WO2004033077A2 - Vorrichtung und verfahren zur entnahme von flüssigen proben - Google Patents

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Heiner Sann
Andreas Bock
Udo Reichl
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    • C12M33/14—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus with filters, sieves or membranes
    • G—PHYSICS
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    • Y10T137/4245—Cleaning or steam sterilizing
    • Y10T137/4259—With separate material addition

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for taking liquid samples from containers and / or tubes filled with a medium, in particular from fermenters, via a filter membrane by means of negative pressure according to the preambles of claims 1 and 15.
  • a device for taking liquid samples from a fermenter is known from DE 3249399 Ti.
  • the device has a sampler in the form of a normally closed valve, on the housing of which an annular projection is formed on the side of contact with a sample holder, which is provided for receiving an annular groove in a housing of a normally closed valve of the sample holder ,
  • a bacteria-proof filter is arranged between the normally closed valve of the sampler and a stop of the sampler, which filter is spaced apart from the normally closed valve of the sampler. The result of this spacing is that, when a sample is taken, an intermediate space created thereby within the device must also be filled with the sample liquid, but is not included in the sample receiver as a sample liquid to be checked.
  • a resulting killing volume of the sample taken means that, on the one hand, the sampling cannot be carried out sparingly with respect to the required sample volume per sample, and on the other hand, a residual volume from the previous sampling within the
  • sampling devices for taking samples of a fermentation carried out in a bioreactor with, for example, a 5-liter volume, which are rod-shaped and at the outlet of which there is a three-way valve, as shown, for example, in US Pat. No. 5,948,998 becomes.
  • the three-way valve is used to switch the flow pattern during sampling from the path between the sampling probe and the outlet to a path between an overflow outlet and the outlet. Such a switching of the flow paths takes place after a sample with the desired volume has been conveyed into a line system following the sampling probe.
  • backmixing also takes place due to different diffusion coefficients of the substances contained in the sample.
  • DE 19530886 C1 relates to a sampling device which enables fluidic diodes for dropwise metering of the sample to be taken and a calibration solution.
  • the fluidic diodes are arranged between the filter membrane arranged in relation to the medium and a sensor for the detection of certain test data. Since the fluidic diodes themselves have small dimensions, a dead space between the filter membrane and the sensor is minimized.
  • Such sampling devices also have a dead volume within the dead space during sampling, which on the one hand requires sampling with a higher volume, and on the other hand poses the risk of mixing the residual sample arranged in the dead volume from the previous sampling with the sample substances of the new sampling ,
  • the above-mentioned devices allow the integrity of the filter membrane arranged towards the medium to be checked only to a limited extent or at great expense, such as, for example, the removal of the filter membrane.
  • a leak in the filter membrane means that the sterile limit of the container or the pipeline is broken and the medium becomes non-sterile.
  • the tightness of the filter membrane can only be checked before the installation and after removal of a sampling device, so that the end of the entire process or measurement cycle must always be waited for before such an integrity test can be carried out.
  • the object of the present invention is to provide an apparatus and a method for taking liquid samples from containers and / or tubes filled with a medium via a filter membrane, in which a sample can be taken without dead volume under reliably sterile Conditions that can be checked at any time using an integrity test are possible.
  • the core idea of the invention is, in a device for taking liquid samples from containers filled with a medium and / or pipes, in particular from fermenters, via a filter membrane by means of negative pressure which, for. B. can be produced by a pump, the filter membrane arranged within a sample probe to be made of a material acting as a sterile boundary, with a gas-feed line and a test-lead discharge line being arranged on the sterile border side of the filter membrane.
  • the test-guidable discharge line is connected to the pump to form a negative pressure, due to which the sample is sucked out of the medium through the filter membrane.
  • the filter membrane is equipped with the material acting as a sterile boundary, the taking of a sterile sample is ensured, provided that the line system and the remaining facilities of the sampling device are sterile in themselves.
  • Filter membrane a little rinsing liquid for optional rinsing of the line system get into the medium, but the dilution of the medium by the rinsing liquid, which can be distilled water, for example, does not detect the concentration of the substances contained in the medium.
  • the gas used to empty the pipe system is, for example, compressed air, which acts like a hydrophobic medium.
  • the filter membrane is composed of a hydrophilic material which can only be penetrated by the gas at high excess pressure. Reliable emptying of the line system without penetration of the filter membrane in the direction of the medium caused by these properties of the gas and the filter membrane material results in a complete liberation not only of the line system but also of the remaining device devices from the sample liquid from the previous sampling. In this way, complete emptying of the device interior of sample liquid and a resulting dead volume-free sampling is achieved in a simple manner.
  • a sterile-filtered sample can also advantageously be taken from non-sterile media, since the filter membrane serves as the sterile limit. Such sterile filtered samples have an increased shelf life.
  • the sampling device according to the invention can be used automatically as a sampling module and enables the connection of detection systems which serve for process-related control and regulation / control of the sample taken and the device according to the invention.
  • the time for a sampling process can be kept sufficiently short for online measurements by a suitable combination of the sample volume to be taken, the delivery speed caused by the pump and the time required for emptying the line system.
  • An integrity test to check the tightness of the filter membrane is possible at any time. Such a test can be carried out before and after a sampling process and consequently enables an increase in the operational safety of the container, which can represent a bioreactor, in connection with the sampling device attached to it, and an improvement in the handling of the sampling device. '
  • the gas-guidable supply line is coupled to a first gas-carrying connection line for connecting the supply line to a gas supply connection. Such a coupling is also necessary for the supply of the gas for emptying the line system.
