專利名稱：膜生物反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及膜生物反應器、用于膜生物反應器的膜的制造方法、以及膜生物反應器的使用方法。
背景技術：
膜生物反應器結合使用生物物質(zhì)和膜將提供的物質(zhì)轉化成生物物質(zhì)，它可以用于生物反應用途，例如，產(chǎn)生有用的物質(zhì)(如藥物、抗體或疫苗成分)，將有機廢物生物轉化成生物量或生物燃料，或者有毒廢物的補救(remidiation)，包括將有毒化學物質(zhì)降解成惰性或非生物可利用的形式，以及重金屬的沉淀或還原/氧化。
廣義來說，目前的生物反應器可以分為機械攪拌生物反應器、氣動攪拌生物反應器、或非攪拌式生物反應器。機械攪拌生物反應器包括通氣攪拌生物反應器；轉鼓生物反應器；和旋轉過濾生物反應器(spin-filter bioreactor)。氣動攪拌生物反應器包括鼓泡生物反應器和氣升(air-lift)式生物反應器。非攪拌式生物反應器包括氣相生物反應器、可透過氧的膜曝氣生物反應器和覆蓋式曝氣生物反應器。
氣動攪拌生物反應器一般包括裝有通氣口的氣桶，其通過所含的液體介質(zhì)噴射空氣，以保持為生物量充分供應溶解的氧。這種反應器使用多種系統(tǒng)來保證生物量和加工液體保持良好的混合，包括葉輪、推進器、攪拌槳。攪拌槳還可以用來從容器的各個側面上刮除生物量，以盡量減少污垢，保證生物量與加工液體的持續(xù)接觸。但是這種系統(tǒng)的缺點在于這種混合和刮除相關的切變應力經(jīng)常會損傷脆弱的培養(yǎng)物，導致生物活性下降，隨后生產(chǎn)率下降。同樣，相對致密的生物量的存在增加了反應介質(zhì)的粘度，從而降低了混合效率、以及分子氧和其它氣體在工藝物料流中的擴散速度。氧利用率的任何降低都會引起生物量活性的相應下降，使許多類型細胞不再象它們在天然系統(tǒng)中一樣發(fā)揮作用(例如，在空氣-固體界面處，或在動物細胞的情況下，浸泡在血液中)。
組織培養(yǎng)系統(tǒng)包括鼓泡式生物反應器和在培養(yǎng)容器或轉鼓中的多種浸入式表面生長系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的缺點是氧的攝取相對較低，因此一旦生長出少量的生物量，溶解氧的生物利用率便會受到限制。溶解氧的生物利用率低妨礙了許多類型細胞的培養(yǎng)，而且許多細胞系不能像它們在更容易獲得氧的體內(nèi)一樣發(fā)揮作用。
在填料塔系統(tǒng)中，細胞固定在各種形狀(如環(huán)形、球形、鞍形或多邊形)的填充在塔中的惰性材料上。營養(yǎng)物料流在進入塔前被氧合。這些系統(tǒng)的缺點在于它們受營養(yǎng)物料流中氧溶解度的限制。它們通常以滴流模式運行，氧限制還可以與生物量的厚度有關。另一個缺點在于，細胞的生長可以導致填料的團聚和塔的阻塞。成本也是這種系統(tǒng)工程加固型的一個問題。
膜系統(tǒng)可以分成三個大類1型氣-液界面膜生物反應器涉及使用多孔膜基質(zhì)(host)，它可用來支撐膜氣體一側的活性生物量。膜的另一側與通過膜加壓泵出的加工液體接觸。已經(jīng)有報道使用燒結陶瓷膜用于該加工過程(Canto等人，Science and Engineering Journal，1998-2，2)。據(jù)報道，燒結陶瓷膜相對不通透，使得液體可以通過膜被壓出。這種類型的生物反應器缺點在于這種反應器操作時要加壓，限制了膜及其外罩的尺寸以避免破裂。營養(yǎng)物的利用率(由于活性膜的總孔隙度相對較低而)降低限制了生物量的生長，由此導致產(chǎn)物的產(chǎn)率相對較低。WO90/02170描述了這種類型反應器的另一個例子。該專利描述了一種外側具有生物層(生物膜)的中空纖維膜。在使用過程中，液體透過膜的內(nèi)腔，空氣通過圍繞膜的支撐基質(zhì)提供給生物膜。這種系統(tǒng)的缺點在于由于需要很高的跨膜壓力，支撐基質(zhì)需要圍繞膜以防止由于壓力引起的損壞。支撐基質(zhì)/生物膜/膜系統(tǒng)的同心結構十分復雜。另外，在使用過程中支撐基質(zhì)有可能被生物膜的細胞污染，導致氧和營養(yǎng)物通過生物膜的擴散率下降。
2型培養(yǎng)物在膜的液體一側生長，經(jīng)常是在缺氧的條件下。在一個例子中，使用中空多孔纖維膜來固定與液體介質(zhì)接觸的生物膜，同時含氧氣體供應到膜的另一側(JP2003251381 Asahi Kasei Corp.)。第二種專利方法是將加壓氫氣導入中空纖維，該纖維一端密封，以防止氫氣逃逸，并且使液體不能透過。水圍繞纖維，生物膜在膜的液體一側生長，使用溶解氧作為細胞去除溶解在液體中的氧化化學物質(zhì)的電子受體(US6387262，Northwestern University)。這種系統(tǒng)的缺點在于氣體加壓提供給膜，必須有昂貴的裝置進行加壓，并對加壓氫氣進行屏蔽。另外，需要的專用膜非常昂貴，其制造需要復雜的裝置。
3型培養(yǎng)物懸浮生長在液體中，使用膜濾器將其從液體中過濾。大多數(shù)膜生物反應器都是3型。這種類型生物反應器的缺點與氣升式和組織培養(yǎng)型生物反應器類似，用于分離含產(chǎn)物物質(zhì)的液體的膜也有生物污染的缺點。
因此需要有一種經(jīng)濟、耐用、比傳統(tǒng)系統(tǒng)的生物轉化率高的生物反應器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服或基本上改進上述的至少一種缺點。本發(fā)明更進一步的目的是至少部分滿足上述需求。
在本發(fā)明的第一個方面，提供了生物反應器中使用的膜，所述的膜具有營養(yǎng)面和氣體面，所述的膜能夠在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中支撐被固定的生物層；能夠使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至被固定的生物層；和是可通透的，以便如果存在細胞時，使得能夠從被固定的生物層除去細胞。
膜可以是平面的或管狀的。膜可以是納米孔、中孔或微孔的，或者具有納米尺度和/或中尺度和/或微尺度孔的組合。膜可包括支撐材料，例如，機制或非織造的纖維材料、或非纖維多孔材料。支撐材料可以是編織材料、機織材料、壓縮纖維材料、散纖維、氈合材料或一些其它的合適材料。支撐物可以在凝膠的內(nèi)部，或者在凝膠的外部，例如在其表面上。支撐物可以是親水的或疏水的，在其表面上可以有涂料或沒有涂料。它可以是聚合的(例如，聚酯、聚酰胺、丙烯酸、聚烯烴等)、無機的(例如，玻璃纖維)、天然纖維(纖維素或改性纖維素、棉等)或一些其它材料。支撐物材料中和/或其上可以有納米孔固體或凝膠。
納米孔固體或凝膠可以是親水的或疏水的。它可以源自溶膠-凝膠。它可以是沒有退過火的。它可以是水凝膠。膜可以能夠將氣體面的氣體與營養(yǎng)面的營養(yǎng)物溶液分隔開。膜可以能夠使得營養(yǎng)物溶液在不施加外部壓力的情況下從營養(yǎng)面擴散到被固定的生物層上。膜在其氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。膜可以是混合膜，在其液體面有多孔層或微孔層。
生物層可以包括細菌、真菌、動物或植物細胞、原生動物或其它生物物質(zhì)。細胞可以是原核細胞或真核細胞。動物細胞可以是，例如哺乳動物細胞。生物層可以能夠生成藥物、抗體、疫苗成分、食物原料、細胞、酶或其它物質(zhì)。為了產(chǎn)生特定的產(chǎn)物，需要選擇適當?shù)纳飳?即，包括生物層的細胞等)，并為生物層選擇適當?shù)臓I養(yǎng)物溶液。如果生物層包括哺乳動物細胞，可能需要使用疏水膜，例如，包括疏水的二氧化硅。疏水的二氧化硅可以是，例如，甲基化、辛基化或苯基化的二氧化硅。
膜可以包括被支撐物增強的凝膠，所述的膜具有相對的表面，在所述表面之間有一定厚度，因此凝膠在所述的相對表面之間移動，使營養(yǎng)物溶液通過膜擴散。
在第一個方面的一個實施方式中，膜在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中有被固定的生物層。膜可以能夠使營養(yǎng)物溶液在不施加外部壓力的情況下從營養(yǎng)面擴散到被固定的生物層上。具體地，膜可以包括被支撐物加強的凝膠，所述的膜具有營養(yǎng)面、氣體面和在所述面之間的一定厚度，所述的膜在選自氣體面上和靠近氣體面的膜中的位置中有被固定的生物層，因此凝膠在營養(yǎng)面和生物層之間可以移動，使營養(yǎng)物溶液通過營養(yǎng)面擴散至生物層。
在另一個實施方式中，膜具有營養(yǎng)面和氣體面，并包括其中和/或其上具有納米孔固體或凝膠的纖維支撐材料。納米孔固體或凝膠可以是硅膠、二氧化鈦凝膠、氧化鋯凝膠、氧化鋁凝膠或包括兩種或多種二氧化硅、二氧化鈦、氧化鋯和氧化鋁的混合凝膠(例如，二氧化硅-氧化鋁凝膠)，或者它可以包括瓊脂-瓊脂、瓊脂糖、海藻酸鈣、果膠或其它生物聚合物。根據(jù)該實施方式的膜的一種制造方法包括下列步驟將前體液體灌注至支撐材料內(nèi)，所述的前體液體能夠產(chǎn)生納米孔固體或凝膠；和在支撐材料上和/或支撐材料中產(chǎn)生納米孔固體或凝膠，形成膜。
該方法還可以包括以下步驟在灌注步驟之前將支撐材料與堿性水溶液、酸性水溶液、酸性氣體或水等離子體接觸。前體液體可以是，例如，膠體二氧化硅，或者海藻酸鈣或瓊脂-瓊脂或瓊脂糖或果膠或其它天然或合成聚合物的溶液或懸液，或這些的混合物。灌注的方法可包括將支撐材料浸泡在前體液體中，然后將支撐材料從液體中取出，或者，可以包括使液體流過支撐材料，或者，可以包括其它合適的灌注方法。產(chǎn)生納米孔固體或凝膠的方法取決于前體液體的性質(zhì)，但是，例如，可以包括使灌注在支撐材料中的至少部分前體液體蒸發(fā)，改變灌注在支撐物中的前體液體的pH，改變支撐材料中前體液體的溫度，或者使支撐材料中的前體液體與沉淀劑接觸，以便將納米孔固體或凝膠沉淀在支撐材料上和/或支撐材料中。
在另一個實施方式中，膜具有營養(yǎng)面和氣體面，并包括在其上和/或其中具有納米孔固體或凝膠的纖維支撐材料，和在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中的被固定的生物層，其中所述的膜能夠使營養(yǎng)物溶液在不施加外部壓力的情況下從營養(yǎng)面擴散到被固定的生物層，其中所述的膜是可通透的(accessible)，使得細胞能夠從被固定的生物層上被去除。膜在其氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
在本發(fā)明的第二個方面，提供一種生物反應器，其包括膜支撐結構；和支撐在膜支撐結構上的根據(jù)本發(fā)明第一個方面的膜。
膜支撐結構以下列構造支撐膜其中膜的一部分與膜的另一部分平行，以便在兩個部分之間形成內(nèi)部區(qū)域。膜支撐結構可以支撐多于一張的膜。如果生物反應器包括多于一張的膜，這些膜可以互相平行，或者它們互相不平行。兩張或多張平面膜可以成對排列，使得每一對結合在一起，以便形成在每對兩張膜之間形成內(nèi)部區(qū)域的袋或扁平管或其它形狀。膜的構造可以是將氣體面的氣體和營養(yǎng)面的營養(yǎng)物溶液分隔開。生物反應器可以具有一個或多個隔板，以保持膜之間、或膜的不同部分之間的距離。隔板可以阻止營養(yǎng)液從膜的各個側面泄漏。
