöhe FH des Behälters B, respektive sie definieren die maximale Füllhöhe. Die vertikalen Teilstücke am Beginn und am Ende der Kühlschlange durchsetzen den Behälterdeckel BD und sind jeweils mit einem Kühlmitteleinlass ZM und mit der Kühlleitung KL und damit indirekt dem Auslass AM verbunden.
Der Kühl-Auftau-Behälter B gemäss der Figur 1 mit einem Nutzvolumen von 300 Litern weist eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer zentralen Längsachse L auf. Gattungsgemässe Kühl-Auftau-Behälter B haben üblicherweise ein Volumen von einigen wenigen bis mehreren Hundert Litern.
Die Figur 1b zeigt den Kühl-Auftau-Behälter B gemäss der Figur 1a in einer Seitenansicht um 90° gedreht, in der ein Zuführrohr ZR sichtbar ist, das eine kommunizierende Verbindung von der Deckeloberseite bis annähernd zum tiefsten Punkt im Inneren I des Behälters B herstellt Das Zuführrohr ZR wird mit einem oberen vertikalen Rohrstück ZV zwischen zwei vertikalen Abschnitten Ev , annähernd gleichmässig von diesen beabstandet, hindurchgeführt. Oberhalb eines unteren horizontale Abschnittes E_HU knickt es ab und wird mit einem schräg liegenden Abschnitt ZS bis über den tiefsten Punkt T des Behälters B geführt, wo es mit einer Öffnung ZO mündet
Der Behälter B wird vorzugsweise im geschlossenen Zustand, das heisst mit aufgesetztem Deckel über das Zulaufrohr ZR mit dem zu gefrierenden Produkt befüllt Nach Erreichen der gewünschten Füllhöhe wird ein entsprechendes Zulaufventil am oberseitigen Ende des Zulaufrohres geschlossen und der Kühlvorgang wird gestartet, indem kaltes Medium durch den Kühlkreislauf, der neben der Kühlschlange und der Behälterwand und dem Behälterboden noch mindestens eine nicht in der Zeichnung dargestellte Pumpe und ein ebenfalls nicht dargestelltes Kühlaggregat oder ein Kühlmittelreservoir umfasst, geleitet wird, bis das Produkt im Behälterinnenraum kontrolliert ausgefroren ist und die gewünschte Minustemperatur zur Lagerung oder zum Transport erreicht ist In diesem Zustand ist auch das Produkt, das sich im Inneren des Zuführrohrs ZR befindet, gefroren und dieses ist blockiert. Zum Auftauen wird warmes Medium durch den Kühlkreislauf geführt und zur Beschleunigung des Auftauvorgangs wird der Behälter, der auf einer Grundpalette P montiert ist, leicht geschüttelt Das tief herabgezogene zentrale Vertikalstück EZ stellt sicher, dass der Bereich oberhalb der zentralen Auslassöffnung relativ bald aufgetaut ist Obwohl das Zulaufrohr ZR genau in diesen Bereich mündet, lässt sich aufgetautes Produkt erst absaugen, wenn das gesamte Lumen des Zulaufrohrs aufgetaut ist. Wie bereits oben kurz ausgeführt, ist dies erst erreicht, wenn praktisch das gesamte Produkt aufgetaut ist. Über die untere zentrale Ablassöffnung A, die über eine Ablassleitung AL mit einem Ablassanschluss AA in einer Stirnseite des Grundpaletts P in Verbindung steht, kann relativ früh im Auftauprozess aufgetautes Produkt abgelassen werden. Da im bekannten Behälter aber keine Möglichkeit besteht, dieses verflüssigte Produkt zurückzuführen, kann nicht umgepumt werden. Zudem ist das über die untere zentrale Ablassöffnung A erhaltene Produkt noch sehr kalt und würde bei der Rückführung in den Behälterinnenraum kaum eine den Auftauprozess unterstützende Wirkung zeigen.