  • a first and second valve are arranged in the region of a first and second end of the first gas-carrying connecting line according to a preferred embodiment, so that the connecting line can be blocked on both sides by means of the valve.
  • a pressure sensor is arranged in the gas-carrying connection line and a first sterile filter in the area of the gas supply connection within the gas-carrying connection line, so that the sterile operation of the line system and in particular the gas-carrying connecting line is ensured and a check of the usually slight excess pressure within the gas line is possible.
  • the supply and discharge lines are designed such that they are suitable for supplying and removing rinsing liquid to and from the filter membrane.
  • the flushing liquids are fed into the gas-feedable supply line by means of a second connection liquid-carrying connection line and are used for flushing the entire line system and the filter membrane in order to avoid sticking and clogging, in particular the discharge line, due to contents of the substances in the sample.
  • the rinsing liquid is a sterile liquid.
  • the line system is again emptied with gas from the first connection line with a slight excess pressure. Such a rinsing process can optionally be carried out between two sampling processes.
  • a method for taking liquid samples from containers and / or tubes filled with the medium advantageously has the following steps by means of the filter membrane:
  • the method can include the step of supplying flushing liquid and, for carrying out the integrity test, supplying gas by closing the interior of the device by means of valves to the surrounding systems.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a device for taking samples according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a section of the device for taking samples according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a diagram of measured glucose concentrations over a certain period of time in sampling processes with a comparative representation of sampling using a device according to the invention and using a conventional, commercially available device, and
  • FIG. 4 shows a diagram of measured lactate concentrations over a certain period of time during sampling processes with a comparative representation of sampling using the device according to the invention and using the conventional, commercially available device.
  • Figure 1 shows a schematic representation of an apparatus for taking samples from a container filled with a medium according to an embodiment of the invention.
  • a sampling probe 3 and a stirrer 4 for stirring the medium 2 are guided into the medium 2 contained in the container 1.
  • a filter membrane made of a material acting as a sterile boundary is arranged within the sampling probe 3.
  • Filter membrane 5 has a sterile rear boundary side 5a and a front boundary side 5b facing the medium, it being possible for the medium to be sterile or non-sterile.
  • a gas-feed line 6 and a test-run discharge line 7 are arranged on the rear boundary side 5a of the filter membrane 5 - that is to say on the sterile boundary side of the filter membrane -.
  • a sample which is sucked out of the medium through the filter membrane 5 by a vacuum of a pump 8 can be discharged into a detector device (not shown here) or into a storage container (not shown here), as indicated by the arrow 9.
  • the feed line 6 is connected by means of a T-piece 10 to a first gas-carrying connection line, which in turn is connected to a gas supply connection 15. Compressed air is supplied to the supply line 6 via the gas supply connection 15, provided that lockable valves 11 and 14 are arranged in their open position.
  • a sterile filter 12 is arranged.
  • the compressed air supplied under a slight excess pressure is pressure-checked by means of a manometer 13.
  • a second connecting line 17 carrying the washing liquid which is connected to a container 18 in which washing liquid 19, such as distilled water, is present to a sufficient extent.
  • a gas and flushing liquid connection line 20 connects the container 18 to a further gas supply connection 23 via a second sterile filter 26 arranged therein, in order to create a pressure compensation for the container 18.
  • This gas supply connection 23 can optionally be switched on.
  • a valve 16 to the feed line 6 is opened, while the valves 11 and 14 of the first gas-carrying connecting line are closed. After the flushing liquid has left the supply and discharge lines 6, 7 via the pump 8, and the lines 6, 7 and the rear limit side 5a of the filter membrane have been flushed, the valve 16 is closed and the first and second valves 11, 14 are opened to effect an emptying process of the line system with the supply and discharge lines 6, 7 by means of the supplied sterile compressed air.
  • the pump 8 generates, while the first and second valves 11, 14 are closed, a negative pressure within the line system which conveys a sample from the medium 2 to be examined through the sterile limit out of the sampling probe.
  • the desired sample volume is regulated by means of the pump strength of the pump 8.
  • the sample is conveyed from the line system with the lines 6, 7 with an additional slight compressed air overpressure when the valve 16 is closed and the valves 11 and 14 are open and is fed into a storage container (not shown here).
  • the compressed air supplied reliably empties the line system so that it is free of samples.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section of the device for taking samples according to a second embodiment of the invention.
  • a rinsing liquid supply connection 22 is additionally connected to the container 18 via a part of the line 20 which carries rinsing liquid and a further sterile filter 21 and a further valve 24 arranged in between.
  • the rinsing liquid supply connection 22 serves to refill the container 18 with rinsing liquid.
  • the gas-carrying part of the line 20 additionally has a further valve 25 between the filter 26 and the gas supply connection 23 for supplying, discharging or metering gas.
  • FIG. 3 shows a comparative representation in a diagram
  • Glucose concentration over a certain period of time a sampling for a sampling process using the device according to the invention and using a commercially available conventional device.
  • Both sampling devices were installed in a bioreactor.
  • the bioreactor was sterilized and filled with sterile medium, carriers and cells.
  • the growth of the cells should change the concentration of glucose and lactate in the medium.
  • a membrane test was carried out on the device according to the invention. Then a sample was taken with both devices and the glucose and lactate concentration determined. In the conventional sampling device, a first sample had to be discarded due to the existing dead volume. The sample volume to be discarded was determined until the concentration of glucose and lactate was constant. In the conventional device, there was no ideal displacement of the sample liquid from the line system, but instead a backmixing of individual substances in the flow contained therein. The backmixing was caused by different diffusion coefficients of the substances in the sample and additionally by the fluid dynamic properties of dead volume and sample liquid.
  • the sample was not taken continuously using the conventional device.
