ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТВЕРДОФАЗНЫЙ БИОРЕАКТОР, ПРОМЫШЛЕННАЯ ТВЕРДОФАЗНАЯ БИОРЕАКТОРНАЯ СИСТЕМА.
INDUSTRIAL SOLID-PHASE BIOREACTOR, INDUSTRIAL SOLID-PHASE BIOREACTOR SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области твердофазных биореакторов и к ферментации с использованием реакторов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Твердофазная ферментация включает культивирование выбранных микроорганизмов, такие как грибы, на твердой, как правило, зернистой среде для выращивания. Продукты, производимые посредством твердофазной ферментации, включают, помимо прочих, ферменты, диетические пищевые добавки, антибиотики и инсектицидные споры.
Предшествующие попытки твердофазной ферментации в замкнутых промышленных биореакторах, таких как биореакторы, описанные в патентах США №6620614 и №7476534, были основаны на внутренней многоуровневой системе лотков. Однако недостаток таких конструкций заключается в том, что на всех уровнях могут существовать различные микроусловия среды в течение цикла ферментации. Кроме того, в таких конструкциях требуется активное охлаждение для каждого уровня, что увеличивает сложность реактора, а также повышает стоимость эксплуатации реактора в течение цикла ферментации. Наконец, эти реакторы являются недостаточно приспособленными для автоматизации, потому что реакционную емкость необходимо частично разбирать, чтобы извлекать лотки соответствующих уровней после завершения цикла ферментации.
Задачи, которые решает настоящее изобретение, представляют собой усовершенствованные промышленные твердофазные биореакторы, которые обеспечивают устойчивые и воспроизводимые условия ферментации во всем объеме культуральной среды, а также являются приспособленными для автоматизации и модульного масштабирования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный твердофазный биореактор, подходящий для автоматизации и в то же время обеспечивающий однородные условия ферментации при снижении эксплуатационных расходов. В отличие от предшествующих биореакторов, для реакционной емкости согласно настоящему изобретению не требуется активное охлаждающее устройство, которое повышает энергопотребление, потому что вместо него используется испарительное охлаждение.
Согласно одному варианту осуществления, настоящее изобретение предлагает промышленный твердофазный биореактор с реакционной емкостью, в которой присутствуют:
верхняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской;
нижняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, причем нижняя стенка представляет собой основание реакционной емкости;
одна или более боковых стенок, которыми соединяются верхняя стенка и нижняя стенка, таким образом, что верхняя стенка, нижняя стенка и одна или более боковых стенок вместе образуют внутреннее отделение реакционной емкости, вертикальную высоту от низа до верха и широкий горизонтальный размер, причем изготовлено множество отверстий в одной или более из данных стенок (включая верхнюю стенку, нижнюю стенку и боковые стенки), например, в одной или более из боковых стенок;
по меньшей мере, одно обратимо открывающееся укупорочное средство, присоединенное к стенке, в которой изготовлено отверстие, причем данное укупорочное средство приспособлено по размеру и конфигурации для обратимой герметизации отверстия; и
ориентированный горизонтально перфорированный пластинчатый элемент, расположенный во внутреннем отделении реакционной емкости на уровне между нижней стенкой и верхней стенкой, причем данный пластинчатый элемент имеет верхнюю сторону и нижнюю сторону, где пластинчатый элемент включает, по меньшей мере, одну перфорированную пластину, а в том случае, если пластинчатый элемент включает более чем одну пластину, то каждая пластина расположена, по меньшей мере, по существу на одном и том же уровне, и в результате этого пластины по существу не перекрывают друг друга в горизонтальном направлении. Обратимо открывающееся укупорочное средство может быть установлено и присоединено к каждому из отверстий. Согласно одному варианту осуществления, реакционная емкость включает водораспылительное средство в гидравлическом соединении с внутренним отделением. Согласно другому варианту осуществления, реакционная емкость включает перемешивающее средство выше перфорированного пластинчатого элемента.
Родственный вариант осуществления настоящего изобретения предлагает промышленный твердофазный биореактор с реакционной емкостью, в котором присутствуют верхняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской;
нижняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, причем нижняя стенка представляет собой основание биореактора;
одна или более боковых стенок, которыми соединяются верхняя стенка и нижняя стенка, таким образом, что верхняя стенка, нижняя стенка и одна или более боковых стенок вместе образуют внутреннее отделение, вертикальную высоту от низа до верха и широкий горизонтальный размер,
причем изготовлено множество отверстий в одной или более из данных стенок (включая верхнюю стенку, нижнюю стенку и боковые стенки), например, в одной или более из боковых стенок;
по меньшей мере, одно обратимо открывающееся укупорочное средство, присоединенное к стенке, в которой изготовлено отверстие, причем данное укупорочное средство приспособлено по размеру и конфигурации для обратимой герметизации отверстия; и
горизонтально ориентированный выдвижной ящик, расположенный между нижней стенкой и верхней стенкой, причем данный выдвижной ящик включает
панельное основание, включающее ориентированный горизонтально перфорированный пластинчатый элемент, имеющий верхнюю сторону и нижнюю сторону, где данный пластинчатый элемент включает, по меньшей мере, одну перфорированную пластину, а в том случае, если пластинчатый элемент включает более чем одну пластину, то каждая пластина расположена, по меньшей мере, по существу на одном и том же уровне, и пластины практически не перекрывают друг друга в горизонтальном направлении,
две боковые панели (задняя панель и передняя панель), причем передняя панель герметично закрывает отверстие в боковой стенке биореактора, в которое вставляется выдвижной ящик, когда этот выдвижной ящик вставляется полностью (когда выдвижной ящик закрывается). Помимо отверстия, которое герметично закрывает выдвижной ящик, обратимо открывающееся укупорочное средство может быть установлено и присоединено к каждому из отверстий.
Следующий вариант осуществления настоящего изобретения предлагает промышленную твердофазную биореакторную систему, которую составляют
множество твердофазных промышленных биореакторов согласно любому из вариантов осуществления или их видоизменений, которые описаны в настоящем документе; и
ферментационная станция, включающая множество впускающих воздух линий и выпускающих воздух линий, причем ферментационная станция и множество биореакторов взаимно приспособлены для оперативного и обратимого присоединения каждого из множества биореакторов, по меньшей мере, к одной впускающей воздух линии и, по меньшей мере, к одной выпускающей воздух линии.
Следующие варианты осуществления настоящего изобретения предлагают способы изготовления биореакторов и биореакторных систем согласно настоящему изобретению, в которых осуществляется твердофазная ферментация микроорганизмов, способы осуществления твердофазной ферментации микроорганизмов внутри биореакторов и способы извлечения и очистки продукта или продуктов, получаемых в результате твердофазной ферментации.
Дополнительные отличительные признаки, преимущества и варианты осуществления настоящего изобретения могут определяться или становиться очевидными при рассмотрении следующего подробного описания, чертежей и формулы изобретения. Кроме того, следует понимать, что приведенное выше краткое описание и следующее подробное описание настоящего изобретение представляют собой примеры и предназначаются, чтобы обеспечивать дополнительное разъяснение, не ограничивая объема настоящего изобретения, который определяет формула изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет вид в перспективе с частичным вырезом оборудованного внешними компонентами твердофазного биореактора согласно настоящему изобретению.
Фиг. 2 представляет вид в перспективе с частичным вырезом оборудованной водораспылительным средством емкости твердофазного биореактора согласно настоящему изобретению.
Фиг. 3 представляет вид в перспективе с частичным вырезом оборудованной перемешивающим средством емкости твердофазного биореактора согласно настоящему изобретению.
Фиг. 4 представляет вид сверху поперечного сечения представленного на фиг. 3 варианта осуществления при наблюдении вдоль линии 4-4.
Фиг. 5 представляет вид сбоку поперечного сечения представленного на фиг. 3 варианта осуществления при наблюдении вдоль линии 5-5.
Фиг. 6 представляет вид в перспективе с частичным вырезом оборудованного перемешивающим средством емкости твердофазного биореактора согласно альтернативному варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 представляет вид сверху поперечного сечения представленного на фиг. 6 варианта осуществления при наблюдении вдоль линии 7-7.
Фиг. 8 представляет вид сбоку поперечного сечения представленного на фиг. 6 варианта осуществления при наблюдении вдоль линии 8-8.