Die Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Gefrier-AuftauVorrichtung 1, die auf dem oben beschriebenen Kühl-Auftau-Behälter B basiert. Im Längsschnitt der Figur 2a ist dargestellt, dass neu ein Tauchrohr 60 im GefrierAuftau-Behälter 10 angeordnet ist Das Tauchrohr trägt an einem ersten Ende oberhalb eines Deckels 20 vorzugsweise eine Armatur 64, die einen Zuführ- 65 und einen Absauganschluss 66 und entsprechende Ventile 67, 68 und ein Sperrventil 69 umfasst. Von der Armatur 64 ist das Tauchrohr 60 mit einem ersten vertikalen Abschnitt nach unten geführt, durchsetzt den Deckel 20 und wird noch oberhalb einer Deckelunterkante 21 mit leichtem Gefälle über ein radiales Teilstück 52 zum Zentrum des annähernd zylindrischen Behälterinnenraums 11 geführt. Beim Erreichen der Behälterlängsachse L biegt das Tauchrohr 60 wiederum ab und erstreckt sich mit einem zweiten zentralen Vertikalstück 63 entlang der Zentralachse L bis annähernd zum tiefsten Punkt des Behälterinnenraums und mündet dort in einer Öffnung 63'. Das Tauchrohr 60 ist annähernd im gesamten Verlauf entlang der Längsachse L konzentrisch von einem koaxial geführten vertikalen Teilstück 51 eines Kühlelements umschlossen. Die übrigen Anteile des Kühlelements folgen in der Gestaltung im Wesentlichen der bewährten Formgebung, wie sie die von den oben beschriebenen FreezeContainem der Anmelderin bekannten Kühlschlangen aufweisen. Auch Wand 30 und Boden 40 des Behälters 10 sind wiederum auf bekannte Weise doppelwandig ausgebildet und tragen zum Wärmeaustausch bei. Durch die neuen technischen Merkmale wird gemäss der vorliegenden Erfindung erreicht, dass der Abschnitt des Tauchrohrs 60, der zwischen Behälterboden 30 und der maximalen Füllhöhe F_max zu liegen kommt, in optimaler Wirkverbindung mit dem frei im Behälterinnenraum verlaufenden Wärmetauscherelement, das heisst mit der Kühlschlange 50, steht
Soll zum Auftauen umgepumpt werden, so ist durch die erfindungsgemässe Anordnung von Tauchrohr und Kühlschlange und/oder anderen Wärmetauscherelementen sichergestellt, dass das Lumen des Tauchrohrs sehr bald nach Beginn des Durchleitens von warmem Medium durch den Kühlkreislauf auftaut. Das aufgetaute Produkt, das sich wiederum am tiefsten Punkt des Behälters sammelt, kann zu einem frühen Zeitpunkt im Abtauprozess nach oben durch das Tauchrohr 60 abgezogen werden. Als zweiter äusserst vorteilhafter Effekt kommt hinzu, dass sich das noch sehr kalte verflüssigte Produkt beim Transport durch das zentrale Teilstück 63 erwärmt, da dieses vollumfänglich vom warmen Medium umströmt ist.