  • the valve of this conventional device was switched as a three-way valve from a flow path between the sampling probe and an outlet to a flow path between an overflow connection and the outlet after 2 ml of sample volume had already been conveyed into the line system.
  • samples with a volume of 1.5-2 ml were taken and analyzed several times from a spinner bottle with caso solution, which corresponds to a nutrient broth for sterile tests, using the device according to the invention.
  • the device was sterile over a test period of two weeks.
  • the concentration of the medium inside the spinner bottle of glucose remained almost constant, apart from the meter fluctuations of the enzyme sensor. These are due to the fact that the enzyme sensor is sensitive to e.g. B. reacted aging sensor membrane or insufficient automatic calibration.
  • Table 2 below shows the glucose concentration as measured over several days.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit einem Medium (2) gefüllten Behältern (1) und/oder Rohren, insbesondere aus Fermentern, über eine Filtermembran (5) mittels Unterdruck, wobei die innerhalb einer Probesonde (3) angeordnete Filtermembran (5) aus einem als Sterilgrenze wirkenden Material besteht, wobei auf der sterilen Grenzseite (5a) der Filtermembran (5) eine gasführbare Zuführleitung (6) und eine probeführbare Abführleitung (7) angeordnet sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Entnahme von flüssigen Proben
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit einem Medium gefüllten Behältern und/oder Rohren, insbesondere aus Fermentem, über eine .Filtermembran mittels Unterdruck gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 15.
Eine Vorrichtung zur Entnahme von flüssigen Proben aus einem Fermenter ist aus der DE 3249399 Ti bekannt. Für die Entnahme der Probe weist die Vorrichtung einen Probenehmer in Form eines normal geschlossenen Ventils auf, an dessen Gehäuse auf der Seite eines Kontaktes mit einem Probeaufnehmer ein ringförmiger Vorsprung ausgebildet ist, der zur Aufnahme einer Ringnut eines Gehäuses eines normal geschlossenen Ventils des Probeaufnehmers vorgesehen ist. Zwischen dem normal geschlossenen Ventil des Probeaufnehmers und einem Halt des Probeaufnehmers ist ein bakteriendichter Filter angeordnet, der zu dem normal geschlossenen Ventil des Probenehmers beabstandet ist. Diese Beabstandung hat zur Folge, dass bei der Entnahme einer Probe ein dadurch entstandener Zwischenraum innerhalb der Vorrichtung ebenso mit der Probeflüssigkeit gefüllt werden muß, jedoch nicht als zu überprüfende Probeflüssigkeit in den Probeaufnehmer mit aufgenommen wird. Ein dadurch enstandenes Tötvoiumen der entnommenen Probe bewirkt, däss zum einen die Probenahme nicht sparsam in Bezug auf das benötigte Probevolumen pro Probeentnahme durchgeführt werden kann, und zum anderen ein Restvolumen aus der vorangegangenen Probeentnahme innerhalb der
Vorrichtung zurückgeblieben ist, das aufgrund seiner nicht-sterilen Eigenschaften zu einer
BESTATIGUNGSKOPIE Verfälschung der Prüfergebnisse der nachfolgend durchgeführten Probeentnahme mit gewünschter Sterilität führen kann.
Bekannt sind auch kommerziell erhältliche Probenahmevorrichtungen zur Entnahme von Proben einer in einem Bioreaktor mit einem beispielsweise 5-Liter-Volumen durchgeführten Fermentation, die stabförmig ausgebildet sind und an deren Ausgang sich ein Drei-Wege- Ventil befindet, wie es beispielsweise in der US 5,948,998 gezeigt wird. Das Drei-Wege- Ventil dient zur Umschaltung des Strömungsverlaufs während der Probenahme von dem Weg zwischen der Probenahmesonde und dem Ausgang auf einen Weg zwischen einem Überströmablauf und dem Ausgang. Eine derartige Umschaltung der Strömungswege findet statt, nachdem eine Probe mit wunschgemäßem Volumen in ein der Probenahmesonde nachfolgendes Leitungssystem gefördert wurde.
Aufgrund dieses Umschaltvorganges reißt der innerhalb der Vorrichtung bestehende Flüssigkeitsstrom ab, wodurch eine verstärkte Durchmischung der Probeströmung erhalten wird. In diesem Fall führt die höhere Durchmischung zur Vergrößerung des benötigten Probevolumens oder der Anzahl der zu entnehmenden Proben bis zur Einstellung einer konstanten Konzentration der Substanzen innerhalb der Probe, da eine Rückvermischung einzelner Substanzen aufgrund einer nicht idealen Verdrängung der Probenflüssigkeit aus der Vorrichtung aus der vormals durchgeführten Probenahme stattfindet. Da derartige
Probenahmevorrichtungen ein Totvolumen aufweisen, ist die restliche Probeflüssigkeit der vorangegangenen Probenahme nicht vollständig aus der Vorrichtung verdrängbar, wodurch aufgrund der fluiddynamischen Eigenschaften der Probeflüssigkeit eine Rückvermischung stattfindet. ." ~ :_ -1
Zudem findet eine Rückvermischung auch aufgrund unterschiedlicher Diffusionskoeffizienten der in der Probe enthaltenen Substanzen statt.
