СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗОСОДЕРЖАЩЕГО ПРОДУКТА, ПРОДУКТ ПОЛУЧЕННЫЙ ДАННЫМ СПОСОБОМ
METHOD OF OBTAINING CELLULOSE-CONTAINING PRODUCT, AND PRODUCT OBTAINED THEREOF

Предпосылки создания изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения целлюлозосодержащего изделия, а также к изделию из целлюлозы, полученному данным способом. В целом настоящее изобретение представляет способ получения изделия из целлюлозы.
Уровень техники
Известно, что микроорганизмы могут вырабатывать целлюлозу. Например, бактерия Gluconacetobacter xylinus (прежде именуемая Acetobacter xylinum) в стационарной культуре в пограничном слое между питательной средой и воздушной средой синтезирует чистую целлюлозу, которая выделяется вне клеток. Данные длинноцепочечные молекулы целлюлозы объединяются в концентрические полосы, так называемые «ленточные структуры», при этом с помощью водородной связи и присоединения воды образуются структуры, обладающие высокой степенью анизотропии. Такая целлюлоза также называется микрокристаллической целлюлозой. Полосы срастаются между собой и макроскопически создают прочный пласт гелеобразной или хрящеобразной консистенции.
Было показано, что данная микрокристаллическая целлюлоза бактериального происхождения не расщепляется в тканях, выделяющих кислоты животного происхождения, а также никак не реагирует на инородные тела. Так, была проведена успешная имплантация полого изделия из микрокристаллической целлюлозы в сонную артерию крысы в качестве заменителя сосуда. При этом микрокристаллическая целлюлоза оказалась биологически совместимым материалом, хорошо сохраняющим форму.
Также известно, что микроорганизмы, вырабатывающие целлюлозу, культивируются в стационарной культуре в пограничном слое между питательной средой на водной основе и воздушной средой. При этом на поверхности питательной среды образуется слой целлюлозы (так называемая «пленка»). В немецкой части DE 60302346 Т2 европейского патентного описания было предложено использование данной пленки в качестве перевязочного материала для лечения ран. При изготовлении целлюлозного изделия данным способом было выявлено, что условия реакции в стационарной культуре постоянно изменяются, так как питательные вещества в питательной среде расходуются, а продукты обмена веществ бактерий, вырабатывающих целлюлозу, накапливаются в питательной среде. При этом изменяется уровень кислотности питательной среды. Кроме того, измененные условия реакции влияют на качество синтезированной целлюлозы, и таким образом формируются пласты целлюлозы с измененной неоднородной структурой и плотностью. В частности, можно наблюдать увеличение прочности в направлении обращенной к воздушной среде стороны целлюлозного слоя. Изменения структуры могут быть настолько сильно выраженными, что можно наблюдать формирование отдельных пластов (расслоение), которые отделяются друг от друга под влиянием расщепляющих сил.
Цели изобретения
Настоящее изобретение направлено на создание способа получения изделия из целлюлозы, обладающего достаточно однородной структурой и плотностью. Кроме того, настоящее изобретение направлено на получение изделия из целлюлозы, обладающего улучшенными характеристиками. И наконец, настоящее изобретение направлено на разработку усовершенствованного способа получения такого изделия из целлюлозы.
Предлагаемые изобретением решения
Для решения поставленных задач настоящее изобретение предлагает способ получения целлюлозосодержащего изделия, в котором организмы, вырабатывающие целлюлозу, находятся на одной стороне мембраны с кислородсодержащей средой и вырабатывают целлюлозу. Организмы получают питательное вещество, находящееся по существу на другой стороне мембраны. Мембрана по существу не пропускает организмы и целлюлозу, но пропускает питательное вещество. Благодаря таким свойствам мембраны питательное вещество может проникать через мембрану к организмам для их питания.
Кроме того, изобретение предлагает способ получения одного или нескольких целлюлозных изделий, включающий использование сосуда с мембраной, непроницаемой для организмов и целлюлозы и проницаемой для питательного вещества.
С помощью относящегося к настоящему изобретению способа и приспособлений можно получить целлюлозное изделие, обладающее однородной структурой и плотностью.
В процессе получение рекомендуется менять или освежать питательную среду и/или газовую среду, чтобы обеспечить организмам по возможности равномерные условия реакции и роста. Особое значение имеют, в частности, концентрация питательных веществ и уровень кислотности в месте нахождения организмов, образующих целлюлозу.