Vorzugsweise bildet das zentrale Teilstück 63 des Tauchrohrs die innere Wandung des hohlzylindrischen Teilstücks 51 der Kühlschlange, so dass Tauchrohr und Kühlschlange als "Rohr im Rohr" integral miteinander verbunden sind und das Tauchrohr in den unmittelbaren thermischen Wirkbereich des Kühlelements integriert ist Ein unterstes Teilstück 63' des Tauchrohrs ist nicht mehr vom vertikalen Teilstück 51 der Kühlschlange umschlossen und ragt um wenige Zentimeter nach unten aus diesem heraus. Das unterste Teilstück 63' kann sehr einfach durch Ablängen an die Grösse des Behälters 10 angepasst werden, so dass sichergestellt ist, dass die untere Öffnung des Tauchrohrs auch im warmen Zustand (d. h. beim Auftauen und Umpumpen) noch mit dem gewünschten geringen Abstand von vorzugsweise 5 mm, mindestens aber 1 mm zum Behälterboden oder über einer unteren Auslassöffnung im Boden zu liegen kommt Es lassen sich zum Beispiel bestehende Vorrichtungen mit der erfindungsgemässen Kombination von Kühlelement und Tauchrohr, wie sie in der Figur 2b mit den unterhalb des Deckels liegenden Anteilen dargestellt ist, nachrüsten und vor Ort kann die Länge des Tauchrohrs genau und einfach angepasst werden. Der Verlust von Produkt, das nicht aus dem Behälter abgesaugt werden kann, lässt sich auf diese Weise minimieren. In der vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, wie sie in der Figur 2b gezeigt ist, weist das Tauchrohr einen inneren Durchmesser von 18.1 mm und eine Wandstärke von 1.6 mm auf. Das zentrale Teilstück 51 der Kühlschlange weist zum Beispiel für einen Behälter mit 300 Litern Nutzvolumen einen Durchmesser von 42.4 mm auf, die übrigen Abschnitte der Kühlschlange jeweils 21.3 mm. Der freie Strömungsquerschnitt in der Kühlschlange ist dadurch in allen Teilstücken annähernd gleich gehalten. Die einzelnen Abschnitte von Tauchrohr und Kühlschlange sind vorzugsweise aus Austenit-Stahl, zum Beispiel 4435/316L, und Hastelloy gefertigt und im Wolfram Inert Gas (WIG) Verfahren orbital und von Hand miteinander verschweisst Um die Herstellung der "Rohr in Rohr"-Lösung möglichst effizient gestalten zu können und um eine problemlose Reinigung zu gewährleisten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine obere Eintrittsstelle des zentralen Teilstücks 63 des Tauchrohrs 60 in das zentrale vertikale Teilstück 51 der Kühlschlange 50 und eine entsprechende untere Austrittsöffnung mit einem ringförmigen Stopfen 53 zu verschliessen. Das Wärmetauschermedium wird dem zentralen vertikalen Teilstück 51 der Kühlschlange 50 über ein oberes horizontales Teilstück 56 und ein unteres geneigtes Teilstück 57 zu- und/oder abgeführt, die jeweils in unmittelbarer Nähe zu den jeweiligen Enden des vertikalen Teilstücks 51 seitlich in dieses münden.
Tauchrohr und Kühlschlange können auch zweistückig gefertigt und ineinander gesteckt sein, so dass die Tauchrohrwand mit einer Innenwand des zentralen Teilstücks 51 in Kontakt kommt Für Behälter, die mehrfach verwendet werden, bietet sich die einstückige Ausführungsform an, da sich diese wesentlich besser reinigen lässt.