生物反應器可以有使營養(yǎng)物溶液進入膜營養(yǎng)面的進口，還可以有使營養(yǎng)物溶液離開營養(yǎng)面的出口。進口可與進口歧管相連，出口也可與出口歧管相連。
還可以有再循環(huán)系統(tǒng)，用于使液體(如營養(yǎng)物溶液)從出口再循環(huán)至進口。再循環(huán)系統(tǒng)能夠阻止氧進入液體。再循環(huán)系統(tǒng)可以包括一個或多個泵、進料管道、進料管道閥門、排出管道、排出管道閥門、進料槽和出料槽。
生物反應器可以另外包括至少部分封裝膜的容器，該容器還可以部分封裝膜支撐結構。容器可以是可消毒的(sterilisable)，可以具有使氣體進入容器的進氣口、和使氣體從容器排出的排氣口。生物反應器可包括收容膜的外罩，該外罩還可以任選地收容膜支撐結構。外罩可以是可消毒的，可以有進氣口和排氣口。膜可以從容器或外罩上取下，任選地膜支撐結構也可以從容器或外罩上取下?？上就庹挚梢杂糜诜乐股飳?、膜或生物反應器其它部分的污染。
任選地還可以有除氧器，用于從營養(yǎng)物溶液中除去氧。除氧器可以是脫氧器或脫氣器，如真空脫氣器，或者，它可以包括噴射裝置，用于將氧含量很低的氣體通過營養(yǎng)物溶液鼓泡。
生物反應器可以具有將固體物質(zhì)從膜上去除的裝置。固體物質(zhì)可以是諸如生物反應器的產(chǎn)物，或者可以是生物層的一部分。去除裝置可以包括振蕩器、刮具、鼓風機或一些其它合適的工具。
在一個實施方式中，生物反應器包括膜支撐結構；一對根據(jù)第一個方面的膜，所述的膜被膜支撐結構垂直支撐，每張膜相對于一對膜中的另一張膜取向，以便在這對膜之間形成內(nèi)部區(qū)域；和位于該對膜每張膜的氣體面上和/或在靠近其氣體面的一對膜中每張膜中的被固定生物層。
膜可以是平面的或管狀的。每張膜可以相對于該對膜的另一張膜取向，以便形成袋或扁平管或環(huán)，或者可以一些其它在該對膜之間形成內(nèi)部區(qū)域的構造取向。該對膜的每張膜可以結合在一起，也可以不結合在一起。營養(yǎng)面可以鄰接該對膜的內(nèi)部區(qū)域?？梢杂兄辽僖粋€隔板來保持該對膜兩張膜之間的指定距離。生物反應器可以包括一對以上的膜。一對以上的膜可以并聯(lián)或串聯(lián)，或者，一些可以并聯(lián)，一些可以串聯(lián)。
在另一個實施方式中，生物反應器包括膜支撐結構；根據(jù)第一個方面的管狀膜，所述的膜被膜支撐結構垂直支撐；和位于在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中的被固定的生物層。
營養(yǎng)面可以位于管狀膜內(nèi)部，氣體面可以位于其外部。管狀膜可以具有至少一個隔板，以保持管狀膜相反兩面之間的距離。管狀膜可以具有與管狀膜同心的內(nèi)部支撐物，使得管狀膜和內(nèi)部支撐物之間形成了內(nèi)部區(qū)域。在這種情況下，可以有至少一個隔板，以保持管狀膜和內(nèi)部支撐物之間的距離。生物反應器可以有一個以上的管狀膜。一個以上的管狀膜可以并聯(lián)或串聯(lián)，或者，一些可以并聯(lián)，一些可以串聯(lián)。
在本發(fā)明的另一個實施方式中，生物反應器包括膜支撐結構；根據(jù)第一個方面的平面膜，所述的膜被膜支撐結構以下列構造支撐一部分膜與另一部分膜平行，以便在兩部分之間形成內(nèi)部區(qū)域；位于膜的氣體面上和/或靠近其氣體面的膜中的被固定的生物層。
膜的營養(yǎng)面可以鄰接內(nèi)部區(qū)域。可以有至少一個隔板，以保持膜兩部分之間的距離。
在另一個實施方式中，生物反應器包括膜支撐結構；根據(jù)第一個方面的平面膜，所述的膜被膜支撐結構以下列構造支撐其中膜將氣體面的空氣與營養(yǎng)面的營養(yǎng)物溶液分隔開，其中膜形成多個內(nèi)部區(qū)域，因此內(nèi)部區(qū)域與營養(yǎng)面鄰接，位于膜氣體面上和/或靠近其氣體面的膜中的被固定的生物層，多個使營養(yǎng)物溶液進入內(nèi)部區(qū)域的進口，所述的進口與進口歧管連接，多個使營養(yǎng)物溶液從內(nèi)部區(qū)域排出的出口，將營養(yǎng)物溶液從出口再循環(huán)至進口歧管的再循環(huán)系統(tǒng)，將固體物質(zhì)從膜上去除的刮具，和收容膜和膜支撐結構的可消毒外罩，所述的外罩有進氣口和排氣口。
可消毒外罩可以是，例如，溫室或玻璃溫室(glass-house)，或小室(chamber)，和能夠使光進入生物層的小室。
在本發(fā)明的第三個方面，提供了膜的制備方法，該膜在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中有被固定的生物層，所述方法包括下列步驟將生物物質(zhì)固定在遠離膜營養(yǎng)面的膜上和/或之中，所述的膜能夠使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至生物物質(zhì)；和為膜的營養(yǎng)面提供營養(yǎng)物溶液，并使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸生物物質(zhì)在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層，其中所述的膜是可通透的，以便能夠一旦形成便將細胞從被固定的生物層上除去。膜在其氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
氣體可以是含氧氣體，例如，空氣或氧，或氧與其它氣體如氮氣、二氧化碳或氦氣的混合物。優(yōu)選地，氣體不損害膜。
生物物質(zhì)可以包括細胞、孢子或其它生物物質(zhì)。細胞可以是原核細胞或真核細胞，可以是諸如真菌、細菌、原生動物、或植物或動物細胞。動物細胞可以是諸如哺乳動物細胞。生物層可以能夠產(chǎn)生藥物、抗體、疫苗、食物原料、細胞或其它物質(zhì)。
營養(yǎng)物溶液含有生物物質(zhì)的營養(yǎng)物，其性質(zhì)取決于生物物質(zhì)的性質(zhì)。營養(yǎng)物溶液還可以包括一種或多種其它成分，如電解質(zhì)、鹽類、緩沖液、用于行生物轉化或生物降解的化合物等。營養(yǎng)物溶液可以是基本缺氧的。
膜可以是平面的或管狀的。膜可以是納米孔、中孔或微孔的，或者具有納米尺度和/或中尺度和/或微尺度孔的組合。膜可包括支撐材料，例如，機制或非織造的纖維材料、或非纖維多孔材料。支撐物材料中和/或其上可以有納米孔固體或凝膠。膜可以由在生物反應器操作條件下不可降解的一種材料或多種材料制成。膜可以能夠使營養(yǎng)物溶液在不施加外部壓力的情況下從營養(yǎng)面擴散至生物物質(zhì)。
在為膜營養(yǎng)面提供營養(yǎng)物溶液的步驟中，一些生物物質(zhì)可能在膜的營養(yǎng)面上生長。因此，在該步驟中，使刮具沿營養(yǎng)面移動是有益處的。這種移動可以是連續(xù)的或間斷的。這種移動可從營養(yǎng)面上去除生物物質(zhì)，并防止鄰近膜的營養(yǎng)面由于生物物質(zhì)的生長而相互粘合在一起。刮具可以是分隔鄰近膜的營養(yǎng)面的隔板。
固定步驟可包括使膜與多種細胞和/或孢子接觸，這樣多種細胞和/或孢子的至少一些可以與其粘附。所述的接觸可以包括使膜與含細胞和/或孢子的載體接觸，其中所述的載體可以是液體，例如水性液體，或氣體、蒸汽、氣溶膠或噴霧。所述的接觸可以包括噴霧、沖洗、刷抹、鼓風或者任何其它將細胞和/或孢子傳送至氣體面的方法。
提供營養(yǎng)物溶液的步驟可以包括從營養(yǎng)物溶液中除氧。除氧的步驟可以包括脫氣，例如通過向營養(yǎng)物溶液施以真空，或者可以包括使含氧量極低的氣體通過營養(yǎng)物溶液鼓泡。
在一個實施方式中，固定的步驟包括以下步驟將前體液體灌注進支撐材料中，所述的前體液體能夠產(chǎn)生納米孔固體或凝膠；和在支撐材料上和/或其中產(chǎn)生納米孔固體或凝膠，形成膜。
固定的步驟還可以包括以下步驟在灌注步驟之前使支撐材料與堿性水溶液或水等離子體接觸。前體液體可以包括生物物質(zhì)，例如，多種細胞和/或孢子，因此產(chǎn)生納米孔固體或凝膠的方法至少將一些生物物質(zhì)(例如細胞和/或孢子)固定在膜內(nèi)。固定步驟可以額外地包括如前所述使膜與多種細胞和/或孢子接觸。前體液體可以是，例如，膠體二氧化硅，或者海藻酸鈣或瓊脂-瓊脂或果膠或其它天然或合成聚合物的溶液或懸液，或者這些的混合物。灌注的方法可以包括將支撐材料浸泡在前體液體中，然后從液體中去掉支撐材料，或者可以包括使液體流過支撐材料，或者可以包括一些其它合適的灌注方法。產(chǎn)生納米孔固體或凝膠的方法取決于前體液體的性質(zhì)，例如，可以包括使支撐材料中灌注的至少一部分前體液體蒸發(fā)，改變支撐物中灌注的前體液體的pH，改變支撐材料中的前體液體的溫度，或者使支撐材料中的前體液體與沉淀劑接觸以便將納米孔固體或凝膠沉淀在支撐材料上和/或其中。
在另一個實施方式中，提供了制備膜的方法，所述的膜在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，所述方法包括以下步驟將前體液體灌注到支撐材料中，所述的前體液體能夠產(chǎn)生納米孔固體或凝膠；在支撐材料上和/或其中產(chǎn)生納米孔固體或凝膠，形成膜；使膜的氣體面與多種細胞和/或孢子接觸，使得多種細胞和/或孢子的至少一些可以在其上粘附，和向膜的營養(yǎng)面提供營養(yǎng)物溶液，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸細胞和/或孢子在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層。
在另一個實施方式中，提供了制備膜的方法，所述的膜在其氣體面上和/或在靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，所述方法包括以下步驟將前體溶液灌注到支撐材料中，所述前體液體含有生物物質(zhì)，并能夠產(chǎn)生納米孔固體或凝膠；在支撐材料上和/或其中產(chǎn)生納米孔固體或凝膠，形成膜，從而將生物物質(zhì)固定在膜上和/或其中；和將營養(yǎng)物溶液提供給膜的營養(yǎng)面，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸生物物質(zhì)在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層。
在另一個實施方式中，提供了制備膜的方法，所述的膜在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，所述方法包括以下步驟將膠體二氧化硅灌注到機織支撐材料中，所述的膠體二氧化硅含有細胞和/或孢子；將支撐材料中的膠體二氧化硅酸化，形成膜，從而將細胞和/或孢子固定在膜中；和將營養(yǎng)物溶液提供給膜的營養(yǎng)面，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸細胞和/或孢子在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層。