DE 19530886 C1 betrifft eine Probenahmevorrichtung, die fluidische Dioden zur tropfenwei- sen Dosierung der zu entnehmenden Probe und einer Kalibrierlösung ermöglicht. Die fluidi- schen Dioden sind zwischen der zu dem Medium hingeordneten Filtermembran und einem Sensor zur Detektion bestimmter Prüfdaten angeordnet. Da die fluidischen Dioden selbst kleine Abmessungen aufweisen, ist ein Totraum zwischen der Filtermembran und dem Sensor minimiert. Derartige Probenahmevorrichtungen weisen ebenso ein Totvolumen innerhalb des Totraums bei der Probenahme auf, das zum einen eine Probenahme mit höherem Volumen erfordert, und zum anderen die Gefahr einer Vermischung der in dem Totvolumen angeordneten Restprobe aus der vorangegangenen Probenahme mit den Probesubstanzen der neuen Probe- nähme aufwirft.
Die vorgenannten Vorrichtungen lassen eine Überprüfung der Unversehrtheit der zu dem Medium hin angeordneten Filtermembran nur bedingt oder mit großem Aufwand zu, wie beispielsweise den Ausbau der Filtermembran. Eine Undichtigkeit der Filtermembran hat zur Folge, dass die Sterilgrenze des Behälters oder der Rohrleitung durchbrochen und das Medium unsteril wird.
Desweiteren ist eine Überprüfung der Dichtigkeit der Filtermembran lediglich vor dem Einbau und nach dem Ausbau einer Probeentnahmevorrichtung möglich, so dass immer erst das Ende des gesamten Prozesses oder Messzyklus abzuwarten ist, bevor ein derartiger Integritätstest durchgeführt werden kann.
Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit einem Medium gefüllten Behältern und/oder Rohren über eine Filtermembran zur Verfügung zu stellen, bei der/dem eine Entnahme der Probe ohne Totvolumen unter zuverlässig sterilen Bedingungen, die mittels eines Integritätstests jederzeit überprüft werden können, möglich ist.
: ' "{ Diese Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 1 und ver- fahrensseitig durch die Merkmale des Patentanspruches 15 gelöst.
Kemgedanke der Erfindung ist es, bei einer Vorrichtung zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit einem Medium gefüllten Behältern und/oder Rohren, insbesondere aus Fermentern, über eine Filtermembran mittels Unterdruck, der z. B. durch eine Pumpe erzeugt werden kann, die innerhalb einer Probensonde angeordnete Filtermembran aus einem als Sterilgrenze wirkenden Material anzufertigen, wobei auf der sterilen Grenzseite der Filtermembran eine gasführbare Zuführleitung und eine probefuhrbare Abführleitung angeordnet sind. Die probefuhrbare Abführleitung ist mit, der Pumpe zur Bildung eines Unterdrucks, aufgrund dessen die Probe durch die Filtermembran hindurch aus dem Medium angesaugt wird, verbunden. Nach erreichter Entnahme einer Probe mit einem vorbestimmten Probevolumen, welches z. B. mittels der Pumpe reguliert wird, wird die Probe mit zusätzlichem geringem Gasüberdruck, das einer zur Vorrichtung hingewandten Rückseite der Filtermembran mittels der Zufuhrleitung zugeführt wird, über die Abführleitung aus dem Leitungssystem der
Probenahmevorrichtung abgeführt. Gleichzeitig wird das Leitungssystem zuverlässig mittels des zugeführten Gases entleert. Auf diese Weise ist kein Totraum innerhalb der Probenahmevorrichtung für die Bildung eines Totvolumens vorhanden. Somit ist eine Entnahme der Probe mit dem gewünschten zu überprüfenden Probevolumen selbst bei kleinen Volumenmengen möglich, ohne dass zusätzliches Probevolumen für das Zur- Verfügung-Stellen eines Totvolumens notwendig ist.
Da die Filtermembran mit dem als Sterilgrenze wirkenden Material ausgestattet ist, wird die Entnahme einer sterilen Probe, unter der Voraussetzung, dass das Leitungssystem und die restlichen Einrichtungen der Probenahmevorrichtung in sich steril sind, sichergestellt.
Selbst wenn die Membran eine Undichtigkeit aufweist, ist eine sterile Funktion der Probenahmevorrichtung sichergestellt, vorausgesetzt, dass der aufgrund der Undichtigkeit entstehende Druckabfall im Leitungssystem während des Probenahmevorganges fortlaufend durch das zuzuführende Gas ausgeglichen wird. Es kann zwar aufgrund der defekten
Filtermembran etwas Spülflüssigkeit zum wahlweisen Ausspülen des Leitungssystems in das Medium gelangen, jedoch beeinflusst die Verdünnung des Mediums durch die Spülflüssigkeit, die beispielsweise destilliertes Wasser sein kann, die Konzentration der in dem Medium enthaltenen Substanzen nicht nachweisbar..
Das zur Entleerung des Leitungssystems verwendete Gas ist beispielsweise Druckluft, die wie ein hydrophobes Medium wirkt. Demgegenüber ist die Filtermembran aus einem hydrophilen Material zusammengesetzt, das nur bei hohem Überdruck von dem Gas durchdrungen werden kann. Eine durch diese Eigenschaften des Gases und des Filtermembranmaterials hervorgerufene zuverlässige Entleerung des Leitungssystems ohne Durchdringung der Filtermembran in Richtung des Mediums hat eine vollständige Befreiung nicht nur des Leitungssystems, sondern auch der restlichen Vorrichtungseinrichtungen von der Probenflüssigkeit der vorangegangenen Probenahme zur Folge. Somit wird auf einfache Weise eine vollständige Entleerung des Vorrichtungsinnenraumes von Probenflüssigkeit und einer dadurch bedingten totvolumenfreie Probenahme erreicht. Vorteilhaft kann auch aus nicht-sterilen Medien eine sterilgefilterte Probe entnommen werden, da die Filtermembran als Sterilgrenze dient. Derartigen sterilgefilterten Proben ist eine erhöhte Lagerfähigkeitsdauer zu eigen.