Замену питательной среды и/или газовой среды можно регулировать. В данном случае предусмотрена регулировка с помощью такого сенсорного устройства, как датчик pH, и такого регулирующего устройства, как управляемый клапан, который регулирует приток и отток среды. Наряду с уровнем кислотности, очевидно, можно дополнительно регулировать другие физические параметры.
В питательном растворе, как правило, отсутствуют организмы, вырабатывающие целлюлозу. Из-за полупроницаемых свойств мембраны организмы, вырабатывающие целлюлозу, не попадают в питательный раствор в процессе производства. Благодаря этому можно по существу избежать образования гранул в питательном растворе и отложений целлюлозы в подводящих и отводящих каналах.
Изобретение можно использовать для производства медицинских изделий, содержащих целлюлозу, с заданной трехмерной формой. В частности, на основе настоящего изобретения можно изготавливать перевязочный материал для лечения ран, а также структурированные имплантаты, например искусственные кровеносные сосуды.
В одном из вариантов осуществления изобретение предлагается использовать для получения целлюлозных изделий для применения в областях, отличных от медицины, например для мембран динамиков или электронной бумаги. Для всех указанных способов применения особое значение может иметь высокая однородность изделия из целлюлозы, достигнутая способом, описанным в настоящем документе.
В качестве материала мембраны предпочтительным является материал, содержащий гидрофильный материал, по существу полимер или неорганический неметаллический материал, прошедший термообработку, главным образом - керамику. Для мембраны предпочтительно использовать пористые материалы, например мембраны с микро- и ультрафильтрацией. Благодаря предлагаемой конструкции изобретения возможно наполнение пор при контакте с резервом питательной среды. Предлагаемая конструкция изобретения позволяет увеличить капиллярные силы для переноса питательной среды через мембрану. Мембрану предпочтительно стерилизуют паром.
В одном варианте осуществления изобретения только части мембраны являются проницаемыми для питательного раствора. При этом можно определить один или несколько участков мембраны, в которых образуются одно или несколько целлюлозных изделий.
Мембрана может содержать опорный слой, например решетку для защиты мембраны от нагрузки одного или нескольких целлюлозных изделий.
В соответствии с первым осуществлением настоящего изобретения мембрана представляет собой ровную, по существу горизонтально расположенную поверхность. Питательное вещество в данном случае находится по существу под мембраной, в сосуде, а организмы, вырабатывающие целлюлозу, на мембране. Благодаря полупроницаемым свойствам мембраны питательная среда может проникать через мембрану наверх для питания организмов. Организмы, в свою очередь, не могут попасть в питательный раствор. Мембрана в большинстве случаев незначительно погружена в питательный раствор, таким образом, на мембране образуется тонкий пласт питательного раствора, размер которого составляет несколько миллиметров. По существу, если питательный раствор смочил верхнюю поверхность мембраны, это считается достаточным.
В соответствии со вторым осуществлением настоящего изобретения мембрана образует округлую поверхность полой формы. Данная полость может представлять собой вытянутое тело, например полый цилиндр, в большинстве случаев - круговой цилиндр. Благодаря предлагаемой конструктивной форме организмы, вырабатывающие целлюлозу, располагаются преимущественно внутри полой формы, в то время как питательный раствор располагается снаружи полой формы. Однако в одинаковой степени возможно обратное расположение. Питательный раствор также может проникать через мембрану, и организмы, находящиеся внутри, получают питательные вещества. Полая форма в большинстве случаев частично наполнена суспензией из организмов, вырабатывающих целлюлозу. В другой части полой формы преобладает газовая среда.
Полая форма может дополнительно содержать внутренний формовочный стержень, например стержень, расположенный в центре. Формовочный стержень может быть необратимо деформируемым, как, например, описано в немецких патентных заявках DE 102007006843 и DE 102007006844, полностью включенных в настоящий документ посредством ссылки. Полое тело из целлюлозы может вырабатываться частично согласно методике, указанной в немецкой патентной заявке DE 102007016852, полностью включенной в настоящий документ посредством ссылки. Мембрану можно дополнительно интегрировать в стенку полой формы, в которой она, например, образует опору, на которой согласно способу, предложенному в патенте DE 102007016852, послойно образуется форма. Существует возможность также предусмотреть несколько полостей. Это позволит облегчить изготовление большого количества изделий. В большинстве случаев все полости образуются равномерно.