本發(fā)明還提供了在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層的膜，所述的膜由本發(fā)明第三個方面的方法制成。
在本發(fā)明的第四個方面，提供了制備生物反應器的方法，該方法包括以下步驟在膜支撐結構上安裝根據(jù)本發(fā)明第一個方面的膜。
在一個實施方式中，該方法包括將根據(jù)第本發(fā)明第一個方面的膜安裝在膜支撐結構上，所述的膜在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，并且所述的膜能夠使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至被固定的生物層，因而膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層上去除。在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
在另一個實施方式中，該方法包括以下步驟將膜安裝在膜支撐結構上，所述的膜在遠離膜營養(yǎng)面的膜上和/或其中固定有生物物質(zhì)，所述的膜能夠使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至生物物質(zhì)，并且所述的膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層上去除；和將營養(yǎng)物溶液提供至膜的營養(yǎng)面，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸生物物質(zhì)在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層。
營養(yǎng)物溶液可以是基本上缺氧(anoxic)的。在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
在另一個實施方式中，該方法包括以下步驟將膜安裝在膜支撐結構上，所述的膜●具有營養(yǎng)面和氣體面，且●能夠將被固定的生物層支撐在氣體面和/或靠近氣體面的膜中，●能夠使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至被固定的生物層；和將生物物質(zhì)固定在遠離營養(yǎng)面的膜上和/或之中；和將營養(yǎng)物溶液提供至膜的營養(yǎng)面，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸生物物質(zhì)在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層，因而膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層去除。在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
固定的步驟可包括使膜與多種細胞和/或孢子接觸，使得多種細胞和/或孢子中的至少一些附著于其上。所述的接觸可以包括使膜與含有細胞和/或孢子的載體接觸，其中所述的載體可以是液體，例如水性液體，或者氣體、蒸汽、氣溶膠或噴霧。所述的接觸可以包括噴霧、沖洗、刷抹、鼓風、或者任何其它將細胞和/或孢子傳送至氣體面上接觸方法。營養(yǎng)物溶液可以是基本缺氧的。
在另一個實施方式中，該方法包括以下步驟將支撐材料安裝在膜支撐結構上，將前體液體灌注到支撐材料中，所述的前體液體能夠產(chǎn)生納米孔固體或凝膠；在支撐材料上和/或之中產(chǎn)生納米孔固體或凝膠，形成膜；和將營養(yǎng)物溶液提供至膜的營養(yǎng)面，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸在氣體面上和/或靠近氣體面的膜中形成被固定的生物層，因而膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層去除。在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
在本實施方式的方法中前體液體包括多種細胞和/或孢子，從而產(chǎn)生納米孔固體或凝膠的步驟將至少一些細胞和/或孢子固定在膜中；或在提供營養(yǎng)物溶液的步驟之前，進行使膜與多種細胞和/或孢子(如前所述)接觸的步驟；或者二者均有。
營養(yǎng)物溶液可以是基本缺氧的。
在本發(fā)明的第五個方面，提供了操作根據(jù)第二個方面的生物反應器的方法，該方法包括使膜的營養(yǎng)面與營養(yǎng)物溶液接觸，使生物層與氣體接觸，和使營養(yǎng)物溶液從膜的營養(yǎng)面擴散至生物層。
使營養(yǎng)物溶液擴散的步驟可以在不施加外部壓力的情況下進行。該方法還可以包括使氣體通過生物層。如果生物層包括需氧物種，氣體可以是含氧氣體，例如空氣或氧，或者氧和其它氣體如氮、二氧化碳或氦的混合物。優(yōu)選地氣體不損害膜。營養(yǎng)物溶液包含生物層的營養(yǎng)物，其性質(zhì)取決于生物層的性質(zhì)。營養(yǎng)物溶液還可以包括一種或多種其它成分，例如電解質(zhì)、鹽類、緩沖液等。營養(yǎng)物溶液可以是基本缺氧的。該方法可以是分批處理法，其中營養(yǎng)物溶液不流過膜，或者可以是連續(xù)處理法，其中營養(yǎng)物溶液流過膜。操作生物膜反應器的方法可以是為了生產(chǎn)例如藥物、抗體、疫苗成分、食物原料、細胞或酶，或者可以是為了去除、降解或轉化營養(yǎng)液體中不需要的成分。
該方法還可以包括從營養(yǎng)物溶液中除去氧的步驟。除去氧的步驟可包括脫氣，例如，通過向營養(yǎng)物溶液施以真空，或者可以包括將氧含量極低的氣體通過營養(yǎng)物溶液鼓泡。除氧的步驟可以在使營養(yǎng)面與營養(yǎng)物溶液接觸之前進行。
該方法可以額外地包括分離生物反應器產(chǎn)物的步驟。所述的分離可以包括從營養(yǎng)物溶液分離產(chǎn)物，或者可以包括從其氣體面收取固體物質(zhì)。固體物質(zhì)可以是諸如生物反應器的產(chǎn)物，或者可以是生物層的一部分。固體物質(zhì)可以包括，例如，細胞、孢子、菌絲，或者其它的生物物質(zhì)，包括由細胞產(chǎn)生的物質(zhì)如蛋白質(zhì)、多糖和聚合物。
在一個實施方式中，該方法包括以下步驟將膜的營養(yǎng)面與營養(yǎng)物溶液接觸，所述的膜在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，所述的膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層上去除，將生物層與含氧氣體接觸，使營養(yǎng)物溶液從膜的營養(yǎng)面擴散至生物層，將膜與營養(yǎng)物溶液接觸第一段時間，將第二種液體導入至膜的營養(yǎng)面，將膜與第二種液體接觸第二段時間，和從第二種液體中分離產(chǎn)物。
膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。第二種液體可以是不含營養(yǎng)物的液體，可以是諸如鹽水溶液或緩沖溶液。第一段時間可以在例如大約1小時至1天之間，第二段時間可以在例如大約12小時至12天之間。
在另一個實施方式中，該方法包括以下步驟將膜的營養(yǎng)面與營養(yǎng)物溶液接觸，所述的膜在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，所述的膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層上去除，將生物層與含氧氣體接觸，和從營養(yǎng)物溶液中分離產(chǎn)物。
在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。
在再另一個實施方式中，該方法包括以下步驟將膜的營養(yǎng)面與營養(yǎng)物溶液接觸，所述的膜在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中具有被固定的生物層，所述的膜是可通透的，以便能夠將細胞從被固定的生物層上去除，使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至生物層，將生物層與含氧氣體接觸，和從生物層去除固體產(chǎn)物。
在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)。去除步驟可以包括刮除、振動、或鼓風，或者其它合適的從生物層分離固體產(chǎn)物的方式。
本發(fā)明還提供了一種生物反應器，當使用時，在其營養(yǎng)面上使用基本上缺氧的營養(yǎng)物溶液，在其氣體面上和/或靠近氣體面的膜中產(chǎn)生生物層，或在氣體面上和/或靠近其氣體面的膜中產(chǎn)生生物層的產(chǎn)物。產(chǎn)物可以是，例如，藥物、抗體、疫苗成分、食物原料、細胞或其它物質(zhì)，或者生物反應器可以將溶液中的物質(zhì)轉化成有用或無毒的形式。


現(xiàn)在參考附圖用實施例對本發(fā)明的優(yōu)選形式進行說明，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的膜的示意圖；圖2顯示的示意圖描述根據(jù)本發(fā)明的其上和/或其中具有生物層的膜的制造方法；圖2a顯示的示意圖描述根據(jù)本發(fā)明的其上和/或其中具有被固定的生物層的膜的不同的制造方法；圖3是根據(jù)本發(fā)明的生物反應器的示意圖；圖3a是可以用于圖3所示的生物反應器的進口歧管的示意圖；圖3b是根據(jù)本發(fā)明的將液體從生物反應器的出口再循環(huán)至進口的再循環(huán)系統(tǒng)的示意圖；圖3c是根據(jù)本發(fā)明的將液體從生物反應器出口再循環(huán)至進口的另一種再循環(huán)系統(tǒng)的示意圖；圖3d是根據(jù)本發(fā)明的另一種生物反應器的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一種生物反應器的示意圖；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的再另一種生物反應器的示意圖；圖5a是根據(jù)本發(fā)明的再另一種生物反應器的示意圖；圖6是實施例1的生物反應器中，對于產(chǎn)黃青霉(P.chrysogenum)，青霉素濃度對時間的曲線圖；圖7是在實施例1的鼓泡式生物反應器中，對于產(chǎn)黃青霉，青霉素濃度對時間的曲線圖；圖8是在實施例1的生物反應器中，對于黑曲霉(A.niger)，碳水化合物濃度對時間的曲線圖；圖9是在實施例1的鼓泡式生物反應器中，對于黑曲霉，碳水化合物濃度對時間的曲線圖；圖10是在實施例2的使用玻璃支撐物的生物反應器中，對于產(chǎn)黃青霉，碳水化合物濃度、pH和青霉素濃度對時間的曲線圖；圖11是在實施例2的使用聚酯支撐物的生物反應器中，對于產(chǎn)黃青霉，碳水化合物濃度、pH和青霉素濃度對時間的曲線圖；圖12是在實施例2使用棉支撐物的生物反應器中，對于產(chǎn)黃青霉，碳水化合物濃度、pH和青霉素濃度對時間的曲線圖；圖13是在實施例2的使用聚酯-棉支撐物的生物反應器中，對于產(chǎn)黃青霉，碳水化合物濃度、pH和青霉素濃度對時間的曲線圖；圖14顯示了在實施例2的使用棉支撐物(圖14a)和玻璃支撐物(圖14b-d)的生物反應器中，對于黑曲霉，分別使用各種凝膠材料(包括無凝膠；瓊脂-瓊脂；海藻酸鈣；和硅膠)時碳水化合物濃度對時間的4個曲線圖；圖15顯示了在實施例2的使用玻璃支撐物和硅膠的生物反應器中，對于黑曲霉，營養(yǎng)物溶液各種成分的濃度對時間的曲線圖；圖16顯示了在實施例3的連續(xù)生物反應器中，碳水化合物消耗量和pH的曲線圖，以及使用相同膜材料的分批處理系統(tǒng)的結果作為參考；圖17顯示了在實施例4中，黑曲霉在NMB中生長，同時從麥芽肉浸液中去除溶解的固體P和N，各測量參數(shù)隨時間變化的曲線圖；圖18顯示了在實施例4中多種元素隨時間變化的曲線圖，表明黑曲霉在NMB中生長從麥芽肉浸液中去除了這些元素；