Anhand der Figur 2a soll im Folgenden der Auftauvorgang und das Entnehmen von aufgetautem Produkt beschrieben werden. Wir gehen davon aus, dass der Gefrier-Auftau-Behälter 10 bis zu einer maximalen Füllhöhe F_MAX mit gefrorenem Produkt gefüllt ist. Wird nun warmes Medium durch die Kühlschlange geleitet, so wird das Substrat S im Wirkbereich WB der Wärmetauscherelemente, das heisst im Wirkbereich der Kühlschlange und der doppelwandigen Behälterwand und des doppelwandigen Behälterbodens vorzugsweise schonend langsam aufgetaut
In der Figur 2a ist angedeutet, dass die tief herabgezogenen Anteile der Kühlschlange, nämlich das untere geneigte Radialstück 57 der Kühlschlange und der untere Bereich des zentralen Teilstückes 51, sicherstellen, dass beim Auftauen das Produkt am und um den tiefsten Punkt des Behälters sehr früh auftaut. Im Sinne der Erfindung ist das Lumen des zentralen Abschnittes 63 des Tauchrohrs 60 als einer der ersten Bereiche im Behälterinnenraum eisfrei. Das aufgetaute Produkt, das sich am tiefsten Punkt des Behälters 10 sammelt, kann somit zu einem sehr frühen Zeitpunkt des Auftauprozesses, aus dem Behälter 10 entnommen werden. Das verflüssigte Produkt wird beim Transport durch den zentralen Tauchrohrabschnitt nach oben weiter erwärmt und bei geöffneten Ventilen 69 und 68 über den Absauganschluss 66 der Armatur 64 einer nicht in den Figuren dargestellten Fluid- Transporteinheit, vorzugsweise einem Förderer oder einer Pumpe, zugeführt. Von dieser wird das vorgewärmte Produkt über eine Rückführleitung 70, wie sie in der Figur 5 mit ihren Anteilen an der Deckeloberseite und an der Deckelunterseite gezeigt ist, wieder in das Innere des Behälters 10 gefördert In der seitlichen Ansicht gemäss Figur 5b auf den Deckel 20 sind das Fördermittel (zum Beispiel eine Pumpe) und die Leitungen, die den Absauganschluss 66 der Tauchrohrarmatur 64 und einen Zuführanschluss 71 oberhalb des Deckels miteinander verbinden, nicht dargestellt. Bei geöffnetem Ventil 72 wird das erwärmte Produkt über die Rückführleitung 70, die mit einem Vertikalstück 73 den Deckel 20 durchsetzt und mit einem abgewinkelten Schenkel 74 mündet, in den Behälter zurückgeführt. Eine endständige Abgabeöffnung 75 des Rohrschenkels 74 mündet seitlich an einem vertikalen Teilstück der Kühlschlange oberhalb des durch die maximale Füllhöhe F_MAX definierten Niveaus. Das vorgewärmte Produkt wird beim Umpumpen von oben her auf die gefrorene Produktoberfläche aufgegeben und unterstützt dadurch den Auftauvorgang von oben her. Die Positionierung der Abgabeöffnung 75 des Rohrschenkels 74 bedingt, dass das umgepumpte Produkt an das vertikale Teilstück der Kühlschlange geleitet wird. Dadurch lässt sich die Schaumbildung beim Umpumpen des Produktes erheblich vermindern.
Die Kombination des Entnehmens und Vorwärmens von aufgetautem Produkt mit einem efindungsgemässen Tauchelement 60 mit der unmittelbaren Rückführung über die Rückführungsleitung 70 zu einem frühen Zeitpunkt, zu welchem ein Grossteil des Produkts im Innenraum 11 des Behälters 10 noch gefroren ist, erlaubt ein schnelles und schonendes Auftauen.