Фиг. 9 представляет альтернативный вид поперечного сечения представленного на фиг. 6 и 8 варианта осуществления при наблюдении вдоль линии 9-9.
Фиг. 10 представляет вид в перспективе с частичным разрезом цилиндрической оборудованной перемешивающим средством емкости твердофазного биореактора согласно альтернативному варианту осуществления настоящему изобретению.
Фиг. 11 представляет вид сбоку представленного на фиг. 10 варианта осуществления.
Фиг. 12 представляет вид сверху поперечного сечения представленного на фиг. 11 варианта осуществления при наблюдении вдоль линии 12-12.
Фиг. 13 представляет вид сбоку поперечного сечения представленного на фиг. 10 варианта осуществления, при наблюдении вдоль линии 13-13.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает предназначенные для многоразового пользования твердофазные промышленные биореакторы, обеспечивающие упрощение и повышение до максимального уровня автоматизации процессов твердофазной ферментации при одновременном обеспечении асептических условий и перемещения материалов. Настоящее изобретение также предлагает автоматизированные системы твердофазной ферментации, которые включают биореакторы как масштабируемые модули.
Настоящее изобретение предлагает решение нескольких из следующих проблем, которые обычно связаны с поверхностной ферментацией.
Во-первых, недостаточное охлаждение (и дыхание) внутри среды для выращивания при повышенной высоте слоя, как правило, ограничивает процесс ферментации в предшествующих конструкциях твердофазных ферментационных биореакторов. Высокий слой среды для выращивания является желательным с экономической точки зрения, потому что при этом уменьшается число лотков, которые необходимо обслуживать. Биореакторы согласно настоящему изобретению преимущественно предотвращают проблемы, которые, как правило, возникают, когда используются высокие (т.е. глубокие или толстые) слои среды, в результате соответствующей конфигурации воздушного потока. В соответствии с настоящим изобретением, воздух для охлаждения и дыхания пропускается через слой среды для выращивания в выбранном направлении, которое можно изменять, если это желательно. Благодаря использованию испарительного охлаждения, для реакционной емкости не требуется активное охлаждающее оборудование внутри реакционной емкости, которое, как правило, присутствует в предшествующих многоуровневых биореакторных системах. В результате этого в реакционной емкости согласно настоящему изобретению может отсутствовать активная охлаждающая система, и благодаря этому уменьшается сложность реакционной емкости и снижаются эксплуатационные расходы, обусловленные энергопотреблением охлаждающего оборудования.
Во-вторых, низкое влагосодержание, как правило, ограничивает процесс ферментации. Испарение воды из твердофазной среды для выращивания обычно способствует охлаждению среды, но за счет ее высушивания, которое ограничивает процесс ферментации. Биореакторы согласно настоящему изобретению преодолевают это затруднение, обеспечивая в течение цикла ферментации частое добавление воды, предпочтительно в асептических условиях. Таким образом, может быть достигнут высокий эффект испарительного охлаждения при одновременном сохранении влагосодержания на оптимально высоком уровне.
В-третьих, твердофазная промышленная ферментация с использованием традиционных лотков или уровней, как правило, является очень трудоемкой и не очень приспособленной для автоматизации. С другой стороны, биореакторы согласно настоящему изобретению могут иметь такие размеры, что каждый биореактор индивидуально заменяет множество традиционных лотков, имеющих единственный перфорированный пластинчатый элемент. Кроме того, биореакторы согласно настоящему изобретению приспособлены для управления стандартными высокопроизводительными промышленными роботами в условиях автоматизации.
В-четвертых, загрязнение чувствительного продукта может уменьшать выход и производительность традиционных твердофазных ферментационных устройств. Риск загрязнения продукта внутри традиционного лотка увеличивается каждый раз, когда процесс происходит в лотке, или когда лоток перемещается. Конструкции биореактора согласно настоящему изобретению устраняют или сокращают до минимума риск загрязнения в случае использования асептической конфигурации. Согласно настоящему изобретению, среду для выращивания можно стерилизовать паром во внутреннем отделении биореактора и, благодаря асептической конструкции, все содержимое этого отделения остается стерильным, за исключением посева желательных микроорганизмов.
В-пятых, биореакторы согласно настоящему изобретению также обеспечивают преимущества безопасной работы. Работники подвергаются воздействию микроорганизмов, таких как грибы, что представляет собой риск, когда осуществляется традиционная ферментация в лотках или твердофазная ферментация в контейнерах. Полностью замкнутая конструкция биореакторов согласно настоящему изобретению в случае использования асептической конфигурации фактически устраняет этот риск, предотвращая выпуск микроорганизмов в окружающую среду. Благодаря своей автоматизации, биореакторные системы согласно настоящему изобретению могут также устранять риск загрязнения конкурентными штаммами, которые могли бы в других условиях присутствовать в неавтоматизированных крупномасштабных процессах ферментации в лотках или контейнерах. Например, в случае многоуровневых реакторов предшествующего уровня техники реакционную емкость необходимо открывать после завершения цикла ферментации, а затем техник должен извлекать каждый лоток. Такая конструкция создает многочисленные возможности травмы техника.
В-шестых, биореакторы согласно настоящему изобретению предназначаются для многоразового пользования и уменьшают количество отходов по сравнению с известными в технике твердофазными ферментационными контейнерами и лотками для одноразового пользования.
Далее настоящее изобретение описано со ссылкой на прилагаемые чертежи следующим образом.
Фиг. 1 представляет вид в перспективе с частичным вырезом твердофазного промышленного биореактора в асептической конфигурации согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Данный биореактор может представлять собой один из множества таких биореакторов, которые являются компонентами, по меньшей мере, частично автоматизированной и/или механизированной промышленной биореакторной системы. Как представлено на фиг. 1, реакционная емкость 10 включает в себя нижнюю основную часть (или стенку) 100, верхнюю часть (или стенку) 102 и боковые стенки 104A-D, которые образуют реакционную емкость, имеющую форму прямоугольного корпуса, определяющей внутреннее пространство (или внутреннее отделение) для приема ферментационной среды для выращивания. Хотя реакционная емкость 10 изображена как прямоугольный корпус, для специалистов в данной области техники является очевидным, что реакционная емкость 10 может иметь разнообразную форму.
Снова рассмотрим фиг. 1, на которой реакционная емкость 10 включает перфорированный пластинчатый элемент 110, расположенная горизонтально внутри емкости в промежуточном положении (т.е. между) нижней основной частью 100 и верхней основной частью 102, разделяя на две части внутреннее отделение (ссылочная позиция отсутствует), на соответственно, верхнее и нижнее отделение (ссылочная позиция отсутствует). Пластинчатый элемент 110 присоединяется к боковым стенкам 104A-D любым традиционным способом и может герметично присоединяться вдоль краев к боковым стенкам 104A-D, чтобы в максимальной степени пропускать воздух через перфорации пластинчатого элемента 110. Согласно одному варианту осуществления, перфорированная пластина 110 может герметично присоединяться к боковым стенкам 104A-D посредством непрерывной сварки. Согласно другому варианту осуществления (не представлено на фиг. 1), реакционная емкость 10 может включать верхний и нижний корпуса, причем перфорированная пластина 110 располагается между секциями корпусов, и в результате этого перфорированная пластина 110 проходит вдоль боковых стенок 104А-D.
Перфорированный пластинчатый элемент 110 предпочтительно располагается внутри реакционной емкости 10 в положении, ближайшем к нижней основной части 100 и удаленном от верхней основной части 102. Положение пластинчатого элемента 110 вблизи к нижней основной части 100 увеличивает до максимума доступный объем верхнего внутреннего отделения, поскольку именно сверху перфорированного пластинчатого элемента 110 диспергируется твердофазная среда для выращивания. Представительные примеры среды для выращивания включают, но не ограничиваются этим, рис, рисовые отруби, крупу из нешелушенной пшеницы, пивоваренный ячмень, кормовой ячмень и ячменные хлопья.
Хотя расстояние между нижней основной частью 100 и перфорированным пластинчатым элементом 110 является переменным, оно должно быть достаточно большим, чтобы увеличивать до максимума распределение воздуха и обеспечивать доступ к очищающему устройству (не представлено). Например, нижняя основная часть 100 и перфорированный пластинчатый элемент 110 должны быть разделены расстоянием, составляющим, по меньшей мере, 2 дюйма (5,08 см). Разумеется, когда увеличивается размер реакционной емкости, может также увеличиваться и расстояние между нижней основной частью 100 и перфорированным пластинчатым элементом 110.