圖19顯示了實施例5中，NMB中的嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(A.ferrooxidans)和搖瓶培養(yǎng)物將二價鐵轉化成三價鐵的過程中三價鐵離子濃度隨時間變化的曲線圖；和圖20是根據(jù)本發(fā)明的生物反應器的示意圖，其中營養(yǎng)物流從膜的下部進料。
具體實施例方式
本發(fā)明的生物反應器可以是膜生物反應器、納米顆粒膜生物反應器、雜合器官或類器官。生物反應器可以是，但不限于產(chǎn)生生物量的裝置，或產(chǎn)生化學物質(zhì)的裝置，或去除污染物的裝置。生物反應器包括任選地在其上和/或在其中具有納米顆粒凝膠(例如硅膠)并被膜支撐結構支撐的多孔或纖維材料的膜。生物反應器可以具有一張或多張膜，可以具有大約1至20000張膜，或大約1至1000，或大約1至100，或大約1至50，或大約1至20，或大約1至10，或大約100至20000，或大約1000至20000，或大約10000至大約20000，或大約2至10000，或大約10至5000，或大約20至1000，或大約50至500，或大約100至200張膜，可以具有大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200、250、350、400、450、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、6000、7000、8000、9000、10000、12000、14000、16000、18000或20000張膜。每張膜的面積可以是大約10cm2至10m2，面積可以是大約10cm2至1em2，或者大約10至500cm2，10至100cm2，10至50cm2，100至500cm2，500cm2至1m2，1至10m2，1至5m2，5至10m2，或500cm2至5m2，面積可以是大約10、50、100、200、300、400、500、600、700、800或900em2，或者可以是大約1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9或10m2，或者面積可以大于10m2，例如15、20、25或30m2或更大。如果膜是平面膜，它們可成對排列或成排(in gills)排列?？梢杂写蠹s1至10000對，或者大約1至5000對，或大約1至1000對，或大約1至500對，或大約1至100對，或大約1至50對，或大約1至10對，或大約2至10000對，或大約5至5000對，或大約10至1000對，或大約50至500對，或大約100至200對，或大約100至10000對，或大約500至10000對，或大約1000至10000對，或大約5000至10000對，或者可以有大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、200、300、500、500、600、700、800、900、1000、1500、2000、2500、3000、3500、4000、4500、5000、6000、7000、8000、9000、10000、12000、14000、16000、18000或20000對。在一個實施方式中，一對膜，即一排，以豎直方向相互平行地懸掛。膜可以是平面的，使得一對膜可以是扁平管的形式，或者它們可以是管狀和同心的，使得一對膜在其間形成環(huán)形區(qū)域。一對膜可以圍繞其圓周邊緣的至少一部分連接在一起，在膜之間形成內(nèi)腔。在另一個實施方式中，膜管用適當?shù)母舭鍛覓?。因此本發(fā)明提供一種生物反應器，其包括兩張平行排列、互相靠近的基本呈平面的膜，使得它們在其間形成平面內(nèi)腔，所述內(nèi)腔容納液流。膜上遠離內(nèi)腔的面上和/或其中可以具有生物層(即生物膜)。膜和內(nèi)腔豎直取向，使得液流在重力作用下通過內(nèi)腔向下輸送。兩張膜可以在其邊緣處連接在一起，形成袋狀結構?？梢杂辛硪粋€隔板以刮具的形式位于膜之間，其可以是豎直構件，例如桿或棒。其中可以有一些孔，使得當它移動時，膜之間區(qū)域中的營養(yǎng)物溶液可以通過這些孔。該隔板可以是可移動的，可以能夠在膜之間移動。它可以排列成在移動時能夠刮擦膜的營養(yǎng)面。它可以排列成在移動時可以去除粘附在膜的營養(yǎng)面上的細胞。隔板可以是刮具的形式，其可以是垂直的構件，例如桿或棒。它可以與隔板移動裝置連接在一起使隔板移動，以去除粘附在膜的營養(yǎng)面上的細胞。通過破壞將兩張膜粘合在一起的凝膠層，從而防止形成內(nèi)腔，這種可移動隔板還可以有助于形成兩張單獨的摻雜有凝膠的膜。在再另一個實施方式中，膜管相對于支撐物同心放置(在內(nèi)部或外部)，并有隔板保持膜與支撐物之間的距離。在另一個實施方式中，膜的構造使得一部分膜與另一部分膜平行，以便在兩部分之間形成內(nèi)部區(qū)域。例如，膜可以是折疊式的。膜可以摻雜有適當?shù)纳镂镔|(zhì)，例如在膜的制造過程中將生物物質(zhì)與前體液體一起引入，或者在膜制造完成后將生物物質(zhì)接種在膜上。
膜可以并聯(lián)或串聯(lián)，或者一些可以并聯(lián)，一些可以串聯(lián)。在串聯(lián)的情況下，從第一張(對)膜的營養(yǎng)面排出液體的出口與向第二張(對)膜的營養(yǎng)面供應液體的進口連接?？梢杂斜脤⒁后w從出口泵至進口。在并聯(lián)的情況下，向膜的營養(yǎng)面供應液體的進口與進口歧管連接，將液體從膜的營養(yǎng)面排出的出口與出口歧管連接。
膜可以豎直、非水平、或者與水平面呈非零度角取向，可以將營養(yǎng)區(qū)(例如內(nèi)腔)或多個營養(yǎng)區(qū)(鄰近膜的營養(yǎng)面或多個營養(yǎng)面)與氣體區(qū)或多個氣體區(qū)(鄰近膜的氣體面或多個氣體面)分隔開。營養(yǎng)物溶液可從上述的膜供應，可以流向膜的營養(yǎng)面。它可以通過噴嘴或一些其它注入裝置通過該膜?？梢允褂脟婌F將其噴射到膜上，所述的噴霧包括營養(yǎng)物溶液和基本上缺氧的氣體。膜與水平面的角度可以為大約30至90度，或者大約45至90度，60至90度，或者45至60度，可以是大約30、45、60、75或90度。膜可以排列在營養(yǎng)面的營養(yǎng)物溶液和氣體面的氣體之間，營養(yǎng)物溶液和氣體均與膜接觸。氣體面上氣體的壓力可以足以使營養(yǎng)物溶液不通過膜進入氣體區(qū)域。該壓力可以與營養(yǎng)面上營養(yǎng)物溶液的壓力相同或者大于后者。該壓力可以為大約0.8至1.2atm，或大約0.9至1.1，0.9至1，或1至1.1atm之間，可以是大約0.8、0.9、1、1.1或1.2atm。跨膜壓力可小于大約0.2atm，或者小于大約0.15、0.1、0.1或0.05atm，可以是大約0、0.05、0.1、0.15或0.2，或者為大約0至0.2，0至0.1，0至0.05，或者0.05至0.15atm，或某些條件下可以大于0.2atm。
本發(fā)明的膜可以許多方向使用。如果膜的生物層包括需氧的細胞或微生物或孢子，則膜的營養(yǎng)側應當基本上無氧，氣體側應當有含氧氣體與其接觸。含氧氣體可以有大約5至100％w/w的氧，或者大約10至100、15至100、20至100、30至100、50至100、75至100、10至50、10至30、10至20、15至50、15至25、或20至50％w/w的氧，可以含有大約10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、或100％w/w的氧。如前所述，在一個方向上，一對膜在其間形成內(nèi)腔。由于生物層從營養(yǎng)物溶液中吸收氧，使其基本上無氧，因此流經(jīng)內(nèi)腔的營養(yǎng)物溶液缺少氧。可以在流經(jīng)內(nèi)腔之前使用除氧器對營養(yǎng)物溶液進行脫氧。在另一個方向上，膜分隔出兩個小室，其中第一個氣體小室中具有與膜的氣體面接觸的含氧氣體，第二個小室是無氧的，與膜的營養(yǎng)面接觸。第二個小室可以裝有營養(yǎng)物溶液，其可以是靜態(tài)的，也可以流過膜。第二個小室在營養(yǎng)物溶液之上可以有缺氧氣體，或者營養(yǎng)物溶液在第二個小室內(nèi)流經(jīng)膜的營養(yǎng)面，所述的第二個小室中有缺氧氣體，使得在第二個小室中的營養(yǎng)物溶液是缺氧的。在第二個小室中可以使用營養(yǎng)物溶液可以噴射到膜上，所述噴射使用缺氧的氣體進行。第一個小室可以是上室，第二個小室可以是下室，或者第一個小室是下室，第二個小室是上室(因而膜是水平的)，或者，第一個和第二個小室可以是并排的，因而膜是豎直的。在水平膜的情況下，具體而言，如果第二個小室是上室，可以有支撐結構支撐膜，使得營養(yǎng)物溶液的重量不會使膜變形或損壞。另外可選地，可以沒有第一個小室，其中膜的氣體面對含有氧的大氣開放。使含氧濃度大于環(huán)境濃度的氣體通過膜的氣體面可能是有益的，以促進生物層的生長。在其它方向上，膜是水平的，將上室與下室分隔，所述的上室具有與膜氣體面接觸的含氧氣體，所述的下室具有與膜營養(yǎng)面接觸的營養(yǎng)物溶液，其中所述的營養(yǎng)物溶液是缺氧的。使用除氧器脫氧后營養(yǎng)物溶液可以是缺氧的。另外可選地，如果下室的體積很小，下室中的營養(yǎng)物溶液中的氧可以通過被膜的生物層消耗而耗盡。營養(yǎng)物溶液和含氧氣體之一或者二者都可以流過膜。在其它方向上，膜可以靠近并平行于表面(例如可以是聚合材料或金屬，如不銹鋼、鋁等)放置，使得膜和固體表面之間形成內(nèi)腔。膜可以是豎直的，或者如上所述與水平面成一定角度。