Da eine automatische Entleerung auf einfache und wirkungsvolle Art im Anschluß an die Probenahme stattfindet, ist die erfindungsgemäße Probenahmevorrichtung als Probenahmemodul automatisiert einsetzbar und ermöglicht den Anschluß von Detektionssystemen, die für eine prozessnahe Kontrolle und Regelung/Steuerung der entnommenen Probe und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen.
Zudem kann der Zeitraum für einen Probenahmevorgang durch geeignete Kombination von dem zu entnehmenden' Probevolumen, der durch die Pumpe bedingten Fördergeschwindigkeit und der benötigten Zeitspanne für die Entleerung des Leitungssystems ausreichend kurz für Online-Messungen gehalten werden.
Ein Integritätstest zur Überprüfung der Dichtigkeit der Filtermembran ist zu einem beliebigen Zeitpunkt möglich. Ein derartiger Test kann vor und nach einem Probenahmevorgang durchgeführt werden und ermöglicht demzufolge eine Erhöhung der Betriebssicherheit des Behälters, der einen Bioreaktor darstellen kann, in Verbindung mit der daran befestigten Probenahmevorrichtung und eine Verbesserung der Handhabung der Probenahmevorrichtung. '
Für einen Integritätstest, der die Funktion der Probenahmevorrichtung in situ überprüft, ist die gasführbare Zuführleitung mit einer ersten gasführenden Anschlussleitung zum verbinden der Zuführleitung mit einem Gasversorgungsanschluß gekoppelt. Eine derartige Koppelung ist ebenso für die Zuführung des Gases zur Entleerung des Leitungssystems erforderlich.
Ein erstes und zweites Ventil sind im Bereich eines ersten und zweiten Endes der ersten gasführenden Anschlußleitung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform angeordnet, so dass die Anschlussleitung beiderseitig mittels des Ventils gesperrt werden kann. Zusätzlich sind ein Drucksensor in der gasführenden Anschlussleitung sowie ein erster Sterilfilter im Bereich des Gasversorgungsanschlusses innerhalb der gasführenden An- Schlussleitung angeordnet, so dass der sterile Betrieb des Leitungssystems und insbesondere der gasführenden Anschlussleitung sichergestellt ist und eine Überprüfung des üblicherweise leichten Überdrucks innerhalb der Gasleitung möglich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Zu- und Abführleitungen derart ausgebildet, dass sie zum Zu- und Abführen von Spülflüssigkeit zu und von der Filtermembran geeignet sind. Die Spülflüssigkeiten wird mittels einer zweiten spulflüssigkeitführenden Anschlussleitung in die gasfuhrbare Zuführleitung eingespeist und dient zum Spülen des gesamten Leitungssystems und der Filtermembran, um das Verkleben und Verstopfen, insbesondere der Abführleitung, durch Inhaltsstoffe der Substanzen der Probe zu vermeiden. Die Spülflüssigkeit ist eine sterile Flüssigkeit. Nach dem Spülvorgang wird das Leitungssystem wiederum mit Gas aus der ersten Anschlußleitung mit geringem Überdruck entleert. Ein derartiger Spülvorgang kann optional zwischen zwei Probenahmevorgängen durchgeführt werden.
Vorteilhaft weist ein Verfahren zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit dem Medium gefüllten Behältern und/oder Rohren mittels der Filtermembran folgende Schritte auf:
- Zuführen des Gases zu der in der Probesonde angeordneten Filtermembran aus dem als Sterilgrenze wirkenden Material auf der sterilen Grenzseite der Filtermembran mittels der mit mindestens einem Ventil gegenüber anderen Leitungen sperrbaren Zuführleitung; - Abführen des Gases von der Filtermembran mittels der Abführleitung und ventilwirkender Vorrichtung, wie eine Pumpe, solange, bis die Zu- und Abführleitungen probenfrei sind;
- Schließen mindestens eines Ventils zum Abkoppeln der Zuführleitung von dem Gasversorgungsanschluß; -
- Entnahme der Probe mit gewünschtem Volumen aus dem Medium mittels der Abführleitung und einem Unterdruck, der ebenso mittels der Pumpe erzeugt werden kann; und
- Beförderung der Probe aus der Abführleitung mittels des mit Überdruck erneut zugeführten Gases.
Zusätzlich kann zur Vermeidung von Verstopfungen und Verklebungen der Abführleitung das Verfahren den Schritt der Zuführung von Spülflüssigkeit und für die Durchführung des Integritätstests die Zuführung von Gas unter Abschluß des Vorrichtungsinnenraums mittels Ventilen gegenüber den umliegenden Systemen beinhalten.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Vorteile und Zweckmäßigkeiten sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entnahme von Proben gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig.2 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts der Vorrichtung zur Entnahme von Proben gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ein Diagramm gemessener Glukosekonzentrationen über einen bestimmten Zeitraum hinweg bei Probenahmevorgängen mit einer vergleichenden Darstellung von Probenahmen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und mittels einer herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Vorrichtung, und
Fig. 4 ein Diagramm gemessener Lactatkonzentrationen über einen bestimmten Zeitraum hinweg bei Probenahmevorgängen mit einer vergleichenden Darstellung von Probenahmen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mittels der herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Vorrichtung.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Entnahme von Proben aus einem mit einem Medium gefüllten Behälter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In das in dem Behälter 1 enthaltene Medium 2 ist eine Probenahmesonde 3 und ein Rührer 4 zum Umrühren des Mediums 2 geführt. Innerhalb der Probenahmesonde 3 ist eine Filtermembran aus einem als Sterilgrenze wirkenden Material angeordnet. Die
Filtermembran 5 weist eine sterile Rückgrenzseite 5a und eine zu dem Medium hingewandte Vordergrenzseite 5b auf, wobei das Medium steril oder nicht-steril ausgebildet sein kann.