Хотя это не проиллюстрировано на фиг. 1, перфорированный пластинчатый элемент 110 может быть изготовлен из множества перфорированных пластин, соединенных вдоль краев в горизонтальном направлении, которые эффективно обеспечивают такие же функции, как единственная перфорированная пластина. В такой конфигурации между пластинами должно отсутствовать перекрывание, которое уменьшало бы поток воздуха через перфорированный пластинчатый элемент и могло бы приводить к различным микроусловиям в объеме твердофазной среды для выращивания. Согласно одному варианту осуществления, перфорированный пластинчатый элемент 110 представляет собой единственную перфорированную пластину.
Как представлено на фиг. 1, доступ в объем внутреннего отделения выше перфорированного пластинчатого элемента 110 (т.е. верхнее отделение) осуществляется через отверстие (впускное отверстие 106), расположенное в одной из боковых стенок 104A-D (например, боковой стенке 104С) реакционной емкости 10. Хотя на фиг. 1 проиллюстрировано только одно впускное отверстие, для специалистов в данной области техники является совершенно очевидным, что можно предусмотреть множество впускных отверстий для большего доступа во внутреннее отделение реакционной емкости 10. В процессе использования ферментационного реактора Впускное отверстие 106 герметично закрывает заглушка 108. Эта заглушка 108 и соответствующее отверстие (впускное отверстие 106) предпочтительно являются взаимно приспособленными для обратимой герметизации отверстия, что упрощает доступ во внутреннее отделение реакционной емкости 10. Например, может быть предусмотрена обратимая герметизация или герметизация для одноразового использования посредством блокировки винтовой резьбы, позволяющей заглушке обратимо ввинчиваться в отверстие. В качестве альтернативы, может быть предусмотрена обратимая герметизация посредством обратимой фиксации заглушки в отверстии. В соответствии с настоящим изобретением, можно использовать любое известное в технике средство, такое как клапан.
Снова рассмотрим фиг. 1, где несколько других отверстий можно изготавливать в боковых стенках емкости 10, которые присоединяются (т.е. образуют гидравлическое соединение) с клапанами или другими обратимо открываемыми устройствами. Например, как проиллюстрировано на фиг. 1, реакционная емкость 10 включает спускной клапан 200, присоединенный к отверстию (представлено номером 200А на фиг. 2) в нижнем углу биореактора. Реакционная емкость 10 может также включать клапаны 202 и 204 верхнего отделения в гидравлическом соединении с отверстиями (представлены номерами 202А и 204А на фиг. 2) для присоединения промывочных линий к верхнему отделению биореактора, что обеспечивает разбрызгивание воды на внутренние поверхности для целей очистки и промывки. Аналогичным образом, реакционная емкость 10 может также включать клапаны 20 6 и 208 нижнего отделения в гидравлическом соединении с отверстиями (представлены номерами 206А и 208А на фиг. 2) для присоединения промывочных линий к нижнему отделению биореактора. Например, сопла для очистки при высоком давлении можно вставлять в верхнее и нижнее отделения с использованием этих отверстий.
Аналогичным образом, как представлено на фиг. 1, реакционная емкость 10 оборудована дополнительными клапанами 210, 212 и 214 верхнего отделения, которые присоединяются к отверстиям (представлены номерами 210А, 212А и 214А на фиг. 2), открывающимся во внутреннее отделение выше перфорированного пластинчатого элемента 110. Клапаны 210, 212 и 214 могут быть предназначены для выполнения разнообразных функций, в том числе для присоединения к линиям для введения воды, введения инокулянта и для отбора образцов. Кроме того, если клапаны 210, 212 и 214 предназначаются для введения воды, они могут присоединяться к соплам разбрызгивателя туманообразователя, которые предназначаются для введения брызг или тумана в верхнее и/или нижнее отделения реакционной емкости 10.
Биореактор может также включать воздушные впускные линии (представлены как клапаны 216 и 218 на фиг. 1), которые представляют собой клапанные воздушные впускные линии, присоединенные к отверстиям (не представлены на фиг. 1), которые ведут в верхнее и нижнее отделения, соответственно. Воздушные впускные клапаны 216 и 218 находятся в гидравлическом соединении с общей трубной частью (номер отсутствует), которая находится в гидравлическом соединении с воздушным впускным фильтром 220. Воздушный впускной фильтр 220 впускает воздух для создания асептических условий внутри реакционной емкости 10. Другая сторона воздушного впускного фильтра 220 представляет собой прикрепленный клапанный компонент (номер отсутствует), который приспособлен по размеру и конфигурации для обратимого соединения с неподвижным шаровым клапанным адаптером 222 впускной воздушной линии ферментационной станции, на которой используется биореактор. Этот неподвижный шаровой клапанный адаптер 222 обеспечивает быстрое присоединение к установочному устройству реактора. Как правило, воздушные впускные устройства биореактора и впускные воздушные линейные устройства ферментационной станции являются взаимно приспособленными для обратимого присоединения друг к другу. Эти внешние компоненты обеспечивают, что профильтрованный воздух поступает в реакционную емкость 10, сокращая до минимума риски нежелательного загрязнения ферментационной среды для выращивания.
Снова рассмотрим фиг. 1, где биореактор может также включать воздушные выпускные линии (представлены как клапаны 224 и 226 на фиг. 1), которые представляют собой клапанные воздушные выпускные линии, присоединенные к отверстиям (не представлены на фиг. 1), которые ведут в верхнее и нижнее отделения, соответственно. Воздушные выпускные клапаны 224 и 226 находятся в гидравлическом соединении с общей трубной частью (номер отсутствует), которая находится в гидравлическом соединении с воздушным выпускным фильтром 228. Воздушный выпускной фильтр 228 фильтрует воздух, который выпускается из реакционной емкости 10, в целях безопасности техников, обслуживающих реактор. На практике стерильный воздушный выпускной фильтр также требуется на выпускной линии для обеспечения того, чтобы асептические условия сохранялись внутри реакционной емкости 10. Другую сторону воздушного выпускного фильтра 228 представляет собой присоединенный клапанный компонент (номер отсутствует), который является приспособленным по размеру и конфигурации для обратимого соединения с неподвижным шаровым клапанным адаптером 230 выпускающей воздух линии ферментационной станции, в которой используется биореактор. Как правило, воздушные выпускное оборудование биореактора и оборудование выпускающей воздух линии ферментационной станции должны быть взаимно приспособлены, чтобы обратимо присоединяться друг к другу.
Воздушные впускные клапаны 216 и 218 могут иметь индивидуальное регулирование, и, аналогичным образом, воздушные выпускные клапаны 224 и 226 могут иметь индивидуальное регулирование. Эти клапаны могут иметь электрическое или пневматическое регулирование. Возможность регулирования клапанов обеспечивает возможность того, что направление воздушного потока по отношению к перфорированному пластинчатому элементу 110 выбирается и изменяется, насколько это является желательным или необходимым. Другими словами, воздушный поток через реакционную емкость 10 может осуществляться в направлении сверху вниз (когда поток движется из верхнего отделения в нижнее отделение) или снизу вверх выше (когда поток движется из нижнего отделения в верхнее отделение).
Снова рассмотрим фиг. 1, где одно или более отверстий можно также оборудовать дополнительными воздушными впусками для введения воздуха в реакционную емкость 10. Как представлено на фиг. 1, реакционная емкость 10 имеет 2 воздушные впускные отверстия/клапаны 216, 218. Аналогичным образом, выпускаемый воздух может выходить из реакционной емкости 10 через отверстия/клапаны 224, 226. За счет изготовления в реакционной емкости 10 двух или более отверстий, находящихся в соединении с верхним отделением, и двух или более отверстий, находящихся в соединении с нижним отделением, дополнительный воздух можно пропускать через перфорированный пластинчатый элемент 110 и слой субстрата/среды наверху перфорированного пластинчатого элемента 110. Воздух можно продувать в обоих направлениях: сверху вниз или снизу вверх. Например, любой из клапанов 202, 204, 206 или 208 может быть приспособлен для введения дополнительного воздуха в реакционную емкость 10 и изменения направления воздушного потока. Такая альтернативная конфигурация является благоприятной, потому что воздух требуется для нескольких протекающих внутри реактора процессов, таких как ферментация/воздушное дыхание, охлаждение, нагревание и регулирование уровней влажности.