由于生物層從營養(yǎng)物溶液中吸收氧，使其基本上缺氧，因此流經(jīng)內(nèi)腔的營養(yǎng)物溶液被脫除了氧。在流經(jīng)內(nèi)腔之前，可以使用除氧器對營養(yǎng)物溶液進行脫氧。在其它方向上，膜形成營養(yǎng)小室壁的一部分，因而膜的氣體面在營養(yǎng)小室的外側，營養(yǎng)面在營養(yǎng)小室的內(nèi)側。如本文其它地方所述，通過除氧器使營養(yǎng)小室保持缺氧。在營養(yǎng)物溶液流過膜的情況下，它可以在重力影響下流動，或者通過泵的作用流動，或者可以使包括膜的一部分生物反應器轉動，使得營養(yǎng)物溶液在離心力影響下流過膜，或者它可以在其它力的作用下流過膜。在膜不水平的情況下，營養(yǎng)物溶液可從上方或從下方，或者以其它方向流過膜。在其它方向上，營養(yǎng)液體可以非水平方向(任選為豎直方向)流過膜。在該方向上，營養(yǎng)液體可以在營養(yǎng)小室內(nèi)從膜的下部流過膜到達膜的上部。這樣能夠很容易地將氣體從營養(yǎng)小室中排出，從而有利于在膜的營養(yǎng)面上保持缺氧狀態(tài)。在本發(fā)明的一些操作方式中，除膜上的生物層之外，營養(yǎng)物溶液中還可以有包裹在小珠(beads)中的厭氧細胞。因此，營養(yǎng)物可以被缺氧的營養(yǎng)物溶液中被包裹的缺氧細胞和膜上生物層的需氧細胞和/或孢子代謝。小珠可以足夠小，以避免發(fā)生阻塞，其比重足以使其懸浮在營養(yǎng)物溶液中。小珠的大小可以為大約1至100微米，或者大約1至50、1至10、10至100、50至100、或10至50微米，可以是大約1、2、3、4、5、10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、或100微米，或者可以更大或更小，部分地取決于其中所包裹細胞的大小。小珠的比重可以為大約0.8至1.2，或者大約0.8至1、1至1.2、或0.9至1.1，可以是大約0.8、0.9、1、1.1或1.2，或者可以更大或更小，這部分地取決于營養(yǎng)物溶液的比重。包裹的厭氧細胞可以被密封劑包裹，所述的密封劑可以是使營養(yǎng)物溶液中的營養(yǎng)物接觸到包裹的厭氧細胞的凝膠或多孔材料。密封劑可以是水凝膠、無機凝膠、有機凝膠、多孔陶瓷、多孔聚合物或者其它對營養(yǎng)物可通透的密封劑。通過這種方式，小珠可以通過膜再循環(huán)，可以防止從生物反應器中被排出。例如，可以使用濾器來實現(xiàn)這一點。通過包裹厭氧細胞，可以防止或阻止它們定植在膜的營養(yǎng)側，從而限制營養(yǎng)物溶液通過膜到達膜氣體面的生物層上。
在上述所有或任何方向上，以上述的所有或任何方式，可以通過膜支撐結構(例如支撐架、套管、外罩、框架、支架或其它支撐結構)將膜保持在該方向上。膜可以安裝成使其懸掛在膜支撐結構上，或者限制在膜支撐結構內(nèi)，或者可以其它方式安裝在膜支撐結構內(nèi)或其上。膜支撐結構可包括其中有凹槽或通道的固體結構，因而膜可以跨過這些凹槽，將營養(yǎng)物溶液封在其中。因此在后一種形式中，其上具有生物層的膜的氣體側遠離凹槽，膜的營養(yǎng)側面向這些凹槽。通過這些凹槽流動的營養(yǎng)物溶液通過營養(yǎng)面擴散至生物層，代謝物擴散至凹槽。在這種情況下，膜可以有內(nèi)部支撐物，例如機織、纖維或其它的支撐物，或者可以沒有內(nèi)部支撐物。例如，其中可以有纖維，以提供額外的支撐。凹槽可以橫跨固體支撐物，在每個凹槽的兩個相反側具有凝膠膜。膜支撐結構可以對膜提供足夠的支撐，以維持其完整性。在上述的所有或任何方向上，可以使用再循環(huán)系統(tǒng)使營養(yǎng)物溶液通過膜進行循環(huán)。再循環(huán)系統(tǒng)可以能夠將氧從營養(yǎng)物溶液中排出，或者使用諸如除氧器對營養(yǎng)物溶液進行脫氧。
在廢水和類似應用中，可能需要將廢水(營養(yǎng)物溶液)通過生物反應器的膜再循環(huán)一次以上，以實現(xiàn)成分的接觸時間，使除去廢水中所需量的物質(zhì)。接觸時間可以為大約1分鐘至10天，這取決于生物層的性質(zhì)、被去除物質(zhì)的性質(zhì)、濃度以及其它因素。接觸時間可以為大約1分鐘至1天、1分鐘至12小時、1分鐘至1小時、1分鐘至30分鐘、1至15分鐘、1小時至10天、1至10天、5至10天、1小時至1天、1至12小時、12小時至24小時、或6至12小時，可以是大約1、2、3、4、5、6、12、18、24、30或45分鐘，1、2、3、4、5、6、8、12、15、18或21小時，或1、2、3、4、5、6、7、8、9或10天、或超過10天。因此，廢水可通過膜再循環(huán)大約1至1000次，這取決于膜的尺寸、流速、被去除物質(zhì)的性質(zhì)和濃度、生物層的性質(zhì)和其它因素。可以再循環(huán)大約1至500、1至200、1至100、1至50、1至10、10至1000、100至1000、500至1000、10至500、10至100、100至500、50至100或10至50次，可以再循環(huán)大約1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、60、70、80、90、100、200、300、400、500、600、700、800、900或1000次。再循環(huán)系統(tǒng)中可以有檢測器，以確定被去除物質(zhì)的濃度。因此，廢水可被再循環(huán)直至根據(jù)檢測器確定被去除的物質(zhì)下降至預定濃度。檢測器的性質(zhì)取決于被去除物質(zhì)的性質(zhì)。它可以是濃度檢測器、pH檢測器、 pH探針、離子濃度探針或其它類型的檢測器。根據(jù)本發(fā)明的生物反應器可以用于從含有重金屬的液流中使重金屬螯合(sequester)。它可以是廢水液流或其它液流。如果需要，可以從螯合它們的生物層中回收重金屬，例如，通過萃取、燃燒或其它合適的方法回收。
本發(fā)明的膜的生物層中使用的微生物和細胞的例子包括產(chǎn)黃青霉、嗜酸氧化亞鐵硫桿菌、黑曲霉、米曲霉(A.Oryzae)(例如水稻霉菌(var.oryzae)IF030113株)、A.soya、人初級成纖維細胞。
本發(fā)明的一個特征在于膜是可通透的，使細胞能夠從被固定的生物層去除。在膜的氣體面上可以沒有支撐基質(zhì)，使膜是可通透的。從被固定的生物層上去除細胞的目的可以是，例如，為了使用細胞作為食物，或者這可以防止生物層的過度生長。在操作過程中，生物層可以生長到一定程度，使氧和/或營養(yǎng)物溶液通過生物層的擴散被減緩，從而降低了產(chǎn)物的生產(chǎn)速率、或者將不需要的成分從營養(yǎng)物溶液中去除的速率。因此，需要去除一些生物層，以便使氧和/或營養(yǎng)物溶液的擴散速率足以實現(xiàn)可接受的生產(chǎn)速率或去除速率。膜與用于從生物層上分離固體產(chǎn)物的的刮除或振動或鼓風或其它合適方式的裝置相通。因此，可以通過包括刮除或振動或鼓風中至少一種的方法將固體產(chǎn)物去除。另外可選地，可以通過操作生物反應器使生物層不能存活來去除固體，例如，不向生物層提供營養(yǎng)物，或者使培養(yǎng)物耗盡所有營養(yǎng)物。在這種情況下，對于某些類型的生物層來說，生物層可以自行從膜上分離，或者可以通過刮除或振動或鼓風變得更容易被去除。
在操作過程中，將營養(yǎng)物溶液提供給膜的營養(yǎng)面，以輸送營養(yǎng)物，營養(yǎng)物通過膜擴散至生物層，該生物層在膜的氣體面上生長，并在膜的孔網(wǎng)格內(nèi)部生長至不太致密的程度。由于幾乎所有的生物量均在膜的氣體面上或其中生長，它實際上被固定，從而從營養(yǎng)物溶液中分離出來。相對缺氧的營養(yǎng)物溶液可以減緩營養(yǎng)物溶液內(nèi)生物層的細胞或其它生物物質(zhì)的生長，從而減少生物污垢。與其它類型生物反應器所產(chǎn)生的充滿細胞的流出液相比，實際上無細胞的營養(yǎng)物溶液更容易進行處理。營養(yǎng)物溶液的擴散可以在無需外部壓力的情況下進行。這就便不再需要支撐結構來支撐膜和生物層以對抗來自膜營養(yǎng)面的壓力，也不再需要裝置來施加這種壓力。
在一種實施方式中，生物反應器的生物層包括需氧微生物或細胞。在該方式中，將含氧氣體提供至膜的氣體面，以營養(yǎng)物溶液基本缺氧的方式將包括可氧化物質(zhì)(例如碳水化合物、氨基酸、鐵(II)鹽類)的營養(yǎng)物溶液提供至膜的營養(yǎng)面。這可以通過將營養(yǎng)物溶液提供至膜之前從其中除去氧來實現(xiàn)，或者將營養(yǎng)物溶液提供至以下構造的膜來實現(xiàn)生物層將最初存在于營養(yǎng)物溶液中的任何氧迅速消耗，使其此后基本上缺氧。取決于生物反應器的構造、營養(yǎng)物溶液的性質(zhì)、生物層的性質(zhì)等，最初存在于營養(yǎng)物溶液中的氧可以在膜的大約前10cm膜被消耗，或者在膜的大約前5、4、3、2、1或0.5cm(或某些其它長度)中被消耗，然后膜的剩余部分與基本上缺氧的營養(yǎng)物溶液接觸。
在另外可選的實施方式中，生物反應器的生物層包括厭氧微生物或細胞。在該方式中，將缺氧氣體提供至膜的氣體面。缺氧氣體可以是氫氣、甲烷、一氧化氮、氮氣或其它缺氧氣體、或這些氣體的組合。缺氧氣體可以是非氧化性的，可以是還原性氣體，可以是可氧化氣體。在該方式中，營養(yǎng)物液流可以包括可還原物質(zhì)(如硫酸鹽、硝酸鹽)或可還原物質(zhì)的混合物。在該實施方式中，生物層將營養(yǎng)物液流的可還原物質(zhì)還原，并將缺氧氣體氧化?？蛇€原物質(zhì)的還原可以產(chǎn)生不溶性物質(zhì)(例如金屬硫化物)，例如，從營養(yǎng)物液流中去除不需要的溶質(zhì)。
在其它實施方式中，在膜的氣體面上有第一生物層，所述的第一生物層包括需氧細胞或微生物，在膜的營養(yǎng)面上有第二生物層，所述的第二生物層包括厭氧細胞或微生物。這種方式用于，例如，將氨水和亞硝酸鹽同時硝化和反硝化，形成氮。這種模式可以用于廢水處理和水產(chǎn)養(yǎng)殖。
在操作中，生物量也可以在膜的氣體側與含氧氣體接觸。在現(xiàn)有技術的許多生物反應器中，生物量位于營養(yǎng)物溶液中，從而必須對營養(yǎng)物溶液氧合或曝氣，以便為生物量提供氧。這樣極大地增加了這些生物反應器的成本。本發(fā)明的生物反應器設計消除了這種對氧合或曝氣裝置的需求。在根據(jù)本發(fā)明的生物反應器中，成對的膜(形成使其間營養(yǎng)物溶液通過的內(nèi)腔)可以被足以使空氣在該對膜之間通過的空間分隔開，從而為膜上和/或膜中的生物量提供氧。該空間可以足以使擴散流量通過其中。氣體(例如空氣)可以通過擴散、對流、風力或其它方式通過該空間，即，不需要額外的裝置使其通過該空間，或者通過風扇、鼓風機、循環(huán)風機或其它方式使氣體通過該對膜的氣體面。該空間可以取決于膜的大小。它的跨度可以為大約2至100mm(即，在該對膜之間)，或者大約2至50、2至20、2至10、5至50、5至20、5至10、10至100、50至100、80至100、10至50、10至20、或8至10mm，跨度可以可以是大約2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100mm，或者跨度超過100mm。