An der Rückgrenzseite 5a der Filtermembran 5 - also auf der sterilen Grenzseite der Filter- membran - ist eine gasfuhrbare Zuführleitung 6 und eine probefuhrbare Abführleitung 7 angeordnet. Über die Abführleitung 7 kann eine Probe, die durch einen Unterdruck einer Pumpe 8 durch die Filtermembran 5 hindurch aus dem Medium angesaugt wird, in eine hier nicht gezeigte Detektoreinrichtung oder einen hier nicht gezeigten Vorratsbehälter abgeführt werden, wie es durch den Pfeil 9 angedeutet wird. Die Zuführleitung 6 ist mittels eines T-Stückes 10 mit einer ersten gasführenden Anschluss- leitύng verbunden, die wiederum mit einem Gasversorgungsanschluß 15 in Verbindung steht. Über den Gasversorgungsanschluß 15 wird Druckluft der Zuführleitung 6 zugeführt, sofern sperrbare Ventile 11 und 14 in ihrer Öffnungsstellung angeordnet sind.
Um eine Zuführung von steriler Druckluft sicherzustellen, ist ein Sterilfilter 12 angeordnet. Zusätzlich wird die unter leichtem Überdruck zugeführte Druckluft mittels eines Manometers 13 druckgeprüft.
An dem weiteren Ende des T-Stücks 10 ist eine zweite spülflüssigkeitsführende Anschlußleitung 17 angeschlossen, die mit einem Behälter 18 in Verbindung steht, in dem Spülflüssigkeit 19, wie beispielsweise destilliertes Wasser, in ausreichendem Maße vorhanden ist. Eine Gas- und Spülflüssigkeitsanschlussleitung 20 verbindet den Behälter 18 über einen darin angeordneten zweiten Sterilfilter 26 mit einem weiteren Gasversorgungsanschluß 23, um einen Druckausgleich für den Behälter 18 zu schaffen.
Dieser Gasversorgungsanschluß 23 ist wahlweise zuschaltbar.
Sofern ein Spülvorgang durchgeführt werden soll, wird ein Ventil 16 zur Zuführleitung 6 hin geöffnet, während die Ventile 11 und 14 der ersten gasführenden Anschlußleitung geschlos- sen werden. Nachdem die Spülflüssigkeit die Zu- und Abführleitungen 6, 7 über die Pumpe 8 verlassen hat, und eine Spülung der Leitungen 6, 7 und der Rückgrenzseite 5a der Filtermembran durchgeführt worden ist, wird das Ventil 16 geschlossen und die ersten und zweiten Ventile 11, 14 werden geöffnet, um einen Entleerungsvorgang des Leitungssystems mit den Zu- und Abführleitungen 6, 7 mittels der zugeführten sterilen Druckluft zu bewirken.
Bei einem Probenahmevorgang findet folgender Ablauf statt:
Die Pumpe 8 erzeugt, während das erste und zweite Ventil 11, 14 geschlossen sind, einen Unterdruck innerhalb des Leitungssystems, der eine Probe aus dem zu untersuchenden Medium 2 durch die Sterilgrenze hindurch aus der Probenahmesonde fördert. Das gewünschte Probevolumen wird mittels der Pumpstärke der Pumpe 8 reguliert. Nach Erreichen eines vorbestimmten Probevolumens mit einer vorbestimmten Förderzeit wird die Probe mit zusätzlichem geringen Druckluftüberdruck bei geschlossenem Ventil 16 und offenen Ventilen 11 und 14 aus dem Leitungssystem mit den Leitungen 6, 7 gefördert und in einen hier nicht gezeigten Vorratsbehälter eingespeist. Gleichzeitig bewirkt die zugeführte Druckluft zuverlässig eine Entleerung des Leitungssystems, so dass dieses probefrei ist. Für einen durchführbaren Integritätstest zur Überprüfung der Funktion der Probenahmevorrichtung wird über den Gasversorgungsanschluß 15 bei geschlossenem Ventil 16 und nicht betriebener Pumpe 8 Druckluft zur Erzeugung eines Überdrucks im Leitungssystem zugeführt. Der Überdruck bleibt nach Schließen des Ventils 14 weiterhin erhalten, sofern die Fil- termembran 5, welche die Sterilgrenze bildet, dicht ist. Wenn der Druck hingegen abfällt, deutet dies auf eine undichte Filtermembran 5 hin. Die Vorrichtung ist somit bei Anschluß eines Integritätsmessgerätes validierbar.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt der Vorrichtung zur Entnahme von Proben gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform ist zusätzlich ein Spülflüssigkeitsversorgungsanschluss 22 mit dem Behälter 18 über einen spülflüssigkeitsführenden Teil der Leitung 20 und einem jeweils dazwischen angeordneten weiteren Sterilfilter 21 und weiteren Ventil 24 verbunden. Der Spülflüssigkeitsversorgungsanschluss 22 dient zum Wiederauffüllen des Behälters 18 mit Spülflüssigkeit.
Der gasführende teil der Leitung 20 weist zusätzlich ein weiteres Ventil 25 zwischen dem Filter 26 und dem Gasversorgungsanschluß 23 zum Zuführen, Abführen oder Dosieren von Gas auf.
Figur 3 zeigt in einem Diagramm in einer vergleichenden Darstellung eine
Glukosekonzentration über einen bestimmten Zeitraum hinweg eine Probeentnahme für s einen Probenahmevorgang mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mittels einer kommerziell erhältlichen herkömmlichen Vorrichtung.
