Aufbau des Laborbioreaktors.

Ein Laborbioreaktor kann aus der konstruktiven Sicht in unterschiedlichen Varianten gestaltet werden:

1. Aus Glas (ohne Mantel) mit dem oberen Deckel aus Edelstahl.
2. Aus Glas (mit Mantel) mit dem oberen Deckel aus Edelstahl.
3. Aus Glas (ohne Mantel) mit dem oberen und dem unteren Deckeln aus Edelstahl.
4. Zweiteilig - Glas / Edelstahl. Üblich gibt es im Edelstahlteil einen Mantel und den Anschluß für die Elektroden.
5. Aus Edelstahl mit Sichtfenstern.

Die typischen Bestandteile der Behälter von Bioreaktoren sind folgend:

Deckel (oben)

Im oberen Deckel des Bioreaktors befinden sich:

1. Anschlüsse für die Elektroden (pH, pO₂, T, p);
2. Anschlüsse für die Zuführung des zu titrierenden und zu ernährenden Mediums;
3. Rohre für die Probeentnahme und den Hermostat;
4. Anschluß den Kondensor der abgeleiteten Luft und Filteranlage;
5. Antriebsdichtung (falls der obere Antrieb des Rührwerks geändert wird);
6. Befestigung des pneumatischen Rührwerk (wenn der untere Deckel nicht vorhanden ist).

Die Deckelanschlüsse, -verbindungen und -befestigungen müssen so ausgelegt sein, damit sie hermetisch und stabil wären und bequeme Demontage und Montage der Geber und anderer Elemente ermöglichten. Der Deckel wird üblich mit dem übrigen Teil des Reaktors durch die Anwendung von speziellen Schrauben (4 - 8 Stück) im Flansch und der flachen bzw. der ringförmigen Dichtung aus Gummi verbunden.

Deckel (unten)

Falls der Bioreaktor mit dem unteren Deckel ausgerüstet ist, können dort folgende Anschlüsse und Elemente unterbracht werden:

1. Abflußventil;
2. Probeentnahme;
3. Druckrührwerk;
4. unterer Antrieb des Rührwerks;
5. Heizer.

Sämtliche Verbindungen sollen hermetisch sein, und ihre Anordnung darf zu keinen für die Vermehrung von Infektionen günstigen Verhältnissen ("Taschen", Unebenheiten u.a.).

Rührwerk

Grundlagen von Anwendung den Rührern

Das Rührwerk wird mechanisch auf die Rührachse "gesetzt". Das Durchmesser eines Rührwerks beträgt üblicherweise ? - ½ vom Durchmesser des Reaktorbehälters. Die Position der Achse des Rührwerkes hängt davon ab, ob der Bioreaktor mit dem oberen oder dem unteren Antrieb ausgerüstet ist. Der obere Antrieb ist aus der Konstruktionssicht einfacher zu verwirklichen. Im diesen Fall ist auch die Konstruktion der Dichtung einfacher als im Fall des unteren Antriebs. Dasselbe betrifft auch die technische Wartung des Bioreaktors: der Motor wird von der Verbindung der Stopfbuchse abmontiert, danach wird der Deckel zusammen mit der Rührachse und den Rührwerken entfernt. Aus der anderen Sicht, gewährleistet der untere Antrieb eine Reihe von Vorteilen, die mit den Betriebsmoden verbunden sind. Im diesen Fall kann beim abgenommenen Deckel im Bioreaktor den Rührprozeß sichergestellt werden. Dies ist beim Modellieren der Rührung, sowohl bei der Reinigung und Spülung des Bioreaktors von Bedeutung. Dabei ist es leichter, die Dispergiereung zu optimieren, weil das Rührwerk sich nah zum Boden des Bioreaktors befinden kann. Die meistens verbreitete Konstruktion des Rührwerkes ist die standardmäßige Ruschton - Turbine. Ihr Durchmesser d beträgt ½ - 1/3 (am häufigsten 1/3) vom Behälterdurchmesser. Die Ruschton - Turbine ist ein typisches die Radialströmung generierendes Rührwerk. Üblicherweise werden auf der Rührachse 2 bis 3 standardmäßige Rührturbinen montiert. Ein solches Rührwerk gewährleistet die größte Eingangsleistung bei konstanten Rotationsgeschwindigkeiten des Rührwerks (der Leistungsfaktor K_N=5-7). Durch ein solches Rührsystem wird eine ausreichende Vermischungsintensität, das Dispergieren von Blasen und den Verlauf anderer Rührungsprozesse sichergestellt. Deshalb sind mit einem solchen Rührsystem die meisten Bioreaktoren ausgerüstet.