在許多實施方式中，本發(fā)明的生物反應器在營養(yǎng)物液流基本上缺氧的條件下工作。這樣就限制了膜營養(yǎng)面上需氧細胞和孢子的生長。這種特征將本發(fā)明和許多以前已知的生物反應器區(qū)別開來，以前沒有描述缺氧營養(yǎng)物溶液，實際上并未提示要保證營養(yǎng)物料流缺氧。例如，JP10-179138描述了一種生物反應器，其中營養(yǎng)物液流流過膜，該膜在營養(yǎng)物液流的另一側上具有生物層。但是在這種生物反應器中，在營養(yǎng)物液流應用于膜并在其上流過時，沒有提示要放置營養(yǎng)物液流的氧合，也沒有說明它是缺氧的。該發(fā)明中使用的膜必須對生物層的細胞不通透，因為這是防止細胞在膜的營養(yǎng)面上生長的唯一方式。在本發(fā)明中，與之相反，膜的絕對完整性并不太重要，因為營養(yǎng)物溶液的缺氧性質(zhì)使細胞、孢子等在膜營養(yǎng)側的生長受到抑制。這使得本發(fā)明能夠使用相對于JP10-179138較為便宜的膜。
生物反應器可以在營養(yǎng)物溶液與空氣不接觸的條件下工作。通過使其通過兩張膜之間，或一張膜的兩個部分之間，或膜和對氧不通透的支撐物(其中所述的支撐物位于兩張平行的膜之間)之間，可以實現(xiàn)這一點，因此流入的營養(yǎng)物溶液中的任何溶解氧均被生物層迅速消耗，使營養(yǎng)物溶液相對缺氧。以這種方式可以使營養(yǎng)物液流在很大程度上缺氧，而不需要昂貴的鼓泡和/或除氧裝置。另外可選地，營養(yǎng)物溶液可以在基本上缺氧的氣體(例如氮、二氧化碳、氦、氬或其它非氧化性氣體、或其混合物)中通過膜。例如，膜可以豎直懸掛，在氣體側上有含氧氣體，營養(yǎng)物溶液從被氮氣氣氛覆蓋的營養(yǎng)側滴下。任選地，還可以有除氧器從營養(yǎng)物溶液中除去氧，以保證溶液相對缺氧。除氧器可以是脫氣器，例如真空脫氣器，或者它可以包括鼓泡裝置，將含氧量極低的氣體通過營養(yǎng)物溶液鼓泡。含氧量極低的氣體可以是，例如，氮、二氧化碳、氦、氬或任何其它氧含量很少的合適氣體。按重量計或按體積計，氧含量可以是小于大約5％，或者小于大約4、3、2、1、0.5或0.1％，或者氧含量按重量計或按體積計可以是大約0、0.1、0.5、1、2、3、4或5％。營養(yǎng)物溶液從除氧器中排出后，氧的濃度可以為低于大約10ppm氧，或者低于大約5、1、0.5、0.1、0.05或0.01ppm氧，或者可以是大約0、0.01、0.05、0.1、0.5、1、5或10ppm氧，或者氧飽和度水平可以為低于大約10％，或者低于大約5、2、1、0.5或0.1％，或者為大約0、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10％。除氧器可以位于進口、進口歧管、出口、出口歧管或儲存營養(yǎng)物溶液的儲存容器或生物反應器的其它部分，或者可以有一個以上的除氧器，每一個位于這些位置中的任何一處。
也可以有再循環(huán)系統(tǒng)，將營養(yǎng)物溶液從出口再循環(huán)至進口。再循環(huán)系統(tǒng)可以能夠防止氧進入營養(yǎng)物溶液。再循環(huán)系統(tǒng)可以包括一個或多個泵、泵進口管道、泵出口管道、泵出口管道、進料管道、進料管道閥門、出料管道、出料管道閥門、進料槽和出料槽。例如，再循環(huán)系統(tǒng)可以包括將營養(yǎng)物溶液泵入泵出的泵，從泵連接至進口歧管的泵出口管道，從出口歧管連接至泵的泵進口管道，具有進料管道閥門的進料管道，用于使液體進入到生物反應器中，和具有出料管道閥門的出料管道，用于將液體從生物反應器中排出。
再循環(huán)系統(tǒng)可以具有儲存營養(yǎng)物溶液的儲存器。儲存器可以是槽或箱、燒杯、瓶子、小室、池或罐。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在營養(yǎng)物溶液被不含營養(yǎng)物的第二種液體(例如鹽水和/或緩沖溶液)更換后，本發(fā)明的生物層可以繼續(xù)生成產(chǎn)物。因此，根據(jù)本發(fā)明的生物反應器的一種操作方法是將營養(yǎng)物溶液提供給膜營養(yǎng)面以第一段時間，然后向膜提供不含營養(yǎng)物的第二種液體以第二段時間。因此，提供實際上無細胞和無營養(yǎng)物的溶液更容易進行處理以分離產(chǎn)物。在后一種方法中，第一段時間取決于生物層的性質(zhì)和生物分離器的工作條件。第一段時間可以為大約1小時至1天，或大約1至18小時、或大約1至12小時、或大約1至6小時、或大約1至3小時、或大約1至2小時、或大約6小時至1天、或大約12小時至1天、或大約18小時至1天、或大約3至18小時、或大約6至12小時，可以是大約1、2、3、4、5、6、12、18或24小時。第二段時間也取決于生物層的性質(zhì)和生物反應器的工作條件，并可取決于第一段時間的長度。第二段時間可以為大約12小時至12天、或大約12小時至8天、或大約12小時至4天、或大約12小時至2天、或大約12小時至1天、或大約1至12天、或大約4至12天、或大約8至12天、或大約1至6天、或大約2至4天，可以是大約12或18小時，或者大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11或12天。
為了促進生物層健康、有效地工作，生物層可保持在特定的溫度下。該溫度將取決于生物層的性質(zhì)，因為不同生物材料的最佳工作溫度是不同的。生物反應器工作過程中溫度可以稍微變化。溫度可以為大約-5至120℃、或-5至0℃、或大約0至100℃、或大約0至50℃、或大約0至20℃、或大約20至120℃、或大約50至120℃、或大約90至120℃、或大約10至45℃、或大約10至35℃、或大約10至25℃、或大約20至55℃、或大約30至55℃、或大約40至55℃、或大約15至45℃、或大約17至42℃、或大約20至40℃、或大約20至30℃、或大約30至40℃，可以是大約-5、0、5、10、15、17、20、25、28、30、35、37、40、42、45、50、60、70、80、90、100、110或120℃。通過與生物層接觸的空氣或流出液體，可以將溫度保持在所需的溫度附近。
生物反應器的工作目的可以是產(chǎn)生可溶性產(chǎn)物(可以從膜營養(yǎng)面的液體中回收，例如藥物、抗體、疫苗成分、或其它化學物質(zhì))和/或固體產(chǎn)物(可以從膜的氣體面回收，例如食物原料或細胞)，或者是為了從營養(yǎng)液體中去除不需要的成分。額外地或另外可選地，通過生物轉化(例如碳水化合物的代謝，以減少生物需氧量(BOD)、金屬離子的生物還原或生物氧化以減少污染負荷、去除硫、磷或氮化合物)或者某些成分如金屬離子生物吸著在生物層上，生物反應器可以用來去除營養(yǎng)液流中不需要的成分(例如，C、N、S、P、Mn、Mg、Ca、Zn、重金屬)如污染物。這樣可以用于處理廢水、從液流中生物吸著金屬離子、以及應用于采礦回收和生物除污。
膜支撐結構可以是任何用于支撐本發(fā)明的膜的合適結構，或者，在有多于一張膜的生物反應器中，用于支撐所有的膜。例如，它可以是框架、托架、套管、外罩、臺架或支架。它可以由金屬制成，例如鋁、鋼、不銹鋼、鈦或其它合適的金屬，或者可以由合適的硬性塑料制成，例如聚乙烯、聚丙烯、聚甲基戊烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯。膜支撐結構可以豎直或水平放置以支撐膜。膜支撐結構可以包括滾筒或電動機，以協(xié)助膜在生物反應器內(nèi)移動。
本發(fā)明的膜可以是納米孔、中孔或微孔的，或者具有納米尺度和/或中尺度和/或微尺度孔的組合。它可以能夠使生物層的細胞或孢子從其中通過，或者可以不能使生物層的細胞或孢子從其中通過。如下所述，膜包括支撐材料，如下所述，在支撐材料上和/其中還可以有納米孔固體或凝膠，盡管根據(jù)本發(fā)明的膜可以沒有納米孔固體或凝膠。膜可以包括以重量或體積計大約0至90％的納米孔凝膠，或者包括以重量或體積計大約10至90％、或大約10至50％、或大約10至30％、或大約30至90％、或大約50至90％、或大約70至90％、或大約20至80％、或大約30至70％、或大約40至60％的納米孔凝膠，或者可以包括以重量或體積計大約0、10、20、30、40、50、60、70、80或90％的納米孔凝膠。膜可以是平面或管狀的。膜的厚度可以為大約0.1至10mm，可以為大約0.1至5mm、或大約0.1至2mm、或大約0.1至1mm、或大約1至10mm、或大約5至10mm、或大約0.5至5mm、或大約1至5mm、或大約1至2mm，可以是大約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、6、7、8、9或10mm厚。當制造膜時，細胞在納米孔材料中的分布最初可以是幾乎均勻的。但是在工作過程中，工作條件可能會促進細胞在氣體面附近和/或在其上生長，并會抑制細胞在膜其它區(qū)域的生長。這樣就可能引起膜在工作狀態(tài)下細胞分布不均勻，靠近氣體面和/或在氣體面上的細胞濃度較高。
納米孔固體或凝膠可以包括任何合適的可以從前體液體制成的材料，其中所述的前體液體適于在不損害細胞的情況下將細胞分散在其中。納米孔固體或凝膠可以包括，例如，硅膠、氧化鈦凝膠、氧化鋯凝膠、氧化鋁凝膠，或者包括二氧化硅、氧化鈦、氧化鋯和氧化鋁中的兩種或更多種的混合凝膠(例如，硅鋁膠)，或者可包括瓊脂-瓊脂、瓊脂糖、海藻酸鈣、果膠或其它生物聚合物。而且，由水鐵礦組成的納米孔無機凝膠可以在嗜酸氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillusferrooxidans)的作用下在膜上/中形成。
納米孔固體或凝膠的孔隙度可以為大約40至90％，或者為大約40至75％、或大約40至60％、或大約50至90％、或大約60至90％、或大約70至90％、或大約50至80％、或大約60至70％，可以是大約40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或90％?？椎钠骄睆娇梢詾榇蠹s1nm至10μm，或者大約1nm至1μm、或大約1至500nm、或大約1至100nm、或大約1至50nm、或大約1至10nm、或大約100nm至10μm、或大約500nm至10μm、或大約1至10μm、或大約10nm至1μm、或大約50至500nm、或大約100至200nm，其平均直徑可以是大約1、5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、75、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700、800或900nm，或者大約1、2、3、4、5、6、7、8、9或10μm。納米孔固體或凝膠在其孔中可以有液體，液體可以是水性液體。水性液體可以含有生物實體的營養(yǎng)物，可以含有生物實體生成的產(chǎn)物，可以含有其它成分，例如電解質(zhì)、鹽類、維生素、生長因子和/或溶解的氣體。