Anstatt das Tauchrohr, wie vorangehend beschrieben, durch das zentrale Teilstück der Kühlschlange zu führen, wird es in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, wie sie in der Figur 4 dargestellt ist, alternativ geführt. Das Tauchrohr 60' verläuft hier durch ein Teilstück 51' einer Kühlschlange 50', das in einem oberen Bereich parallel zwischen Behälterwand 40 und Längsachse L verläuft und in einem unteren Bereich zum tiefsten Punkt des Behälters 10 hin geneigt ist Durch diese Konstruktion ist wiederum sichergestellt, dass das Tauchrohr auf der gesamten Strecke vom tiefsten Punkt des Behälters bis zur maximalen Füllhöhe konzentrisch vom entsprechend angepassten Teilstück 51' der Kühlschlange 50' umschlossen ist
In weiteren Ausführungsformen umschliesst das Tauchrohr die Kühlschlange, so dass bei der "Rohr im Rohr" Konstruktion das Tauchrohr aussen zu liegen kommt und vom innenliegenden Teilstück der Kühlschlange gekühlt oder erwärmt wird. Hinsichtlich der Wärmeleitung sind diese Ausführungsformen weniger bevorzugt Gleiches gilt für Ausführungsformen, bei denen das Tauchrohr und ein zusammenwirkendes Teilstück der Kühlschlange als aneinanderliegende Halbrohre ausgeführt sind, wobei hier noch eine verschlechterte Strömungsdynamik hinzukommt
In der Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, in der ein Tauchrohr 80 nicht mit einer Kühlschlange KS, sondern mit einer doppelwandigen Behälterwand 40' und einem doppelwandigen Behälterboden 30' in Wirkverbindung steht Um die Reinigung des Behälterinnenraumes nicht zu erschweren ist das Tauchrohr 80 vollständig in Wand 40' und Boden 30' versenkt und mündet mit einer unteren Öffnung 81 im Bereich des tiefsten Punktes des Behälters 10', vorzugsweise in einer zentralen unteren Ablassöffnung 31' im Boden 30'. Im oberen Bereich der Behälterwand 40' tritt das Tauchrohr nach aussen und schafft über einen seitlichen Anschluss 82 eine kommunizierende Verbindung zum Behälterinnenraum. Um die Strömung des Wärmetauschermediums in Behälterwand und Boden nicht negativ zu beeinflussen kann das Tauchrohr auch an den Aussenseiten von doppelwandiger Behälterwand 40' und doppelwandigem Behälterboden 30', also im Wesentlichen im Dämmmantel 12 verlegt sein.
Die erfinderische Idee, ein Tauchrohr mit Wärmetauscherelementen in Wirkverbindung zu bringen, ist nicht auf die bisher konkret beschriebenen und in den Figuren dargestellten Elemente beschränkt, sondern lässt sich auf eine Vielzahl von weiteren Elementen übertragen. Gefrier-Auftau-Elemente mit spiralförmig angeordneten Wärmetauschern lassen sich ebenso mit einem Tauchrohr zur Entnahme und Vorwärmung von Produkt in Wirkverbindung bringen wie platten- oder sternförmige Wärmetauscherelemente.
Entscheidend ist, dass zwischen dem Wärmetauscherelement und mindestens dem Abschnitt des Tauchrohrs, der im Bereich des gefrorenen Produkts, das heisst annähernd vom tiefsten Punkt des Behälters bis zur maximalen Füllhöhe, zu liegen kommt, respektive im gefrorenen Zustand von diesem gefüllt ist, eine thermische Wirkverbindung besteht Ein direkter Kontakt zwischen dem Tauchelement und dem Wärmetauscher-Element gemäss der vorangehend beschriebenen "Rohr in Rohr" Ausführung und der "Rohr-in-Wand" Ausführung ist nicht zwingend, aber von Vorteil.
Die technische Lehre der Erfindung lässt sich auch auf Einweg-Vorrichtungen übertragen, die sich zunehmender Beliebtheit erfreuten, da sie durch reduzierte Kosten im CIP/SIP-Bereich besonders wirtschaftlich sind. Bei solchen "single-use" Vorrichtungen kann in einer echten Einweg-Version die gesamte Vorrichtung aus geeigneten Kunststoffen gefertigt sein. In einer weiteren Ausführungsform werden die thermisch passiven Anteile, also im Wesentlichen Boden, Deckel und Wand des Gebindes und das Tauchrohr als "disposables" aus Kunststoff gefertigt, und die Wärmetauscherelemente sind aus Metall und werden nach dem Gebrauch vom Gebinde getrennt, gereinigt und wiederverwertet.