Vermischung von mechanisch empfindlichen Mikroorganismen

Jedoch kommen in der Praxis der Kultivierung von Mikroorganismen Fermentationen vor, wobei durch den Gebrauch von standardmäßigen Rührturbinen kein optimales Ergebnis der Kultivierung erreicht werden kann, weil irreversible Beschädigungen der Zellen der Mikroorganismen hervorgerufen werden (es bezieht sich vor allem auf die mizellare Organismen). Zum Rühren von mechanisch empfindlichen mizellaren Mikroorganismen werden Rührsysteme empfohlen, die, dominierende Axialströmungen generieren und auf solcher Weise die Gleichmäßigkeit der Vermischung im ganzen Reaktorvolumen fördern. Eine der meistens benutzten sind die Rphrwerke Ekato Intermig. Bekannt ist das sogenannte "Rührwerk des Rückstroms". Bezüglich der Mischung von empfindlichen Zellen (Gewebekultur, Tierzellen u.a.) sollte der Zugang anders sein, weil im diesen Fall muß der Vermischungsmodus laminaren Charakter haben.

Vermischung unter vergrosserten Luftstrõmungen

Noch ein anderer Fall, wenn die standardmäßige Turbine keine ausreichende Effizienz aufweist, ist das Dispergieren von großen Luftströmen bei relativ niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten des Rührwerkes. Bei der Vergrößerung der zugeführten Luftmenge wird die Luft nicht mehr dispergiert, weil der "Floodingzustand" eintritt. Um die Effizienz der Dispergierung zu erhöhen, ist in solchen Fällen empfehlenswert, die Rührwerke SCABA AB 6 SRGT, Chemineer Inc. CD6 bzw. BT6 zu benutzen. Die Effizienz dieser Rührwerke ist im Vergleich zum standardmäßigen Turbinenrührwerk ist in den Fällen eines Dreiphasen - Stromes noch mehr offensichtlich (eine intensive Belüftung und die Anwesenheit von dispersen Teilchen im Medium).

Abstoßer

Bei den Abstoßern handelt es sich um vertikale, radial positionierte Platten (mit der Breite von ungefähr 10% vom Bodendurchmesser des Reaktorbehälters). Üblicherweise ist ein Reaktor mit 3-4 solchen Platten ausgerüstet. Die Abstoßer sind notwendig, um die Bildung eines Trichters zu beseitigen. Im Ergebnis der Bildung des Trichters kann die höchstmögliche Rotationsgeschwindigkeit des Rührwerks wesentlich beeinträchtigt werden. Beim Gebrauch von Abstoßern vergrößert sich der Stromverbrauch des Rührprozesses ungefähr um 20% bei unveränderter Rotationsgeschwindigkeit.

Pneumatisches Rührwerk

Durch das pneumatische Rührwerk wird die Druckluftzufuhr ins Medium der Fermentation sichergestellt. Die am häufigsten angewandte konstruktive Lösung ist ein kreisförmiger Rohr mit kleinen Öffnungen im Unterteil (Æ = 0,05 - 0,15 mm). Für die Fermentationen der mizellaren Kulturen benutzt man auch pneumatische Rührwerke in Rohrform mit konischem Ausgangskanal. Durch eine solche Konstruktion wird das eventuelle Bewachsen der Spalten verhindert, weil im diesen Fall der Durchmesser des Ausgangsrohres größer und auch der Druck höher ist, weil keine Verteilung zwischen mehreren Öffnungen erfolgt.

Behälter des Bioreaktors

In Abhängigkeit von der Art der Konstruktion ist das Behälter des Bioreaktors aus Glas, aus Metall oder aus dem Kombination dieser Stoffe hergestellt. Das Verhältnis zwischen der Höhe des Bioreaktors H und dem Durchmesser D liegt im Bereich von 1,5 bis 2,5. Die in Europa hergestellten Bioreaktoren sind üblicherweise "schlanker" als die in den USA produzierten Bioreaktoren. Die Füllmenge eines Reaktors beträgt ca. 70%. Also, so groß ist auch der Anteil des Arbeitsinhalts im Reaktorbehälter. Bezüglich des Materials des Reaktorbehälters werden hohe Forderungen gestellt, damit das Wachstum der Mikroorganismen nicht inhibiert würde. Dasselbe bezieht sich auch auf jeden anderen Teil (Fühler, Rohrleitungen u.a.), die im Innenraum des Behälters des Bioreaktors montiert werden. Das Glas soll 100% aus Borosilicat sein. Zum Beispiel, Pyrex^® und Kimax^®. Sämtliche Metallteile sind aus rostfreiem Edelstahl herzustellen. Die meistens verbreitete Stahlmarke, die in den Bioreaktoren angewandt wird, ist 316L. Der Buchstabe L weist darauf hin, daß diese Stahlart einen geringen Gehalt des Kohlenstoffs hat. Im Bioreaktor müssen die aus dem rostfreien Stahl hergestellten Innenoberflächen bis zur Qualität einer Spiegeloberfläche poliert sein, um den Prozeß der Spülung und der Sterilisation zu erleichtern. Die Schweißverbindungen müssen vollständig im Medium des inerten Gases hergestellt werden. Als inertes Gas ist der Argon anzuwenden, wodurch die Luft vollständig ersetzt wird. Die Anwendung einer den Forderungen nicht entsprechenden Schweißtechnologie kann mit der Zeit zur Korrosion der Schweißnähte führen.