Кроме того, как представлено на фиг. 1, высота (h) реакционной емкости согласно настоящему изобретению представляет собой расстояние, измеряемое в направлении, которое является поперечным (т.е. перпендикулярным) горизонтальной плоскости перфорированного пластинчатого элемента 110. Ширина и длина измеряются в направлениях, перпендикулярных высоте. Хотя фиг. 1 представляет конфигурацию прямоугольного корпуса для реакционной емкости 10, профиль биореактора в направлении, перпендикулярном его высоте, может иметь любую форму. Например, профиль реакционной емкости 10 не ограничивается прямоугольной формой, которая проиллюстрирована на фиг. 1, но может представлять собой овал, круг, треугольник, трапецию, изогнутый овал и т.д. Как представлено на фиг. 1, максимальный размер биореактора в направлении, перпендикулярном его высоте (т.е. в горизонтальном направлении), составляет более чем его высота (оба размера измеряются по главным стенкам, образующим внутреннее отделение реакционной емкости 10, не учитывая внешние присоединенные компоненты). В соответствии с настоящим изобретением, реакционная емкость должна иметь соотношение размеров, определяемое как соотношение максимального размера биореактора в направлении, перпендикулярном его высоте, и высоты реакционной емкости, может составлять более чем 1,0, где оба размера измеряются по главным стенкам, образующим внутреннее отделение реакционной емкости, не учитывая внешние присоединенные компоненты. Соотношение размеров реакционной емкости согласно настоящему изобретению может составлять, например, более чем 1,0, более чем 1,5, более чем 2,0, более чем 2,5, более чем 3,0, более чем 3,5, более чем 4,0, более чем 4,5 или более чем 5,0. Соотношение размеров реакционной емкости согласно настоящему изобретению может составлять, например, от 1,0 до 10,0, от 1,5 до 10,0, от 2,0 до 10,0, от 2,5 до 10,0, от 3,0 до 10,0, от 3,5 до 10,0, от 4,0 до 10,0, от 4,5 до 10,0 и от 5,0 до 10,0.
Рассмотрим фиг. 2, которая представляет вид в перспективе с частичным разрезом емкости твердофазного биореактора согласно настоящему изобретению, оборудованного водораспылительным средством. В отличие от фиг. 1, представленная реакционная емкость 10 не имеет асептической конфигурации, причем все внешние компоненты удалены, за исключением воздушного впускного клапана 218 и воздушного выпускного клапана 224. В соответствии с настоящим изобретением, одно или более отверстий можно обратимо герметизировать, поскольку для биореактора согласно настоящему изобретению в процессе работы требуется только по одному отверстию для каждого из верхнего и нижнего отделений. Как представлено на фиг. 2, реакционная емкость 10 включает водораспылительное средство 300, которое прикрепляется верхней основной частью 102 и находится в гидравлическом соединении с верхним отделением реакционной емкости 10. Водораспылительное средство включает сопло 302, расположенное в верхнем отделении реакционной емкости 10. Сопло 302 находится в гидравлическом соединении с фильтром 304 стерильной воды для обеспечения асептических условий внутри реакционной емкости 10. Хотя водораспылительное средство 300 занимает центральное положение на верхней основной части 102, водораспылительное средство 300 или множество водораспылительных средств 300 могут занимать любые положения на реакционной емкости 10, при том условии, что эти водораспылительные средства имеют соединение (т.е. находятся в гидравлическом соединении) с верхним отделением. Примерные сопла для использования в соответствии с настоящим изобретением представляют собой гидравлические распылительные сопла серии С, которые поставляет на продажу компания ВЕХ Incorporated, расположенная в Энн-Арбор (штат Мичиган).
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, как представлено на фиг. 3, реакционная емкость 10 включает, по меньшей мере, одно перемешивающее средство 400. Перемешивающее средство 400 позволяет перемешивать ферментационную среду для выращивания до, в течение или после цикла ферментации. Польза перемешивающего средства заключается в том, что ферментационная среда для выращивания образует более однородную смесь. Это, в свою очередь, уменьшает вероятность образования различных микроусловий среды, что может наблюдаться в реакторах предшествующих конструкций. Как представлено на фиг. 3, перемешивающее средство 400 может представлять собой вращающийся вал 402, проходящий через верхнюю основную часть 102 по направлению к нижней основной части 100. Вращающийся вал 402 имеет множество прикрепленных к нему вращающихся винтов 404, и в результате этого вращение вращающегося вала 402 обеспечивает вращение вращающихся винтов 404, которыми перемешивается ферментационная среда для выращивания. Хотя перемешивающее средство 400 проиллюстрировано как проходящее в вертикальном направлении в верхнее отделение реакционной емкости 10, это перемешивающее средство 400 может занимать любое положение в верхнем отделении, при том условии, что ферментационная среда для выращивания может перемешиваться в достаточной степени. Вращение вращающегося вала 402 можно обеспечивать любым способом, известным в технике, например, используя электрический или пневматический двигатель. Кроме того, движение вращающихся винтов 404 может быть синхронным или асинхронным в зависимости от размеров вращающихся винтов 404. Наконец, хотя проиллюстрированное перемешивающее средство 400 представляет собой ротор, данное перемешивающее средство 400 может иметь любую подходящую конструкцию (такую как шнек или винт), чтобы перемешивать ферментационную среду для выращивания.
Фиг. 4 и 5 представляют вид сверху и вид сбоку поперечного сечения реакционной емкости 10, проиллюстрированной на фиг. 3. Как представлено на фиг. 5, вращающиеся винты 404 находятся на расстоянии друг от друга, и в результате этого предотвращается нежелательный контакт между вращающимися винтами. Однако вращающиеся винты 404 могут также находиться в пересекающейся конфигурации без контакта, что обеспечивает равномерное перемешивание ферментационной среды для выращивания.
Рассмотрим фиг. 6, которая представляет вид в перспективе с частичным разрезом емкости твердофазного биореактора согласно настоящему изобретению, включающего альтернативное перемешивающее средство. Как представлено на фиг. 6, реакционная емкость 10 включает перемешивающее средство 400 в форме механических салазок 412, совершающих возвратно-поступательное движение внутри верхнего отделения по направляющим салазки рельсам 410. Возвратно-поступательное движение (т.е. движение назад и вперед) салазок 412 способствует лучшему перемешиванию ферментационной среды для выращивания, что позволяет получать более однородную или гомогенную ферментационную среду.
Фиг. 7-9 представляют альтернативные изображения реакционной емкости 10, оборудованной альтернативным перемешивающим средством 400, которое проиллюстрировано на фиг. 6. Как представлено на фиг. 7, реакционная емкость 10 включает пару направляющих салазки рельсов 410, которые проходят параллельно боковым стенкам 104В, 104D, и в результате этого салазки 412, движущиеся по направляющим рельсам 410, проходят всю ширину (т.е. горизонтальный размер) реакционной емкости 10. Фиг. 8 и 9 представляют салазки 412, которые не проходят по вертикали весь размер верхнего отделения реакционной емкости 10. По существу, салазки 412 должны проходить вглубь ферментационной среды для выращивания, чтобы обеспечивать достаточное перемешивание для изготовления более однородной микросреды. Однако, как понимают специалисты в данной области техники, направляющие рельсы 410 и салазки 412 могут присутствовать в верхнем отделении реакционной емкости 10 в многочисленных различных конфигурациях, чтобы обеспечивать достаточные перемешивание ферментационной среды для выращивания.
Рассмотрим фиг. 10, которая представляет вид в перспективе с частичным разрезом емкости твердофазного биореактора 20, где реакционная емкость 20 имеет цилиндрическую конфигурацию. В соответствии с настоящим изобретением, хотя реакционная емкость 20 имеет цилиндрическую конфигурацию, его горизонтальный размер является значительно больше, чем его вертикальный размер, и в результате этого сохраняется соотношение размеров, которое описано выше. Реакционная емкость 20 включает вертикально расположенную нижнюю основную часть 100 и верхнюю основную часть 102 с дугообразной (т.е. изогнутой) боковой стенкой 105, расположенной между частями (основаниями) 100, 102. В соответствии с настоящим изобретением, реакционная емкость 20 включает перфорированный пластинчатый элемент 110 (представленный как одна пластина), проходящий горизонтально по всему внутреннему размеру емкости. В результате этого перфорированный пластинчатый элемент 110 разделяет на две части внутреннее отделение (номер отсутствует), и получаются верхнее и нижнее отделение (номера отсутствует). Аналогичным образом, перфорированный пластинчатый элемент 110, который расположен ближе к нижней основной части 100, образует верхнее отделение, имеющее больший внутренний объем по сравнению с нижним отделением.