Внутри полой формы в большинстве случаев также находится газ, в частности кислородсодержащий газ, например воздух, для снабжения организмов газом, необходимым в процессе роста.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения возможно управление проникновением питательной среды через мембрану. Этого можно достичь, например, с помощью изменения давления газа, особенно парциального давления водяного пара внутри полой формы и/или гидростатического давления питательного раствора. При этом в большинстве случаев возможно достигнуть равномерного переноса питательных веществ к организмам, вырабатывающим целлюлозу. С помощью гидростатического давления на мембране существует возможность регулировать глубину погружения полой формы в питательную среду.
В конкретном варианте осуществления изобретения сильно вытянутые полые формы погружают в питательную жидкость так, что вся наружная сторона мембраны контактирует с питательным раствором. Предпочтительным является погружение всей полой формы в питательный раствор. Внутри полой формы преобладает обычно повышенное давление газа, которого необходимо достичь для того, чтобы полая форма не была переполнена питательным веществом, иначе через мембрану будет проходить такой объем питательной жидкости, который нежелателен для обеспечения микроорганизмов, вырабатывающих целлюлозу.
В другом варианте осуществления сильно вытянутую полую форму погружают в питательную жидкость настолько, что к определенному моменту только часть мембраны контактирует с питательной жидкостью. Внутри полой формы обычно преобладает нормальное давление.
В большинстве случаев полая форма располагается горизонтально. Направление роста целлюлозы проходит по существу поперек продольного направления полой формы.
Полая форма по существу расположена таким образом, что может вращаться вокруг своей продольной оси, что позволяет выравнивать разность гидростатических давлений и неравномерное влияние силы тяжести на рост целлюлозы. В данном случае в процессе производства полая форма приводится в движение посредством медленного вращения.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения внутри полой формы предусмотрена еще одна мембрана, которая по существу является непроницаемой для целлюлозы и организмов и проницаемой для газа, в частности для кислорода. Материалы, которые преимущественно используются для второй мембраны, выбирают из группы, содержащей PTFE, FEP, PFA, TFA, PFP, TTE, TPE-E, MVQ, MFQ, PEEK, PET, TBT, PVC, PMMA, PPS, сложный эфир целлюлозы, полиамид, резину, в особенности латекс или натуральный каучук, полипропилен, поликарбонат, полистирол, полиэтан или силикон. Вторая внутренняя мембрана с первой внешней мембраной образуют полость, в которой образуется слой целлюлозы. При этом контур мембраны определяет последующую форму изготовленного целлюлозного изделия. Если вторая мембрана расположена концентрично по отношению к первой мембране, тогда, например, образуется цилиндрическая полость. Таким образом, можно создать искусственный кровяной сосуд из целлюлозы. Предпочтительно изолировать полость во избежание загрязнения. В особенности это важно при создании целлюлозных изделий в медицинских целях.
Предпочтительно стерилизовать вторую мембрану паром. Она может быть составной частью твердого тела, что позволит достичь большей устойчивости.
Такую вторую мембрану или тело мембраны по существу можно использоваться в каждом приспособлении, выполненном на основе данного изобретения, для придания целлюлозному изделию желаемой формы. Таким образом, даже на горизонтально размещенной мембране можно поместить вторую мембрану, которая вместе с первой мембраной образует одну или несколько полостей, в которых создаются целлюлозные изделия.
Обе мембраны предпочтительно соединять друг с другом по меньшей мере в одном месте с помощью клеевого слоя, сварки или иным способом. Полость, образуемая между мембранами, может иметь несколько секций. Предпочтительно заполнять каждую полость организмами, вырабатывающими целлюлозу. С помощью предлагаемой конструкции изобретения возможно одновременно изготавливать большое количество изделий из целлюлозы.
Изготовление целлюлозных изделий преимущественно происходит в сосуде, предпочтительнее в сосуде типа ванны. Сосуд за исключением необязательных отверстий для смены питательной среды и/или газа должен быть закрыт. Он содержит донную часть и крышку.
После того как достигнута необходимая высота целлюлозного изделия или форма полости достаточно заполнена, изделие можно отделять от мембраны. Выработанные целлюлозные изделия должны быть дополнительно очищены соответствующим известным способом, например, как описано в патенте DE 102006007412, полностью включенном в настоящий документ посредством ссылки. Описываемая целлюлоза, главным образом, является микробиологической целлюлозой, а именно микрокристаллической целлюлозой. Организмы, вырабатывающие целлюлозу, являются, главным образом, бактериями, в первую очередь - бактериями, относящимися к штамму Gluconacetobacter xylinus. Возможно также использование других микроорганизмов, вырабатывающих целлюлозу, например, подходящих штаммов агробактерий, Rhizobium, Sarcina, Pseudomonas, Achromobacter, Aerobacter и Cooglea. Так как известны гены синтезирующих целлюлозу ферментных комплексов Gluconacetobacter xylinus, их можно также добавлять в другие микроорганизмы, например Escherichia coli, с помощью известной молекулярно-биологической методики, вследствие чего данные организмы могут рассматриваться как организмы, вырабатывающие целлюлозу.