In der Figur 5 ist eine Sprühleitung 90 dargestellt, die bei der Reinigung/CIP des Behälterinnenraumes mit seinen Einbauten zum Einsatz kommt. Über einen Anschluss 91 wird Reinigungslösung zugeführt, die im dargestellten Ausführungsbeispiel über endständig an zwei Sprühleitungen angebrachte Sprühköpfe versprüht wird. Da die Kühlschlange und das Tauchrohr frei sind von grossflächigen Finnen, Einbauteilen und Leitblechen, sind nicht nur die zu reinigenden Flächen, sondern auch die Sprühschatten auf ein Minimum reduziert. Dies trägt ebenfalls dazu bei, dass sich die Reinigung und das CIP/SIP der erfindungsgemässen Vorrichtung äusserst einfach und effizient gestaltet.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Tauchrohr, das in Dimensionierung und Positionierung im Wesentlichen am Zuführrohr ZR in einer Vorrichtung gemäss der Figur 1b entspricht, elektrisch oder induktiv heizbar. Für die elektrische Variante sind vorzugsweise in der Wand des Tauchrohrs Heizdrähte, -spulen oder andere -elemente isoliert von Produkt und Umgebung angeordnet. Für die induktive Variante ist das Tauchrohr zumindest in wichtigen Abschnitten vorzugsweise aus ferromagnetischem Material gefertigt. Da zur elektrischen Erwärmung des Tauchrohrs eine Spannungsquelle nötig ist und zur induktiven Erwärmung eine entsprechend starke Magnetquelle, kommen beide nur unter bestimmten Bedingungen zum Einsatz.

Liste der Bezugszeichen

A: Ablassöffnung
AA: Ablassanschluss
AL: Ablassleitung
AM: Kühlmittelauslass
B: Kühl-Auftau-Behälter
BB: Boden
BD: Deckel
BW: Wand
E_Ho: obere horizontale Abschnitte
E_Hu: untere horizontale Abschnitte
Ev: vertikale Abschnitte
E_Z: zentraler Abschnitt
F_MAX: maximale Füllhöhe des Behälters
I: Innenraum
KS: Kühlschlange
KL: Kühlleitung
L: Behälterlängsachse
P: Grundpalett
T: tiefster Punkt des Behälters
ZM: Kühlmitteleinlass
ZO: Öffnung
ZR: Zuführrohr
ZS: schräger Abschnitt des ZR
ZV: vertikales Zuführrohrstück
1,1',1": Vorrichtung
10,10',10": GefrierAuftau-Behälter
11: Behälterinnenraum
12: Dämmung
20: Deckel von B
30,30': Boden von B
31': untere Ablassöffnung
40, 40': Wand von B
50: Kühlelement
51: vertikales Teilstück
52: radiales Teilstück
53: Stopfen
54: Einlass, Zuführung
55: Auslass, Abführung
56: oberes horizontales Teilstück der Kühlschlange
57: unteres geneigtes Radialstück
60,60': Tauchelement, Tauchrohr
61: oberes vertikales Teilstück
62: oberes horizontales Teilstück
63: vertikales Teilstück
64: Armatur
65: Zuführanschluss
66: Absauganschluss
67, 68, 69: Ventile
70: Rückführleitung
71: Zuführanschluss
72: Ventil
73: Vertikalstück
74: Rohrschenkel
75: Abgabeöffnungen
80: Tauchrohr
81: untere Öffnung
82: Anschluss (Tauchrohr)
90: Sprühleitung
91: Sprühleitungsanschluss

Claims

Vorrichtung zum Einfrieren, Transportieren und Auftauen von Fluiden, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, Lösungen und Suspensionen für die chemische, biotechnologische, pharmazeutische und Lebensmittelindustrie mit einem Behälter (10, 10'), umfassend einen Deckel (20, 20', 20"), eine Wand (40, 40') und einen Boden (30, 30'), und mindestens ein Wärmetauscherelement (50, 50') das mit den, in den Behälter eingefüllten Fluiden in Wirkverbindung steht, so dass diese abkühlbar oder erwärmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tauchrohr (60, 80) mit mindestens einem Wärmetauscherelement (50, 50', 30, 30', 40, 40') über mindestens einen Teilbereich seiner Längsausdehnung in Wirkverbindung steht und dass am Behälter (10, 10') in einem