生物層可以是，例如，生物膜。生物層可以包括細胞、孢子或其它生物實體或其組合。生物層可以能夠生成所需的產(chǎn)物，例如抗生素、藥物、抗體、疫苗、化學物質(zhì)、食物原料、細胞或激素，例如，它可以包括能夠生成青霉素的產(chǎn)黃青霉(Peniccillium chrysogenum)。另外可選地，它可以包括能夠攝入金屬(可以是金屬離子的形式)如鉛或者去除其它廢料或用于凈化流出液的細胞，例如，它們可以是能夠去除碳水化合物的黑曲霉(Aspergillus niger)。生物層可以位于膜上和/或之中，可以位于膜氣體面上和/或其中，使得生物層可以與生物反應器中的氣體接觸。因此生物反應器能夠產(chǎn)生所需的產(chǎn)物，或者從液流或氣流中去除一些物質(zhì)(如污染物或不需要的物質(zhì))，所述液流作為營養(yǎng)液流提供給膜的營養(yǎng)面，所述氣流提供給膜氣體面上的生物層。例如，微生物可以介導污染物(例如，臭氧、H2S、SO2等)從氣流中脫除。在這種情況下，膜的氣體面可以氣體小室或外罩的形式安置，氣流可通過氣體小室經(jīng)過生物層再循環(huán)，并且可以再循環(huán)足夠的時間，使污染物的濃度降低到可接受的水平。
支撐材料可以由在膜的工作條件下不生物降解的材料制成。支撐材料可以是親水的或疏水的，可以包括多孔材料、或機織材料、或非織造纖維材料、或海綿狀材料、或開孔泡沫材料、或一些具有連接支撐物第一個面和支撐物第二個面的孔隙的其它材料。支撐材料可以是，例如，機織或非織造的纖維材料或非纖維性多孔材料。纖維材料可以是玻璃纖維網(wǎng)(matting)或棉，非纖維性多孔材料可以是大孔材料如開孔泡沫，或者可以是中孔和/或微孔材料。它可以是剛性或柔性的。支撐物的孔隙度可以為大約40至90％，或者為大約40至75％、或大約40至60％、或大約50至90％、或大約60至90％、或大約70至90％、或大約50至80％、或大約60至70％，可以是大約40、45、50、55、60、65、70、75、80、85或90％。支撐物的孔可以為大約10至200微米，或者或大約10至100微米、或大約10至50微米、或大約50至200微米、或大約100至200微米、或大約50至150微米，可以是大約10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、150或200微米。機織或非織造材料可以為大約10至100股/厘米、或大約20至大約100股/厘米、或大約40至100股/厘米、或大約60至100股/厘米，或者為大約10至60股/厘米、或大約10至40股/厘米、或大約25至70股/厘米、或大約30至60股/厘米、或大約35至50股/厘米、或大約35至45股/厘米，可以是大約10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或100股/厘米。每股的厚度可以為大約20至1000微米、或大約20至500微米、或大約20至200微米、或大約20至100微米、或大約100至500微米、或大約200至500微米、或大約300至500微米，或者為大約50至400微米、或大約100至300微米、或大約500至1000微米、或大約750至1000微米、或大約500至750微米，可以是大約20、30、40、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900或1000微米。支撐物可以包括，例如，玻璃纖維網(wǎng)、機織玻璃網(wǎng)、聚酯、微孔聚烯烴(例如聚乙烯或聚丙烯)、微孔含氟聚合物(如聚偏二氯乙烯或聚四氟乙烯)、棉、聚酯-棉、絲、毛、燒結玻璃、燒結金屬或一些其它的多孔或纖維材料。
支撐材料可以是親水材料。在使用之前，可以對支撐材料進行處理，以清潔表面和/或使表面更具親水性。處理的具體細節(jié)取決于材料的性質(zhì)。例如，可以采用的處理包括使支撐材料與堿性溶液如氫氧化鉀水溶液接觸的步驟。堿性溶液可以為大約0.1至5M，或者為大約0.1至1M、或大約0.1至0.5M、或大約0.5至5M、或大約1至5M、或大約3至5M、或大約0.5至2M，可以是大約0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5M。當對包括機織玻璃網(wǎng)(或其它玻璃纖維)的材料進行處理時，接觸步驟可以持續(xù)大約12至48小時，或者大約18至36小時、或大約20至28小時、或大約12至24小時、或大約12至18小時、或大約24至48小時、或大約36至48小時，可以是持續(xù)大約12、18、24、30、36、42或48小時。但是，當對包括棉、聚酯-棉或聚酯的支撐材料進行處理時，接觸步驟的時間應該較短，以免損壞支撐材料，接觸步驟的時間可以是大約1至20分鐘、或大約1至10分鐘、或大約1至5分鐘、或大約10至20分鐘、或大約15至20分鐘、或大約2至15分鐘、或大約3至10分鐘、或大約4至7分鐘，可以是大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18或20分鐘。另一種可以采用的處理方法是使支撐材料與水等離子體(例如可以在RF發(fā)生器中形成)接觸。接觸時間可以為大約1至20分鐘、或大約1至10分鐘、或大約1至5分鐘、或大約10至20分鐘、或大約15至20分鐘、或大約2至15分鐘、或大約3至10分鐘、或大約5至8分鐘，可以是大約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18或20分鐘。在一個實施例中，可以在40W射頻等離子體發(fā)生器中，將支撐物在水等離子體中以5.0×10-2毫巴侵蝕大約6分鐘，在13.56mH RM下操作使表面氫化，使其可潤濕。另外可選地，可以使用烘箱燒去玻璃支撐材料中的疏水性材料，使其更為親水。烘箱的溫度可以是大約300至700℃，或者是大約300至500℃、或大約300至400℃、或大約500至700℃、或大約500至700℃、或大約400至600℃之間，可以是大約400、450、500、550、600、650或700℃。將玻璃支撐材料中的疏水性材料燒去所需的時間可以為在大約5分鐘至36小時，或者為大約10分鐘至大約24小時、或大約30分鐘至18小時、或大約1至12小時、或大約2至6小時、或大約5分鐘至12小時、或大約5分鐘至6小時、或大約5分鐘至1小時、或大約5至30分鐘、或大約10至30分鐘、或大約1至36小時、或大約6至24小時、或大約12至24小時、或大約18至24小時，可以是大約5、10、15、20、25、30、40或50分鐘，或者是大約1、2、3、4、5、6、9、12、18、24、30或36小時。
前體液體可以是任何適于在不損害細胞的情況下將細胞分散在其中的液體，它可以在不損害細胞或支撐物的情況下轉化成納米孔材料。前體液體的一個例子是堿性膠體二氧化硅溶液。這些溶液的pH通常為10左右，但是，其pH可以為大約9至11、或大約9.5至10.5、或大約9至10、或大約10至11，pH可以是大約9、9.5、10、10.5或11。膠體二氧化硅溶液中二氧化硅的固體濃度可以是以重量/重量計(w/w)的大約30％，或者為大約15至50％、或大約20至45％、或大約25至40％、或大約30至35％、或大約15至40％、或大約15至30％、或大約25至50％、或大約35至50％w/w，或者可以是大約15、20、25、30、35、40、45或50％w/w，或者可以是以體積/體積計(v/v)的大約17％，或者可以為大約10至20％、或大約12至20％、或大約15至20％、或大約16至20％、或大約10至18％、或大約10至16％、或大約10至14％、或大約12至19％、或大約14至18％、或大約16至17％v/v，或者可以是大約10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20％v/v。
固定在納米孔固體或凝膠中的細胞可以分散在前體溶液中。前體溶液中細胞的濃度可以為大約101至1012cfu/ml、或大約101至105cfu/ml、或大約101至103cfu/ml、或大約109至1012cfu/ml、或大約1010至1012cfu/ml、或大約105至109cfu/ml、或大約106至108cfu/ml、或大約5*106至5*107cfu/ml、或大約107至109cfu/ml、或大約5*107至5*108cfu/ml、或大約105至107cfu/ml、或大約5*105至5*106cfu/ml，或者可以是大約101、102、103、104、105、5*105、106、5*106、107、5*107、108、5*108、109、1010、1011或1012cfu/ml。
納米孔固體或凝膠可以包括，例如，硅膠、氧化鈦凝膠、氧化鋯凝膠、氧化鋁凝膠、或者包括二氧化硅、氧化鈦、氧化鋯和氧化鋁中的兩種或多種的混合凝膠(例如硅鋁膠)，或者可以包括瓊脂-瓊脂、瓊脂糖、海藻酸鈣、果膠或其它生物聚合物?；旌夏z制備的方法可包括將相應醇鹽的混合物可控水解的一步法，例如，二氧化硅-氧化鈦凝膠可以通過四烷氧基硅烷(如四甲氧基硅烷Si(OMe)4TMOS)與四烷基鈦酸酯(如四甲基鈦酸鹽Ti(OMe)4)的可控水解進行制備。另外可選地，可以使用三烷氧基硅烷(如三甲氧基硅烷)或官能化烷基烷氧基硅烷(如甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)來制備凝膠。通過改變pH(如酸化)，或通過將揮發(fā)性液體從前體溶液中蒸發(fā)，可以將前體液體轉化成納米孔固體或凝膠。蒸發(fā)可以包括加熱和/或使氣體通過具有前體液體的支撐材料?？梢约訜嶂磷阋允箵]發(fā)性液體蒸發(fā)但不足以對支撐材料或其中的細胞和/或孢子(如果存在的話)造成破壞的溫度。該溫度可以為大約30至90℃，或者為大約30至80℃、30至60℃、30至40℃、50至80℃、或40至60℃，可以是大約30、40、50、60、70、80或90℃，或者，如果支撐材料和其中的任何細胞和/或孢子能夠耐受該溫度，可以超過90℃?？梢允棺懔繐]發(fā)性液體蒸發(fā)，在支撐材料上和/或其中形成納米孔固體或凝膠。
因此，將作為前體液體的溶膠(如水溶膠)灌注到支撐材料中，通過合適的溶膠-凝膠方法在支撐材料中產(chǎn)生凝膠，所述方法取決于溶膠的性質(zhì)，該方法可以包括以下的一種或多種pH調(diào)節(jié)、溫度調(diào)節(jié)、揮發(fā)性液體的蒸發(fā)、與試劑接觸、和用金屬離子沉淀。
在制造方法的一個實施例中，其中具有多個孔隙的支撐材料與其中分散有細胞的膠體二氧化硅溶液接觸，降低孔隙中膠體二氧化硅溶液的pH，以便在支撐材料的孔隙中形成其中固定有細胞的納米孔硅膠。pH可以降低至大約4至大約8，或者大約5至大約7、或大約4至大約7、或大約4至大約6、或大約5至大約8、或大約6至大約8，可以降低至大約4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5或8。降低pH的步驟可以包括如下步驟從本體前體溶液中取出其孔隙中有前體溶液的支撐物，將支撐物浸泡在所需pH的水溶液中。另外可選地，如上所述，將膠體二氧化硅溶液的pH調(diào)節(jié)至大約4至大約8。然后將細胞加入到膠體二氧化硅溶液中，在凝膠化之前，將溶液灌注到支撐材料中。這種可選方法特別適用于對于高pH環(huán)境敏感的細胞。