Для культивации бактерий, вырабатывающих целлюлозу, описываются различные питательные среды. Подходящей и часто используемой средой является среда Шрамма и Хестрина, описанная в «Biochemical Journal» 58, 1954 г., стр.345-352, включенном в настоящий документ посредством ссылки. Недостатком данной среды может являться невозможность точного определения наличия или отсутствия дрожжевого экстракта и пептона.
Для варианта осуществления предлагаемого изобретения предпочтительной является полностью синтетическая среда, как, например, описано в статье Форнгом и др. в «Applied and Environmental Microbiology», 1989 год, том 55, №5, стр.1317-1319, содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки. Недостатком данной среды может являться несколько замедленный рост бактерий.
Также возможно использование так называемого чайного гриба-комбуча. Данная культура содержит, наряду с Gluconacetobacter xylinus, другие многочисленные живущие в симбиозе организмы, как дрожжи и бактерии, и поддерживается посредством среды, состоящей исключительно из черного чая и сахарозы (100 г/л).
Краткое описание чертежей
Содержание настоящего изобретения подробно раскрывается с помощью следующих схематичных изображений и детальных примеров конструкций.
Фиг.1 - схематичное изображение принципа работы первого варианта осуществления изобретения.
Фиг.2 - перспективное изображение варианта осуществления изобретения, которое работает по принципу, представленному на фиг.1.
Фиг.3 - изображение одной из двух идентичных камер варианта осуществления, представленного на фиг.2: (a) вид в перспективе, (b) вид сверху, (c) вид с одной стороны, когда подводы и отводы проходят параллельно к плоскости изображения, (d) вид со стороны, повернутый на 90°, и (e) поперечный разрез камеры на высоте подвода и отвода.
Фиг.4 - изображение варианта осуществления, в котором мембрана образует цилиндрическую полость, поперечный разрез перпендикулярно к продольной оси трубки.
Фиг.5 - изображение следующего варианта осуществления с цилиндрической полостью, поперечный разрез перпендикулярно к продольной оси трубки.
Фиг.6 - изображение варианта осуществления с первой и второй мембраной, соединенными по типу герметичной упаковки.
Описание изобретения
Принцип функционирования первого варианта осуществления приведен на фиг.1. Сосуд 1 включает первую камеру 2 для питательной среды и вторую камеру 3, содержащую организмы, вырабатывающие целлюлозу, например бактерии из штамма Gluconacetobacter xylinus. Обе камеры отделены друг от друга с помощью мембраны 4 из гидрофильного полиэфирсульфона.
Первая камера 2 заполнена преимущественно питательной средой, в которую по линии подачи 5 постоянно подается свежая питательная среда и отводится использованная среда с помощью линии отвода 6. Таким образом, можно контролировать условия реакции, соответствующие питательной среде, то есть, в частности, состав и уровень кислотности среды с культурой. В местах, где мембрана 4 является проницаемой для питательной среды, питательная среда проникает, благодаря по меньшей мере капиллярному эффекту, через мембрану 4 и попадает во вторую камеру 3, где она попадает через образованные целлюлозные изделия 7 посредством диффузии на их поверхность и там питает бактерии, вырабатывающие целлюлозу. Питательный раствор содержит, например, 20 г глюкозы, 5 г дрожжевого экстракта, 5 г бактопептона, 2,7 г фосфата натрия и 1,15 г моногидрата лимонной кислоты, 0,5 г магнезиума сульфата гептагидрата, разбавленные в одном литре воды, и имеет уровень кислотности приблизительно 6.0. Кроме того, через вторую камеру 3 проходят подача газа 8 и отвод газа 9 с кислородосодержащей газовой смесью для снабжения организмов, вырабатывающих целлюлозу.