Es wurden beide Probenahmevorrichtungen in einen Bioreaktor eingebaut. Der Bioreaktor wurde sterilisiert und mit sterilem Medium, Carriern und Zellen befüllt. Die Zellen sollten durch ihr Wachstum die Glukose- und Lactatkonzentration im Medium ändern.
Nach Abschluß aller Vorbereitungen und der Sterilisation wurde bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Membrantest durchgeführt. Dann wurde mit beiden Vorrichtungen jeweils eine Probe entnommen und die Glukose- und Lactatkonzentration bestimmt. Bei der herkömmlichen Probenahmevorrichtung musste aufgrund des vorhandenen Totvolumens eine erste Probe verworfen werden. Es wurde das zu verwerfende Probevolumen bis zur Konzentrationskonstanz von Glukose und Lactat ermittelt. In der herkömmlichen Vorrichtung gab es keine ideale Verdrängung der Probenflüssigkeit aus dem Leitungssystem, sondern eine Rückvermischung einzelner Substanzen in der darin enthaltenen Strömung. Die Rückvermischung wurde verursacht durch unterschiedliche Diffusionskoeffizienten der Substanzen in der Probe und zusätzlich durch die fluiddynamischen Eigenschaften von Totvolumen und Probenflüssigkeit.
Die Entnahme der Probe mittels der herkömmlichen Vorrichtung erfolgte nicht kontinuierlich. Das Ventil dieser herkömmlichen Vorrichtung wurde als Drei-Wege-Ventil von einem Strömungsweg zwischen der Probenahmesonde und einem Ausgang auf einen Strömungsweg zwischen einem Überströmanschluß und dem Ausgang umgeschaltet, nachdem bereits 2 ml Probevolumen in das Leitungssystem gefördert wurden.
Dadurch riß der Flüssigkeitsstrom im Inneren der Vorrichtung ab, und es wurde die Durchmischung in der Strömung noch verstärkt. In diesem Fall führte die höhere Durchmischung zur Vergrößerung des benötigten Probevolumens bis zur Konzentrationskonstanz. Aus die- sem Grunde wurde für die Zusammenfassung der Absolutwert des entnommenen Gesamtvolumens" der herkömmlichen Vorrichtung auf etwa 2,5 ml gesenkt.
Während der Fermentation ergaben sich folgende Ergebnisse:
Nach der Sterilisation war Wasserdampf im Inneren der herkömmlichen Vorrichtung konden- siert und hatte das Totvolumen der Vorrichtung ausgefüllt. Es war nach dem Einschalten der Pumpe eine deutliche Unterscheidung zwischen dem farblosen Kondensat und dem rotge- färbten Medium möglich. Das aufgefangene und gemessene Totvolumen betrug ca. 0,6 ml. Die Mediumproben wurden in Eppendorf-Tipps gesammelt. Mit der herkömmlichen Vorrichtung mussten mindestens zwei Proben von je 2 ml Probevolumen gesammelt werden, bis eine konstante gemessene Substanzkonzentration eintrat. Dies gilt sowohl für die Glukosekonzentration als auch für die in Figur 4 dargestellte Lactatkonzentration. Dieser Vorgang wurde an den folgenden Tagen wiederholt. Damit ergab sich ein Mehrverbrauch an zu entnehmendem Medium gegenüber dem Probenahmevorgang mittels der erfindungsgemäßen Probenahmevorrichtung zwischen 2 - 4 ml (100 - 200 %).
Aus der nachfolgenden Tabelle 1 läßt sich in vergleichender Darstellung ebenso wie aus den in Figuren 3 und 4 dargestellten Diagrammen die Entnahme von Proben aus dem Bioreaktor bis zum Konzentrationsausgleich von Glukose und Lactat bei einer Entnahme mittels der erfindungsgemäßen und der herkömmlichen Vorrichtung als Messergebnisse entnehmen:
Figure imgf000013_0001
In einem weiteren Versuch wurden aus einer Spinnerflasche mit Casolösung, die einer Nähr bouillon für Steriltests entspricht, mittels der erfϊndungsgemäßen Vorrichtung mehrfach Proben mit einem Volumen von 1 ,5 - 2 ml entnommen und analysiert. Über einen Versuchszeit räum von zwei Wochen hinweg war die Vorrichtung steril. Die Konzentration des Mediums Innerhalb der Spinnerflasche an Glukose blieb annähernd konstant, abgesehen von Mess- geräteschwankungen des Enzymsensors. Diese sind darauf zurückzuführen, dass der Enzymsensor empfindlich auf z. B. alternde Sensormembrane oder ungenügende Kalibrierautomatik reagierte. Aus der nachfolgenden Tabelle 2 ist die Glukosekonzentration, wie sie über mehrere Tage hinweg gemessen wurde, zu entnehmen.
Tabelle Z
Figure imgf000013_0002
In einem Vorversuch wurde überprüft, ob die Konzentration an Glukose in einer Casolösung mit derzeit von allein abnimmt. Dafür wurde eine Casolösung steril bei 37° C inkubiert. Die Analyse der Casolösung zeigt eine Stabilität über den Versuchszeitraum von vier Wochen, wie es der nachfolgenden Tabelle 3 zu entnehmen ist. Tabelle 3
Figure imgf000014_0001
l o Die Ausführung der Erfindung ist nicht nur auf das beschriebene Beispiel und die hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern ist im Rahmen der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.