Kondensor, Ausgangsventil und Filter

Die Aufgabe des Kondensors ist die Kühlung der Flüssigkeit am Luftausgang, wodurch eine Verteilung vom Schaum und von anderen flüssigen Teilchen erfolgt.

Zu diesem Zweck befindet sich im Inneren des Kodensors ein gedrehter Rohr (bzw. eine andere Lösung, wodurch eine möglichst lange Luftstrecke gewährleistete wird). An der Außenseite befinden sich zwei Anschlüsse für das Kaltwasser. Üblich wird der Kondensor mit einem in der Mitte des Deckels positionierten Anschluß verbunden. Der Ausgang des Kondensors wird mit dem Ausgangsventil verbunden. Mit Hilfe des Ausgangsventils kann der erforderliche Überdruck im Behälter des Bioreaktors eingestellt werden. Der Ventilausgang wird mit dem porösen mikrobiologischen Filter verbunden.

Probeentnahme

Einerseits könnte es scheinen, daß bei der Probeentnahme sich um ein einfaches Verfahren handelt. Man öffnet das manuelle Ventil im Unterteil des Bioreaktors, läßt die notwendige Menge der Fermentationsflüssigkeit ab und verschließt das Ventil! Wir können ziemlich sicher behaupten, daß bei den auf der oben beschriebenen Weise entnommenen Proben eine Infektion fast unvermeidbar ist.

Die Konstruktion der Probeentnahme muß so sein, damit Vorkehrungen zur Sicherstellung der Sterilität vor und nach der Probeentnahme sichergestellt werden könnten. An den Stellen der Infektionsentstehung muß man eine operative Sterilisierung mit Alkohol oder Dampf vornehmen. Es gibt bekannte, von verschiedenen Firmen hergestellte Konstruktionen der Probeentnahme, die im Verkauf angeboten werden:

• www.keofitt.dk
• www.alnab.se
• www.strahmanvalves.com
• www.schufausa.com

Die Probeentnahme basiert sich im wesentlichsten auf eine der folgenden Grundlagen:

1. Eine einfache Linie der Probeentnahme. Eine Blase aus Silikon oder einem ähnlichen Material wird auf den Rohr der Probeentnahme gesetzt, und das Ende mit einer Klammer zugedrückt. Auf solcher Weise wird es zusammen mit dem Behälter des Bioreaktors sterilisiert und bleibt im solchen Zustand bis zur Probeentnahme. Bei der Probeentnahme wird die Klammer entfernt und auch die Blase abgezogen. Nach dem Einfließen der Probe wird das Rohrende umgehend mit Alkohol gereinigt. Danach wird wieder eine ähnliche sterilisierte Blase aufgezogen (dabei muß man natürlich die Sterilität einhalten). Dieses Verfahren ist anwendbar, wenn die betreffende Fermentation keine besonders hohen Ansprüche bezüglich der Sterilität aufweist. Noch ein Nachteil dieses Verfahrens ist die beschränkte Möglichkeit der Auswahl der Größe der Probecharge.
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3. KEOFITT Ventile für Probentnahme
   
   
   
   Wie es sich aus den Zeichnungen ergibt, ist in der 2. und 3. Variante, alles klar. Die 2. Variante kann vom Laborpersonal mit eigenen Kräften verwirklichen. Die 3. Variante ist eine kompakte, scheinbar elegante und einfache Lösung, jedoch sind für die Verwirklichung dieser Variante eine hohe Genauigkeit und ausgezeichnete professionelle Fertigkeiten erforderlich. Einen solchen Arbeitsprinzip haben viele industrielle Ventile für die Probeentnahme.