Приспособлением, работающим по описанному принципу, является сосуд, представленный на фиг.2. Первая камера 2 и вторая камера 3 содержат идентичные, полузакрытые и оборудованные фланцы 10, 11 цилиндров из стекла, где фланцы 10, 11 имеют шлифованную поверхность 12, 13. Между шлифованными поверхностями 12, 13 мембрана (не изображена) прижата плоским силиконовым уплотнителем (не изображен). Посредством подводов и отводов 5, 6, расположенных под углом 180° друг к другу, в первую камеру 2 во время производства постоянно подается питательная среда, таким образом, цилиндрическая часть мембраны, обращенная к полости первой камеры 2, полностью покрыта питательной средой. Во вторую камеру 3 посредством подводов 8 и отводов 9 во время производства подается стерильный воздух, чье значение парциального давления водяного пара должно быть настроено на 0,2 бар.
Перед работой сосуд 1 с закрепленной мембраной должен быть стерилизован паром, и тогда сторона мембраны 4, повернутая ко второй камере, очищается в чистых и стерильных условиях, предпочтительно в стерильном боксе, с помощью суспензии Ghiconacelobacter xylinus из предыдущей культуры, например 3-дневной предыдущей культурой из Gluconacetobacter xylinus (DSMZ Брауншвейг), таким образом достигается равномерное расположение бактерий на поверхности мембраны. При этом среда протекает через гидрофильную мембрану 4 в первую камеру 2 сосуда 1, бактерии же удерживаются мембраной 4 во второй камере 3. Затем сосуд 1 закрывается в стерильном боксе, переносится в инкубатор для контролирования температуры реакции, а затем подсоединяется посредством стерильных соединений к подводам и отводам с линиями снабжения воздухом и питательной средой. При этом первая камера 2 приводится в движение в перепуске к реактору с мешалкой, с помощью которого можно легко контролировать условия реакции в питательной среде, особенно уровень кислотности. За образованием целлюлозного изделия 7 во второй камере 3 можно наблюдать через прозрачный стеклянный цилиндр. Через 10 дней сосуд 1 необходимо открыть, отделить образованное целлюлозное изделие 7 с поверхности мембраны 4 и, наконец, очистить в кипящей воде и затем простерилизовать.
Следующий вариант осуществления представлен на фиг.4. При такой конструкции мембрана 4 присоединяется к растянутому круговому цилиндру, который представлен в поперечном разрезе на фиг.4. Круговой цилиндр полностью погружен в питательную среду. Внутри кругового цилиндра находятся организмы, вырабатывающие целлюлозу, таким образом, на внутренней поверхности цилиндра образуется круглое цилиндрическое изделие из целлюлозы 7. Для обеспечения организмов кислородом в круговой цилиндр подается воздух. При этом во избежание чрезмерного наполнения кругового цилиндра питательной средой в круговом цилиндре преобладает избыточное давление. Кроме того, круговой цилиндр медленно поворачивается в направлении стрелки-указателя 14 для выравнивания перепада гидростатического давления и неравномерного влияния сил тяжести на рост целлюлозы.
На фиг.5 изображен вариант последнего описанного варианта осуществления изобретения. В данном случае цилиндр погружен в среду с культурой 2 не полностью, а только частично. При этом больше не требуется следить за избыточным давлением внутри цилиндра. И в этом случае цилиндр медленно вращается, таким образом, все области мембраны 4 контактируют с питательной средой, а также выравнивается перепад гидростатического давления и неравномерного влияния сил тяжести на рост целлюлозы.
Следующий вариант осуществления представлен на фиг.6. Здесь предусмотрены несколько вторых камер 3, которые образованы с помощью мембраны 4 и второй мембраны 15. Для этой цели вторая мембрана 15, в других возможных осуществлениях также первая мембрана 4 или обе мембраны оснащены многочисленными обтекателями, образующими вторые камеры 3. Первая мембрана 4 и вторая мембрана 15 приклеены друг к другу в областях 16 между этими обтекателями. Вторые камеры 3 образуют полые формы, в которых растет целлюлоза 7 до тех пор, пока вторые камеры 3 не будут полностью заполнены целлюлозой 7. Питательная среда протекает из резервуара 2 через мембрану 4 во вторые камеры 3, где проникает через целлюлозные изделия 7 на поверхности изделий, где находятся организмы, вырабатывающие целлюлозу. Мембрана 15 пропускает газ, таким образом организмы снабжаются необходимым кислородом извне через мембрану 15. Направление роста целлюлозы обозначено цифрой 16. Приведенные в предыдущих описаниях, формулах и чертежах особенности могут использоваться по назначению как по отдельности, так и в любой желаемой комбинации для практической реализации изобретения в его различных вариантах.