15 Bezugszeichenliste
1 Behälter
2 Medium
3 Probenahmesonde 0 4 Rührer
5 Filtermembran
5a Rückseite jder Filtermembran
5b Vorderseite der Filtermembran
6 Zuführleitung 5 7 Abführleitung
8 Pumpe
9 Abführrichtung
10 T-Stück
11, 14, 16, 24, 25 Ventile 0 12, 21, 26 Sterilfilter
13 Manometer
15, 23 Gasversorgungsanschluß
17 spülflüssigkeitführende Anschlußleitung
18 Behälter 5 19 Spülflüssigkeit
20 Gas- und Spülflüssigkeitsanschlußleitung 22 Spülflüssigkeitsversorgungsanschluß
23 Gasversorgungsanschluß

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit einem Medium (2) gefüllten Behältern (1) und/oder Rohren, insbesondere aus Fermentern, über eine Filtermembran (5) mittels Unterdruck, dadurch gekennzeichnet, dass die innerhalb einer Probesonde (3) angeordnete Filtermembran (5) aus einem als Sterilgrenze wirkenden Material besteht, wobei auf der sterilen Grenzseite (5a) der Filtermembran (5) eine gasfuhrbare Zuführleitung (6) und eine probefuhrbare Abführleitung (7) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das als Sterilgrenze wirkende Material hydrophil ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gasfuhrbare Zuführleijung (6) ein hydrophobes Gas enthält.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch g e ke n n ze i ch net, dass die gasfuhrbare Zuführleitung (6) und die Abführleitung (7) derart ausgebildet sind, dass sie zum Zu- und Abführen von Gas mit Überdruck zu und von der Filtermembran (5) geeignet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gasfuhrbare Zuführleitung (6) an eine erste gasführende Anschlußleitung zum Verbinden der Zuführleitung (6) mit einem Gasversorgungsanschluß (15) angeschlossen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und zweites Ventil (11, 14) im Bereich des ersten und zweiten Endes der Anschlussleitung angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (13) in der gasführenden Anschlussleitung angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Sterilfilter (12) in der gasführenden Anschlussleitung angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch g e ke n nze ich n e t, dass die Zu- und Abführleitungen (6, 7) derart ausgebildet sind, dass sie zum Zu- und Ab- führen von Spülflüssigkeiten zu und von der Filtermembran (5) geeignet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (6) an eine zweite spülflüssigkeitführende Anschlussleitung (17) angeschlossen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch geken nze ich net, dass die spülflüssigkeitführende Anschlussleitung (17) mit einem eine Spülflüssigkeit (19) enthaltenden Behälter (18) verbunden ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (18) mit einem Spülflüssigkeitsversorgungsanschluß (22) über eine Gas- und Spülflüssigkeitsanschlussleitung (20) mit einem darin angeordneten weiteren Sterilfilter (21) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (18) mit einem weiteren Gasversorgungsanschluß (23) über eine Gas- und Spülflüssigkeitsanschlussleitung (20) mit einem darin angeordneten weiteren Sterilfilter (26) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführleitung (7) mit einer ventilwirkenden Vorrichtung (8) verbunden ist.
15. Verfahren zur Entnahme von flüssigen Proben aus mit einem Medium (2) gefüllten
Behältern (1) und/oder Rohren, insbesondere aus Fermentern, über eine Filtermembran (5) mittels Unterdruck gekennzeichnet durch folgende Schritte: - Zuführen eines Gases zu einer in einer Probesonde angeordneten Filtermembran
' (5) aus* einem als Sterilgrenze wirkenden Material auf der sterilen Grenzseite der Filtermembran (5) mittels einer mit mindestens einem Ventil (16) gegenüber anderen Leitungen sperrbaren Zuführleitung (6),
- Abführen des Gases von der Filtermembran (5) mittels einer Abführleitung (7) und Öffnen einer in der Abführleitung (7) angeordneten ventilwirkenden Vorrichtung
(8) solange, bis die Zu- und Abführleitungen (6, 7) probenfrei sind, fr-
- Schließen mindestens eines Ventils (11 ) zum Abkoppeln der Zuführleitung (6) von einem Gasversorguήgsanschluß (15),
- Entnahme der Probe mit gewünschten Volumen aus dem Medium (2) mittels der Abführleitung (7) und einem in der Abführleitung (7) vorhandenen Unterdruck, und
- Beförderung der Probe aus der Abführleitung (7) mittels eines mit Überdruck erneut zugeführten Gases.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von durch Inhaltsstoffe der Probe verursachte Verstopfungen und Verklebungen innerhalb der Abführleitung (7) eine Spülflüssigkeit (19) nach dem Schritt der Beförderung der Probe aus der Abführleitung (7) über die Zuführleitung (6) zugeführt und über die Abführleitung (7) abgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt des Zu- und Abführens der Spülflüssigkeit (19) die Schritte des Zu- und Abführens des Gases wiederholt werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch g eke n n ze i ch ne t, dass ein Integritätstest zur Prüfung/Validierung der Funktion der Probenahme die Schritte umfasst:
- Verschließen der Abführleitung (7) durch eine ventilwirkende Vorrichtung (8),
- Zuführen von Gas in die Zu- und Abführleitungen (6, 7) zur Erzeugung eines defi- nierten Überdruckes,
- Schließen eines weiteren Ventils (14) zur Abkopplung des Gasversorgungsanschlusses (15) von der Zuführleitung (6) unter Miteinbeziehung
"eines Drucksensors (13),
- Beobachten von möglichen Gas- und/oder Flüssigkeitsein- und/oder -austritten aus dem Leitungssystems, und
- Beobachten der Druckstabilität mittels des Drucksensors (13) als lηdikator für die Integrität der Filtermembran (5).
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