Bereich oberhalb der maximalen Füllhöhe (F_MAX), vorzugsweise im Deckel (20, 20'), eine Rückführleitung (70) angeordnet ist, so dass während eines Auftauvorganges verflüssigtes und über das Tauchrohr (60, 80) vom tiefsten Punkt des Behälters (10, 10') abgeführtes und vorgewärmtes Fluid über die Rückführleitung (70) von oben auf noch gefrorenes Fluid umpumpbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (60, 60', 80) eine kommunizierende Verbindung zwischen einer ersten unteren Öffnung (63',81) im Bereich eines tiefsten Punkts im Inneren des Behälters 10, 10') und einer oberseitig am Behälter (10, 10') oder am Deckel (20, 20', 20") angeordneten zweiten Öffnung (66, 82) schafft.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauchrohr (60, 60', 80) mit einem Teilstück (63, 63') annähernd vom tiefsten Punkt des Behälters bis mindestens zu einer maximalen Füllhöhe (F_MAX) in thermischer Wirkverbindung mit dem Wärmetauscherelement (50, 50', 30, 30', 40, 40') steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement eine Kühlschlange (50, 50') umfasst und das Tauchrohr (60, 60') über einen Teilbereich seiner Längsausdehnung koaxial in einem Teilstück (51, 51') der Kühlschlangen (50, 50') geführt ist und mit diesem in thermischer Wirkverbindung, vorzugsweise in direktem Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein vertikales Teilstück (63) des Tauchrohrs (60) in einem Bereich, der sich annähernd von der maximalen Füllhöhe (F_MAX) bis zum tiefsten Punkt des Behälters (10) erstreckt, koaxial in einem zentralen Abschnitt (51) der Kühlschlange (50) und entlang einer Längsachse (L) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das axiale Teilstück (63) des Tauchrohrs (60) eine innere Wand des hohlzylindrischen zentralen Abschnitts (51) der Kühlschlange (50) bildet, so dass Tauchrohr (60) und Kühlschlange (50) in diesem Bereich als "Rohr in Rohr" integral miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement einen doppelwandigen Boden (30, 30') und eine doppelwandige Wand (40, 40') umfasst und das Tauchrohr (60, 60') über einen Teilbereich seiner Längsausdehnung in- oder außerhalb von Boden (30, 30') und Wand (40, 40') geführt ist und mit diesen in thermischer Wirkverbindung, vorzugsweise in direktem Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (70) den Deckel (20, 20') durchsetzt und in mindestens einer, vorzugsweise zwei Abgabeöffnungen (76, 77) oberhalb der maximalen Füllhöhe (F_MAX) mündet, die derart angeordnet sind, dass das umgepumpte Fluid auf obere Teilstücke von Wärmetauscherelementen (50, 50', 40, 40'), vorzugsweise der Kühlschlange (50, 50') geleitet wird und eine Schaumbildung vermindert ist.
Verfahren zum Auftauen von gefrorenen Fluiden, insbesondere von sterilen Flüssigkeiten, Lösungen und Suspensionen für die chemische, biotechnologische, pharmazeutische und Lebensmittelindustrie in einer Vorrichtung (1, 1', 1") gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein warmes Medium durch mindestens ein Wärmetauscherelement (50, 50', 30, 30', 40, 40') geführt wird und gefrorenes Fluid in einem Tauchrohr (60, 80), das mit dem mindestens einen Wärmetauscherelement (50, 50', 30, 30', 40, 40') in Wirkverbindung steht, aufgetaut wird und anschließend aufgetautes Fluid vom tiefsten Punkt im Inneren eines Behälters (10, 10') durch das Tauchrohr abgezogen und vorgewärmt werden kann, bevor es über eine Rückführleitung (70) von oben auf das sich noch im Behälter befindliche Fluid umgepumpt wird.