Снова рассмотрим фиг. 10, где реакционная емкость 20 (в отличие от реакционной емкости 10) включает перфорированный пластинчатый элемент 110, проходящий вдоль боковой стенки 105, и в результате этого корпус реакционной емкости 20 разделятся на состоящий из двух частей корпус, включающий верхний корпус 107 и нижний корпус 109. Как представлено на фиг. 10, верхний и нижний корпуса 107, 109 включают внешние фланцы 107А, 109А, проходящие по окружности у открытых концов своих соответствующих корпусов. Перфорированный пластинчатый элемент 110 расположен между фланцами 107, 109А, и в результате этого корпуса 107А, 109А и перфорированная пластина 110 находятся в торцевом соединении посредством болтов, зажимов или подобных средств. Поскольку имеются два корпуса, реакционная емкость 20 можно разбирать, если это желательно. В качестве альтернативы, корпуса 107, 109 и перфорированный пластинчатый элемент 110 можно сваривать друг с другом, если их разборка не требуется.
Реакционная емкость 20 может иметь конфигурацию, аналогичную реакционной емкости 10. Например, реакционная емкость 20 включает перемешивающее средство 400, которое, как представлено на фиг. 10, включает вращающийся вал 402, проходящий вертикально через верхнюю основную часть 102 в верхнее отделение. Вращающийся вал 402 оборудован множеством вращающихся винтов 404, аналогично реакционной емкости 10. Верхний корпус 107 реакционной емкости 20 также включает необязательный роторные направляющие 405 внутри корпуса. Хотя это не представлено на чертеже, статоры можно устанавливать на необязательные роторные направляющие 405, чтобы улучшать функциональность перемешивающего средства 400. Реакционная емкость 20 также включает клапаны 232, 234 верхнего и нижнего корпусов, соединенные (находящиеся в гидравлическом соединении) с верхним и нижним отделениями (номера отсутствуют) через верхнее и нижнее отверстие (не представлены на фиг. 10). Клапаны 232, 234 верхнего и нижнего корпусов обеспечивают обратимое поступление воздуха, воды и любой другой текучей среды, которая вводится внутрь реакционной емкости 20. Хотя это не представлено на фиг. 10, реакционная емкость 10 может также включать множество отверстий, обеспечивающих доступ, аналогично реакционной емкости 10.
Фиг. 11-13 представляют альтернативные изображения реакционной емкости 20, которая оборудована перемешивающим средством 400, проиллюстрированным на фиг. 10. Как представлено на фиг. 11, реакционная емкость 20 также включает впускное отверстие 106 в гидравлическом соединении с верхним отделением, и его герметично закрывает заглушка 108 или подходящий клапан (не представлен на чертеже). Аналогично реакционной емкости 10, реакционная емкость 20 может включать множество впускных отверстий, которые упрощают доступ в верхнее отделение. Вращающиеся винты 404, как представлено на фиг. 12, могут проходить по горизонтали весь размер реакционной емкости 20. Рассмотрим фиг. 13, где вращающиеся винты 404 поддерживают необязательные роторные направляющие 405. Фиг. 13 также представляет вращающийся вал 402, который необязательно проходит через перфорированный пластинчатый элемент 110, обеспечивая дополнительную структурную опору для перемешивающего средства 400.
Стенки реакционных емкостей 10, 20 и перфорированный пластинчатый элемент 110, расположенный в них, предпочтительно составляет металл, в том числе, но не ограничиваются этим, нержавеющая сталь и алюминий. В качестве альтернативы, можно также использовать неметаллические материалы, в том числе, но не ограничиваются этим, металлоценовые полимеры или углеродные волокна. Биореакторы согласно настоящему изобретению можно изготавливать любым способом, известным в технике. Например, биореактор можно собирать, используя для соединения болты, заклепки, сварку и клей. В частности, соединения любого рода или любые их сочетания можно использовать, чтобы изготавливать камеру биореактора (т.е. реакционная емкость). Должно быть легко понятным, что в том случае, где соединяются друг с другом какие-либо панели или поверхности, для герметизации их соединения можно использовать уплотнения или другие средства герметизации. Камера биореактора, в том числе такая, как представлено на фиг. 1 и 10, может быть получена путем изготовления и сварки друг с другом металлических панелей, например, из нержавеющей стали, введения и сварки перфорированной пластины перед закрытием сварной камеры. Разнообразные отверстия могут быть изготовлены любым способом, таким как, но не ограничиваясь этим, сверление или лазерное резание, или любым другим способом, известным в технике. Перфорированный пластинчатый элемент 110 можно аналогичным образом изготавливать из листа металла или другого материала, используя сверление, пробивание или любой другой подходящий способ. Размер перфорационных отверстий в перфорированной пластине выбирается таким образом, что стандартная гранулированная твердофазная ферментационная среда для выращивания, такая как рисовые отруби, проходит через них с трудом или совершенно не проходит. Разнообразные компоненты, которые соединяются с отверстиями, можно присоединять к ним, используя любые способы, в том числе, но не ограничиваясь этим, винтовое соединение или сварное соединение в том случае, где компоненты не обязательно должны образовывать разъемное соединение.
Пример изготовления и работы ферментационного биореактора
Биореакторный блок согласно настоящему изобретению, такой как блок, представленный на фиг. 1, можно стерилизовать с использованием пара. Для такой стерилизации весь биореактор можно помещать, например, в автоклав. После заполнения биореактора средой для выращивания его можно стерилизовать, используя пар, поступающий через одно или более отверстий в стенках биореактора. После этой стерилизации, биореактор можно устанавливать на ферментационную станцию с соответствующими разнообразными клапанами (и выдвижным ящиком, если он присутствует) в закрытом состоянии, чтобы предотвращать внешнее загрязнение внутреннего содержимого биореактора. Стороны, присоединяемые к соответствующим внешним компонентам, таким как разнообразные клапаны, можно затем стерилизовать паром на месте после присоединения к внешним трубопроводам на ферментационной станции. После этого клапаны биореактора и трубопроводов станции можно открывать, чтобы обеспечивать асептический поток воздуха, воды, жидкостей, инокулянта и т.д.
В следующей примерной процедуре клапаны считаются закрытыми, если они не работают.
1. Среда для выращивания поступает через впускное отверстие 106 в верхний внутренний объем биореактора, и это отверстие затем герметизируется заглушкой 108.
2. Пар может поступать через клапаны 216, 218, 224 и 226 из подающих пар линий (аналогичным образом присоединенных линий 222 и 230), и в результате этого среда для выращивания, внутренние поверхности и воздушные фильтры 220 и 228 совместно стерилизуются. В качестве альтернативы, весь биореакторный блок можно стерилизовать в автоклаве.
3. Вода/жидкость/инокулянт может затем поступать через клапаны 210 или 212. В течение этой операции биореактор может находиться в перевернутом состоянии (вверх дном).
4. После того как вводится вода/жидкость/инокулянт, биореактор можно поворачивать и/или встряхивать, чтобы перемешивать компоненты. В течение этой операции биореактор может оставаться в перевернутом состоянии, или перемешивающее средство 400 можно приводить в действие вместо встряхивания и вращения реакционной емкости. Биореактор затем возвращается в исходное состояние, если это необходимо.
5. В любой момент времени избыток воды/жидкости/инокулянта, который скапливается на дне биореактора, можно сливать через клапан 200, если это оказывается желательным или необходимым.
6. Воздух для дыхания и/или охлаждения поступает через воздушные впускные линии 222; и воздух/газ выходит через выпускающую воздух линию 230 - эти приводимые в действие пружинами шаровые клапаны не установлены на сам биореактор, но занимают положения на стойках в ферментационной станции, таким образом, что клапаны в процессе работы входят в воздушные впускные и выпускные соединения биореактора, когда биореактор помещается в ферментационную станцию. Если клапаны 218 и 224 являются открытыми (клапаны 216 и 226 являются закрытыми), воздух поступает во внутреннее отделение ниже перфорированного пластинчатого элемента 110 и проходит через слой среды для выращивания в направлении снизу вверх. Если клапаны 216 и 226 являются открытыми (клапаны 218 и 224 являются закрытыми), воздух движется в противоположном направлении (в направлении сверху вниз). Регулярное изменение направления воздуха предотвращает высыхание среды для выращивания в отдельных местах слоя среды, и в результате этого обеспечивается более равномерное влагосодержание в течение ферментации. Это улучшает рост микроорганизмов внутри слоя и способствует лучшему охлаждению посредством испарения воды из среды для выращивания. После того, как влагосодержание уменьшается ниже желательного уровня, может поступать вода/жидкость. Например, биореактор может быть оборудован водораспылительным средством 30 для поддержания влажности среды для выращивания на оптимальном уровне или для очистки биореактора после завершения цикла ферментации.
8. Комки, которые могут образовываться в слое среды для выращивания, могут разрушаться посредством помещения биореактора на (высокопроизводительную) вибрационную установку. В качестве альтернативы, среда для выращивания перемешивается перемешивающим средством 400 посредством вращения мешалки, и в результате этого устраняется необходимость вибрационной установки.
9. Образцы можно извлекать из биореактора в процессе ферментации через клапан 214.
10. Твердый продукт можно выпускать через впускное отверстие 106. Биореактор можно, например, наклонять, переводя его из в вертикального положения в боковое, чтобы выливать содержимое его верхнего объема через отверстие 106, и/или данное содержимое можно извлекать из реактора, используя соответствующее средство и/или вакуум.
11. Внутреннее отделение биореактора можно, например, промывать, используя разбрызгивающие сопла, которые вставляются через клапанные промывочные отверстия 202, 204, 206 и 208
Описание опорных систем и установок, используемых с биореакторами
Камеры и стойки
Биореактор согласно настоящему изобретению может занимать положение на стойке, которая приспособлена по размеру и конфигурации для помещения биореактора в ферментационную станцию. Каждое положение на стойке может иметь соединительные элементы, в том числе, но не ограничиваются этим, шаровые клапаны, которые приспособлены для присоединения биореактора к впускающей воздух линии и выпускающей воздух линии воздушной системы (см. описание ниже). Водные линии и другие линии можно также присоединять к биореактору, когда он занимает положение на стойке ферментационной станции.
Воздушная система
Воздух для дыхания, охлаждения и/или высушивания внутренних отделений можно подвергать центральному кондиционированию, используя несколько обрабатывающих первичный воздух блоков (AHU). Воздух можно обрабатывать, получая желательную температуру, влажность, давление и чистоту, которые требуются для данного продукта и технологической стадии. Трубопроводная система, предназначенная для низкого перепада давления, может быть установлена, чтобы распределять воздух в точках присоединения биореакторов для каждого положения на стойке.
Транспортировка биореакторов
Транспортировка блоков между разнообразными станциями и положениями на стойках может быть автоматизированной. Транспортировка между установками может осуществляться с использованием стандартных автоматизированных управляемых транспортных средств (AGV). Конкретные операции, такие как помещение биореактора в заданное положение на стойке и извлечение биореактора из этого положения, можно осуществлять с использованием стандартного промышленного манипуляционного робота.
Операции твердофазной ферментационной системы и соответствующее оборудование
Некоторые из следующих элементарных операций можно необязательно объединять одна или более рабочих станций (машин)
Введение среды для выращивания в реакционную емкость осуществляется загрузочной машиной.
Загрузка и выгрузка тележки для автоклава осуществляется манипуляционным роботом.
Добавление воды/жидкости/инокулянта и замачивание осуществляется специальными машинами. Инокулянт может поступать, например, из стандартного инокулятора.
Выпуск воды/жидкости/инокулянта осуществляется специальной машиной.
Переворачивание/медленное перемешивание осуществляется манипуляционным роботом или перемешивающим устройством.
Измельчение комков/встряхивание/интенсивное перемешивание осуществляется высокопроизводительной вибрационной машиной или перемешивающим устройством.
Изменение направления воздушного потока внутри реакционной емкости осуществляется посредством включения клапанов, присоединенных к отверстиям биореактора, обратимо установленного на ферментационной станции.
Измерение массы осуществляется электронными весами.
Проверка и отбор образцов может осуществляться вручную и/или в автоматическом режиме.
Выгрузка твердых материалов, включая продукты, из внутренних отделений осуществляется манипуляционным роботом или полуручным внутренним разделяющим устройством.
Слив (удаление) жидкого продукта из внутреннего отделения может осуществляться вручную и/или в автоматическом режиме.
Управление производственным процессом
Производственный процесс внутри системы может регулировать и наблюдать компьютер. В каждом блоке может находиться машиночитаемый идентификационный (ID) элемент, такой как машиночитаемая идентификационная этикетка, для отслеживания блока в рамках системы. Некоторые или все рабочие установки, автоматизированные управляемые транспортные средства или роботы могут быть снабжены устройством для считывания идентификационных элементов, таким как устройство для считывания идентификационных этикеток. Таким образом, система может отслеживать положение и изменение состояния каждого биореакторного блока.
Стандартные производственные рецептуры можно загружать в компьютерную систему управления. В ответ на запрос компьютерная система управления может планировать и составлять все команды для разнообразных роботов и автоматизированных подсистем в отношении транспортировки, погрузки и обработки.
Для настоящего изобретения предлагаются, без ограничения, следующие варианты осуществления и их видоизменения.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается промышленный твердофазный биореактор с реакционной емкостью, которая составляет:
верхняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской;
нижняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, причем нижняя стенка представляет собой основание биореактора;
одна или более боковых стенок, которыми соединяются верхняя стенка и нижняя стенка, таким образом, что верхняя стенка, нижняя стенка и одна или более боковых стенок в совокупности определяют внутреннее отделение, размер по вертикали снизу доверху и ширину (размер по горизонтали),
где изготовлено множество отверстий в одной или более из данных стенок, например, в одной или более из боковых стенок;
по меньшей мере, одно обратимо открывающееся укупорочное средство, присоединенное к стенке, в которой изготовлено отверстие, причем данное укупорочное средство приспособлено по размеру и конфигурации для обратимой герметизации отверстия; и
ориентированный горизонтально перфорированный пластинчатый элемент расположенный, в том числе закрепленный или подвершенный во внутреннем отделении на уровне между нижней стенкой и верхней стенкой, причем данный пластинчатый элемент имеет верхнюю сторону и нижнюю сторону, где, если пластинчатый элемент включает более чем одну пластину, все вышеупомянутые пластины расположены, по меньшей мере, практически на одинаковом уровне, и пластины практически не перекрывают друг друга в горизонтальном направлении. Обратимо открывающееся укупорочное средство может быть установлено и присоединено к каждому из отверстий.
Согласно родственному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается промышленный твердофазный биореактор с реакционной емкостью, которая составляет:
верхняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, и нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской;
нижняя стенка, имеющая верхнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской нижнюю поверхность, которая может быть, по меньшей мере, практически плоской, причем нижняя стенка представляет собой основание биореактора;
одна или более боковых стенок, которыми соединяются верхняя стенка и нижняя стенка, таким образом, что верхняя стенка, нижняя стенка и одна или более боковых стенок в совокупности определяют внутреннее отделение, имеющее внутренний размер по вертикали снизу доверху и ширину (размер по горизонтали),
где изготовлено множество отверстий в одной или более из данных стенок, например, в одной или более из боковых стенок; и
по меньшей мере, одно обратимо открывающееся укупорочное средство, присоединенное к стенке, в которой изготовлено отверстие, причем данное укупорочное средство приспособлено по размеру и конфигурации для обратимой герметизации отверстия; и
горизонтально ориентированный выдвижной ящик, расположенный между нижней стенкой и верхней стенкой, причем данный выдвижной ящик включает:
панельное основание, имеющее ориентированные горизонтально перфорационные отверстия, причем данный пластинчатый элемент имеет верхнюю сторону и нижнюю сторону, где, если пластинчатый элемент включает более чем одну пластину, все пластины расположены, по меньшей мере, практически на одинаковом уровне, и пластины практически не перекрывают друг друга в горизонтальном направлении,
две боковые панели, задняя панель и передняя панель, причем передняя панель герметично закрывает отверстие в боковой стенке биореактора, в которое вставляется выдвижной ящик, когда выдвижной ящик вставляется полностью (когда выдвижной ящик закрывается). Помимо отверстия, которое герметично закрывает выдвижной ящик, обратимо открывающееся укупорочное средство может быть установлено и присоединено к каждому из отверстий. Выдвижной ящик может, например, быть установлен с возможностью скольжения по рельсам в биореакторе или по пазам, образованным в стенках биореактора.
Согласно вариантам осуществления, перфорированный пластинчатый элемент предпочтительно полностью разделяет внутреннее отделение, образуя часть выше пластины, которое представляет собой верхнее отделение, и часть внутреннего отделения ниже пластины, которое представляет собой нижнее отделение. Две части внутреннего отделения, по меньшей мере, преимущественно, в том числе обязательно, находятся в гидравлическом соединении друг с другом через перфорационные отверстия в перфорированном пластинчатом элементе. Перфорированный пластинчатый элемент может состоять из одной или более перфорированных пластин на одинаковом уровне, которые соединены неперекрывающимся образом, примыкая торцом друг к другу.
Согласно одному видоизменению вариантов осуществления, по меньшей мере, одно из отверстий (помимо отверстия, в которое вставляется выдвижной ящик) открывается во внутреннее отделение выше уровня, на котором располагается перфорированный пластинчатый элемент, и, по меньшей мере, одно из отверстий открывается во внутреннее отделение ниже уровня, на котором располагается перфорированный пластинчатый элемент. По меньшей мере, некоторые из множества отверстий, в том числе все отверстия, могут быть изготовлены в одной или более из боковых стенок. Некоторые из отверстий могут быть изготовлены в верхней стенке и нижней стенке, или в них могут отсутствовать отверстия.
Оказывается предпочтительным, что максимальный горизонтальный размер внутреннего отделения составляет более чем вертикальный размер внутреннего отделения. Таким образом, внутреннее отделение биореактора можно иметь соотношение размеров, составляющее более единицы.
2
2
2
2
2
2
2
Как должно быть очевидным для специалистов в данной области техники, горизонтальная площадь перфорированного пластинчатого элемента, включающего одну или более пластин, представляет собой площадь, где находится среда для выращивания. В результате, горизонтальная площадь самих биореакторов может быть достаточно большой. Площадь перфорированного пластинчатого элемента может, например, иметь площадь (на одной стороне), которая составляет, по меньшей мере, 1,0 м, в том числе составляет от 1,0 до 5,0 м, например, составляет приблизительно или равняется 1,0 м, составляет приблизительно или равняется 1,5 м, составляет приблизительно или равняется 2,0 м, составляет приблизительно или равняется 2,5 м, или составляет приблизительно или равняется 3,0 м. Термин «приблизительно» при использовании в настоящем документе означает отклонение в пределах ±5% по отношению заданному значению. Высота внутреннего отделения биореактора согласно настоящему изобретению может, например, составлять от 50 до 500 см, в том числе от 100 до 400 см или от 150 до 300 см. Толщина стенок, которые составляют реакционную емкость биореактора согласно настоящему изобретению, как правило, является малой по сравнению с габаритными размерами биореактора или находящейся в нем перфорированной пластины. Например, толщина стенок биореактора может составлять от 0,25 см до 2,0 см. Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, биореактор и/или находящаяся в нем перфорированная пластина (или пластины в совокупности) являются, по меньшей мере, практически прямоугольными, причем их горизонтальные размеры равняются или составляют приблизительно 1,0 м в одном измерении и составляют от приблизительно 2,0 м до приблизительно 2,5 м, в том числе равняются или составляют приблизительно 2,0 м, или равняются или составляют приблизительно 2,5 м в другом измерении, причем высота биореактора является меньше, чем любой из горизонтальных размеров и, например, составляет от 50 до 500 см, в том числе от 100 до 400 см или от 150 до 300 см. Согласно настоящему изобретению, промышленный биореактор, имеющий такие размеры, способен заменить, по меньшей мере, от 50 до 100 стандартных двухкилограммовых пластмассовых твердофазных ферментационных пакетов для одноразового применения (в случае которых, как правило, требуется радиационная стерилизация).
Как представлено на фиг. 1, биореактор может дополнительно включать воздушный впускной фильтр, соединенный (находящийся в рабочем соединении), по меньшей мере, с одним из отверстий. Биореактор может дополнительно включать воздушный выпускной фильтр, соединенный (находящийся в рабочем соединении), по меньшей мере, с одним из отверстий. По меньшей мере, одно из отверстий емкости биореактора может находиться в рабочем и обратимом соединении с воздушными впускными линиями. По меньшей мере, одно из отверстий емкости биореактора может находиться в рабочем и обратимом соединении с воздушными выпускными линиями. Фильтры предпочтительно представляют собой стерильные фильтры, которые блокируют прохождение микроорганизмов, такие как фильтры, у которых размеры пор составляют 0,25 мкм или менее, например, 0,2 мкм или менее. Таким образом, можно предотвращать загрязнение как изнутри, так и снаружи в процессе транспортировки биореактора и в процессе культивирования выбранных микроорганизмов в биореакторе.
Хотя это не представлено на фиг. 1-13, биореакторы согласно настоящему изобретению могут дополнительно включать машиночитаемый идентификационный элемент, такой как машиночитаемая идентификационная этикетка любого рода, что позволяет идентифицировать конкретный биореакторный блок. Подходящие машиночитаемые идентификационные этикетки включают, например, штриховые коды (используемые в сочетании с устройством для считывания штриховых кодов) и радиочастотные идентификационные (RFID) этикетки (используемые в сочетании с устройством для считывания радиочастотных идентификационных этикеток).
Биореакторы могут также включать одну или более ламп или других источников света, которые вставляются в отверстия в стенке, например, лампы, расположенные выше уровня, по меньшей мере, одного перфорационного отверстия, чтобы обеспечивать освещение внутри верхнего объема биореактора.
Очень высокие слои, содержащие твердофазную среду для выращивания, можно преимущественно использовать в биореакторах согласно настоящему изобретению. Эти слои могут иметь высоту, составляющую, например, по меньшей мере, 10 см, по меньшей мере, 15 см, по меньшей мере, 20 см и не более чем приблизительно 40 см и/или не более чем приблизительно 50 см. Высота слоя среды может составлять, например, от 10 см до 50 см или от 10 см до 40 см. Описанные в настоящем документе варианты осуществления настоящего изобретения также предлагают биореактор, дополнительно включающий слой твердофазной среды для выращивания, такой как гранулированная твердофазная среда для выращивания, в том числе рисовые отруби, причем данный слой загружается на любую заданную высоту. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, в биореакторе, в котором отсутствует выдвижной ящик, перфорированный пластинчатый элемент и боковые стенки биореактора удерживают среду для выращивания в верхнем отделении выше перфорированного пластинчатого элемента. Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, в биореакторе, в котором присутствует выдвижной ящик, высота задней панели, боковых панелей и передней панели выдвижного ящика выбирается таким образом, чтобы вместить слой среды, высота которого находится в заданном интервале. Например, выдвижной ящик, у которого высота боковых панелей равняется или составляет, по меньшей мере, 50 см, является подходящим для слоя среды, высота которого составляет вплоть до 50 см.
Согласно следующему варианту осуществления, настоящее изобретение предлагает промышленную твердофазную биореакторную систему, включающую
множество промышленных твердофазных биореакторов согласно любому из вариантов осуществления или их видоизменений, которые описаны в настоящем документе, в том числе, по меньшей мере, 10 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 100 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 500 вышеупомянутых биореакторов или, по меньшей мере, 1000 вышеупомянутых биореакторов или, по меньшей мере, 2000 вышеупомянутых биореакторов/ и
ферментационную станцию, включающую множество впускающих воздух линий и выпускающих воздух линий, причем ферментационная станция и множество биореакторов являются взаимно приспособленными, чтобы оперативно и обратимо присоединять каждый из множество биореакторов, по меньшей мере, к одной впускающей воздух линии и одной выпускающей воздух линии. Все биореакторы из множества биореакторов могут иметь одинаковую конструкцию или, по меньшей мере, практически одинаковую конструкцию, но в любом случае они работают совместно (взаимодействуют) с ферментационной станцией.
Ферментационная станция может включать множество подстанций, причем каждая подстанция приспособлена по размеру и конфигурации, чтобы в ней помещался один из промышленных твердофазных биореакторов. По меньшей мере, некоторые из подстанций могут быть расположены, например, друг над другом.
Данная система может дополнительно включать, по меньшей мере, один механизированный манипулятор, который приспособлен по размеру и конфигурации, чтобы вставлять биореакторы в подстанции и извлекать биореакторы из подстанций. Данный механизированный манипулятор может работать в автоматическом режиме и/или под контролем компьютерной системы управления.
Помимо ферментационной станции, система может включать, например, одну или более из следующих станций: станция загрузки и перемешивание твердофазной культуральной среды; инокуляционная станция; промывочная станция; стерилизационная/автоклавная станция; и станция сбора/выделения продукта. Специалисты в данной области техники понимают, что функции некоторых станций, такие как промывание и стерилизация, могла бы выполнять единственная станция.
Транспортировка биореакторов между станциями предпочтительно является автоматизированной, причем она может осуществляться с использованием автоматизированных направляющих транспортных средств (AGV). Разнообразные функции, осуществляемые на каждой станции, могут быть также, по меньшей мере, частично автоматизированными и осуществляться с использованием промышленных роботов. Автоклавы, используемые для стерилизации биореактора, должны быть приспособлены по размеру и конфигурации, чтобы в них одновременно помещались и стерилизовались один или более биореакторов.
Микроорганизмы, которые можно культивировать в твердофазных биореакторах согласно настоящему изобретению с использованием биореакторных систем согласно настоящему изобретению, включают, но не ограничиваются этим грибы, такие как, например, анаморфные грибы, и бактерии, такие как, например, термофильные ацидофильные бактерии. Конкретные грибы, которые можно культивировать с использованием биореакторов и биореакторных систем согласно настоящему изобретению, включают, но не ограничиваются этим: виды родов Aschersonia, Beauveria, Hirsutella, Isaria, Lecanicillium, Metarhizium, Trichoderma, Penicillium и Nomuraea, в том числе, например, Aschersonia aleyrodis, Beauveria bassiana, Beauveria brognartii, Hirsutella thompsonii, виды рода Isaria, виды рода Lecanicillium, Metarhizium anisopliae, виды рода Metarhizium, виды рода Trichoderma, Penicillium bilaiae (Penicillium bilaii) и Nomuraea rileyi.
Продукты ферментации, которые можно производить с использованием твердофазных биореакторов, включают, например, спирты (например, этанол, метанол, бутанол), органические кислоты (например, лимонная кислота, уксусная кислота, итаконовая кислота, молочная кислота, глюконовая кислота), кетоны (например, ацетон), аминокислоты (например, глютаминовая кислота), газы, антибиотики (например, пенициллин и тетрациклин), ферменты, витамины и гормоны. Примерные ферменты представляют собой пектиназы, амилазы, глюкоаимилазы, липазы, протеазы, ксиланазы и целлюлазы.
Без ограничения, настоящее изобретение также предлагает следующие способы изготовления твердофазных биореакторов, в которых осуществляется асептическая ферментация и твердофазная ферментация с помощью желательных микроорганизмов.
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается способ твердофазной ферментации, который включает следующие стадии:
(a) изготовление промышленного твердофазного биореактора с реакционной емкостью согласно любому из вариантов осуществления или их видоизменений, которые описаны в настоящем документе;
(b) введение твердофазной ферментационной среды для выращивания в отделение над перфорированным пластинчатым элементом (т.е. в верхнее отделение реакционной емкости); и
(с) введение пара во внутреннее отделение реакционной емкости через, по меньшей мере, одно из отверстий для стерилизации биореактора и находящейся в нем среды для выращивания. Биореактор может включать стерильный воздушный выпускной фильтр, находящийся в соединении с внутренним отделением реакционной емкости, и стерильный воздушный впускной фильтр, находящийся в соединении с внутренним отделением реакционной емкости. Согласно варианту осуществления способ может дополнительно включать стадию (d): введение предварительно выбранных микроорганизмов, предназначенных для культивации, таких как любые из микроорганизмов, описанных в настоящем документе, в верхнее отделение после того, как биореактор подвергается стерилизации, например, через одно или более отверстий. Микроорганизмы затем культивируются в биореакторе в течение заданного периода времени, составляющего, в том числе, но не ограничиваясь этим, по меньшей мере, одни сутки, по меньшей мере, двое суток, по меньшей мере, семь суток и, по меньшей мере, десять суток. Продукт (продукты) ферментации можно затем извлекать из биореактора и необязательно очищать.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения, предлагается способ изготовления продуктов твердофазной ферментации, который включает следующие стадии:
изготовление множества промышленных твердофазных биореакторов согласно любому из вариантов осуществления или их видоизменений, которые описаны в настоящем документе,
введение твердофазной ферментационной среды для выращивания в отделение над перфорированным пластинчатым элементом (т.е. в верхнее отделение реакционной емкости), по меньшей мере, одного из множества промышленных твердофазных биореакторов;
введение во внутреннее отделение предварительно выбранных микроорганизмов, желательных для культивации, таких как любые из микроорганизмов, которые описаны в настоящем документе, причем вышеупомянутые микроорганизмы производят желательные продукты твердофазной ферментации, по меньшей мере, в одном из множества промышленных твердофазных биореакторов; и
культивация микроорганизмов, по меньшей мере, в один из промышленных твердофазных биореакторов для изготовления продукта твердофазной ферментации. Период культивации микроорганизмов в биореакторе может составлять, по меньшей мере, одни сутки, по меньшей мере, двое суток, по меньшей мере, семь суток и, по меньшей мере, десять суток. Множество биореакторов может включать, по меньшей мере, 10 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 100 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 500 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 1000 вышеупомянутых биореакторов или, по меньшей мере, 2000 вышеупомянутых биореакторов. По меньшей мере, одно из множеств биореакторов может включать один, по меньшей мере, два, по меньшей мере, три, по меньшей мере, пять или, по меньшей мере, десять биореакторов, в том числе, но не ограничиваются этим, по меньшей мере, 10 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 100 вышеупомянутых биореакторов, по меньшей мере, 500 вышеупомянутых биореакторов или, по меньшей мере, 1000 вышеупомянутых биореакторов, или, по меньшей мере, 2000 вышеупомянутых биореакторов. Согласно варианту осуществления, способ может дополнительно включать стадию введения пара во внутреннее отделение, по меньшей мере, одного из множества промышленных твердофазных биореакторов между стадией введения твердофазной ферментационной среды для выращивания и стадией введения предварительно выбранных микроорганизмов. Согласно варианту осуществления, способ может дополнительно включать, после стадии культивации, стадию извлечения продукта твердофазной ферментации, по меньшей мере, из одного из множества твердофазных биореакторов.
Согласно любому из вышеупомянутых вариантов осуществления и их видоизменений, способ культивации микроорганизмов в биореакторе (биореакторах) может дополнительно включать поддержание и/или регулирование температуры и/или влажности (содержания воды) на желательных или предварительно выбранных уровнях в биореакторе и/или регулирование воздушного потока, входящего в биореактор и выходящего из него. Регулирование воздушного потока можно включают регулирование направления воздушного потока выше и ниже по отношению к перфорированному пластинчатому элементу и/или изменение или чередование вышеупомянутого направления воздушного потока в течение периода культивации.
Согласно любому из вышеупомянутых вариантов осуществления и их видоизменений, способ может дополнительно включать следующие стадии: (i) высушивание продукта твердофазной ферментации или (ii) извлечение продукта твердофазной ферментации. Например, высушивание может представлять собой высушивание в биореакторе (биореакторах) и/или высушивание после извлечения продукта ферментации из биореактора (биореакторов). Аналогичным образом, высушивание может представлять собой распылительное высушивание продукта твердофазной ферментации. В качестве альтернативы, высушивание может также представлять собой лиофилизацию продукта твердофазной ферментации или высушивание в псевдоожиженном слое. Наконец, согласно любому из вышеупомянутых вариантов осуществления и их видоизменений, способ может дополнительно включать стадию очистки продукта твердофазной ферментации после извлечения из биореактора (биореакторов).
Все патентные заявки, патенты и другие публикации, процитированные в данном описании, включаются в него посредством ссылки, как если бы они были полностью воспроизведены в настоящем документе. Хотя настоящее изобретение описано в отношении конкретных предпочтительных вариантов осуществления, следует понимать, что заявленное изобретение не должно необоснованно ограничиваться данными конкретными вариантами осуществления.