前體液體的其它例子包括海藻酸鈉水溶液或瓊脂-瓊脂或瓊脂糖的水溶液。前體液體中溶質(zhì)的濃度應當使得前體液體的粘度適于灌注到支撐物中。濃度取決于下列因素包括溶質(zhì)分子量和性質(zhì)以及支撐材料的性質(zhì)(孔徑或網(wǎng)格篩目大小)。濃度可以為以重量或體積計的大約0.5％至40％，可以為大約0.5至30％、大約0.5至20％、大約0.5至15％、大約0.5至10％、大約0.5至5％、大約1％至10％、大約1％至5％、大約5至40％、大約10至40％、大約15至40％、大約20至40％、大約30至40％、大約5至30％、或大約10至20％，可以是以重量或體積計的大約0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、10、15、20、25、30、35或40％。水溶液一部分水的蒸發(fā)可以使溶質(zhì)作為凝膠沉淀在支撐材料上和/或其中。在納米孔固體或凝膠包括瓊脂瓊脂的情況下，通過將瓊脂瓊脂與水性液體一起加熱至瓊脂瓊脂的凝膠溫度使其溶解，可以制備前體溶液。凝膠化溫度取決于瓊脂-瓊脂的級別，可以為大約25至大約70℃。優(yōu)選地，選擇瓊脂-瓊脂的級別，使其凝膠溫度足夠低，使得發(fā)生溶解的溫度下細胞不受損害。凝膠溫度可以適宜地低于大約50℃，可以低于大約45℃或低于大約40℃，可以是大約30、35、40、45或50℃。前體液體中瓊脂瓊脂的濃度以重量或體積計可以為大約0.5至5％，或者為大約0.5至4％、或大約0.5至3％、或大約0.5至2％、或大約1至3％，或者以重量或體積計可以是大約0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4或5％。將灌注有前體溶液的支撐材料冷卻，使瓊脂瓊脂凝膠沉淀在支撐材料中和/或其上。如果瓊脂-瓊脂的凝膠溫度高到足以對細胞造成損害，則如前所述，瓊脂-瓊脂凝膠可以在支撐材料中形成，但是前體溶液中沒有細胞，在形成膜之后，得到的膜可以用細胞接種。在納米孔固體或凝膠包括海藻酸鈣的情況下，前體溶液可以是海藻酸或可溶海藻酸鹽如海藻酸鈉的水溶液。海藻酸的濃度以重量或體積計可以為大約1至10％，或者為大約1至5％、或大約1至3％、或大約5至10％、或大約7至10％、或大約2至7％、或大約3至5％可以為以重量或體積計的大約1、2、3、4、5、6、7、8、9或10％。因此，將灌注有前體溶液的支撐物浸泡到其海藻酸鹽不溶于水的金屬離子(如鈣)的溶液中，使得不溶性海藻酸鹽(如海藻酸鈣)沉淀在支撐材料中和/或之上。例如，海藻酸鹽可以是海藻酸鈣，其溶液以重量或體積計可以為大約1至5％，或者為大約1至4％、或1至3％，或者以重量或體積計可以是大約1、2、3、4或5％。
參照圖1，膜10具有營養(yǎng)面12和氣體面14，并包括其中和其上具有納米孔凝膠18的纖維支撐材料16。被固定的生物層20位于氣體面14上和靠近氣體面14的膜10中。纖維支撐材料16包括沒有施膠劑的機織玻璃纖維網(wǎng)，納米孔凝膠18包括納米孔硅膠。生物層20包括包埋在靠近氣體面14的膜20中的真菌22，和在氣體面14上或其附近的真菌24。真菌22和24可以是諸如能夠生成青霉素的產(chǎn)黃青霉。
在工作過程中，膜10使得營養(yǎng)物溶液26沿箭頭21的方向從營養(yǎng)面12擴散至被固定的生物層20上。將空氣提供給生物層20的表面28，促進真菌22和24的生長，因此生物層20生成產(chǎn)物(例如青霉素)。在營養(yǎng)物溶液26中和膜10內(nèi)真菌的生長由于這些區(qū)域相對缺氧的條件而被抑制。產(chǎn)物沿箭頭23的方向從生物層20通過膜10擴散。
圖2顯示的示意圖描述了其上和/或其中具有生物層的膜的制造方法。參照圖2，支撐材料16是纖維網(wǎng)，例如玻璃纖維機織網(wǎng)。在使用之前，可以對支撐材料16進行處理，以便清潔表面的施膠劑和其它污染物，使其表面更加親水?？梢圆捎玫奶幚戆ㄊ怪尾牧?6與堿性溶液如大約1M的氫氧化鉀水溶液接觸大約24小時。膜的制備方法包括，例如，加入無機酸溶液如硫酸或鹽酸，將膠體二氧化硅溶液(初始pH為10左右，固體含量為大約30％w/w)調(diào)節(jié)至pH大約6，所述的無機酸可以為大約1至5N、或大約1至3N、或大約3至5N、或大約2至5N，可以是大約1、2、3、4或5N。加入真菌22如產(chǎn)黃青霉，總計數(shù)大約為109cfu/ml，得到前體液體30。通過將支撐材料16浸泡在前體液體30中，將前體液體30灌注到支撐材料16中。pH調(diào)節(jié)至大約6之后，前體液體30將很快發(fā)生凝膠化，通常在大約30分鐘內(nèi)，因此，在凝膠化之前需要將支撐材料16從前體液體30中取出。從前體液體30中取出支撐材料16時，前體液體30保持灌注在其中。在環(huán)境條件下靜置時，前體液體30在支撐材料16上凝膠化，形成膜32，真菌22基本上均勻地遍布其中分布，并且其中具有納米孔凝膠18。將營養(yǎng)物溶液34提供給膜32的營養(yǎng)面12使得營養(yǎng)物溶液34滲透過膜32。氣體面14與空氣接觸基本上不會使空氣透過膜32，因為其孔隙充滿液體。這促使真菌22在氣體面14上或靠近其生長，并抑制其在膜32的其它含氧較少的區(qū)域生長。因此，最初真菌22均勻分布的膜32上發(fā)生了不均勻分布，使膜10在氣體面14上和其中產(chǎn)生了生物層20(包括真菌22)。
圖2a顯示了另一個示意圖，描述了具有被固定生物層的膜的一種不同的制造方法。在圖2a中，膜包括支撐物16。支撐材料16是纖維網(wǎng)，例如棉，噴霧70包括其中具有真菌22的微滴72。支撐材料16的氣體面14與噴霧70接觸，使真菌22沉積在氣體面14上，真菌22中的一些也可能滲透入支撐物16中。膜的營養(yǎng)面12與營養(yǎng)物溶液78接觸，使得溶液78通過支撐材料16擴散至真菌22，置換支撐材料16中的空氣。這促使真菌22在氣體面14上或靠近其生長，抑制其在膜其它含氧較少的區(qū)域生長。這樣導致形成位于氣體面14上、且一部分在其中的生物層20。
參照圖3，生物反應器50包括膜支撐結構52和由結構52垂直支撐的膜10。每張膜10都是平面的，其取向與其它膜10平行。膜10成對排列，使得每對膜連接在一起形成扁平管，其橫截面如圖所示。每張膜10上均固定有生物層20，使得營養(yǎng)物溶液能夠向其擴散。生物層20可以包括真菌，例如能夠生成青霉素的產(chǎn)黃青霉。生物反應器50具有用于保持每對膜之間距離的隔板54。每張膜10都有刮具56，用于從生物層20上去除過量的生物量。生物反應器50具有使營養(yǎng)物溶液到達膜10的營養(yǎng)面的進口58，還有將營養(yǎng)物溶液從每對膜之間去除的出口60。進口58與進口歧管62連接，出口60與出口歧管64連接。
在操作過程中，通過進口歧管62和進口58供應營養(yǎng)物溶液。營養(yǎng)物溶液是適合生物層20的真菌的營養(yǎng)物溶液，可以含有諸如碳水化合物。生物反應器50位于需氧環(huán)境中，從而使生物層20與空氣接觸。營養(yǎng)物溶液通過膜10擴散至生物層20。因此生物層20具備生成所需產(chǎn)物所要求的條件，所述產(chǎn)物在上例中為青霉素。該產(chǎn)物在營養(yǎng)物溶液中通過膜10擴散，通過出口60和出口歧管64從生物反應器50中排出?？梢允占懦龅臓I養(yǎng)物溶液，以分離所需產(chǎn)物。在生物反應器20變厚，由于其一些部分缺氧使產(chǎn)物的生成變慢的情況下，刮具56可以沿生物層20向下移動，從其上去除固體物質(zhì)。在另外可選的實施方式中，營養(yǎng)物溶液如上所述提供給膜10以第一段時間，該段時間可以為大約12至24小時。在該第一段時間后，通過進口歧管62和進口58將鹽水溶液提供給膜10以第二段時間，從而置換生物反應器50中的營養(yǎng)物溶液。第二段時間可以為大約1至5天。在第二段時間期間，如上所述，生物層20生成所需的產(chǎn)物。該產(chǎn)物通過膜10擴散，并在鹽水溶液中通過出口60和出口歧管64從生物反應器50中排出。從排出的鹽水溶液中分離所需的產(chǎn)物很容易完成。
圖3a顯示了用于圖3所示生物反應器的進口歧管。在圖3a中，歧管進口63連接通向除氧器65。除氧器可以是任何合適的除氧器，可以包括，例如，脫氣器如真空脫氣器，或者可以包括鼓泡裝置，用于將含氧量極低的氣體如氮或二氧化碳通過營養(yǎng)物溶液進行鼓泡。歧管管道67將除氧器65與進口58連接。在操作過程中，通過歧管進口63將營養(yǎng)物溶液提供至除氧器65，將氧脫除至很低的水平，例如低于大約5ppm。然后，相對缺氧的營養(yǎng)物溶液通過歧管管道67至進口58，該進口將營養(yǎng)物溶液供應給生物反應器的膜(未示出)。
圖3b顯示了根據(jù)本發(fā)明的生物反應器中的將來自出口的液體再循環(huán)至進口的再循環(huán)系統(tǒng)。在圖3b中，進料管道閥門620是與生物反應器50(在圖3中顯示，但未在圖3b中顯示)的進口歧管62、進料管道630和泵出口管道640連接的三通閥門。出料管道閥門650是與生物反應器50(圖3)的出口歧管64、出料管道660和泵進口管道670連接的三通閥門。在生物反應器50的正常工作過程中，進料管道閥門620設置成使液體可以從管道640到達歧管62，但是管道630被關閉，出料管道閥門650設置成使液體可以從歧管64到達管道670，但是管道660被關閉。在這種配置中，泵610將液體從出料歧管64經(jīng)管道670和640泵至歧管62，沒有液體通過管道630或660。為了向生物反應器50中加入液體，例如在生物反應器開始工作時，將閥門620配置成液體可以從管道630到達進口歧管，但是不到達管道640。同樣，為了將液體從生物反應器50中排出，例如為了使液體到達分離器以便從中分離產(chǎn)物，閥門650設置成使液體可以從出口歧管到達出料管道660，但是不到達管道670。
圖3c顯示了根據(jù)本發(fā)明生物反應器的將來自出口的液體再循環(huán)至進口的另一種再循環(huán)系統(tǒng)。在圖3c中，泵710具有泵進口管道720和泵出口管道730。泵出口管道730輸出至進料槽740中。裝有閥門760的進料管道750也輸出至進料槽740中。進料槽740與生物反應器50(在圖3中顯示，但未在圖3b中顯示)的進口歧管62連接。生物反應器50的出口歧管64輸出至出料槽770中，該槽與泵進口管道720連接，并與裝有出料管道閥門790的出料管道780連接。槽740和770可以任選地具有從其中的液體排除氧的裝置。這些裝置可以包括，例如，惰性氣體噴氣管、蓋子、可移動式活塞或其它合適的裝置。在生物反應器50的正常工作中，進料管道閥門760是關閉的，以防止液體通過管道750進入槽740，出料閥門790是關閉的，以防止液體通過出料管道780從槽770中排出。在這種配置中，液體從槽740流至進口歧管62，經(jīng)出料歧管64返回至槽770。泵710將液體通過管道720和730從槽770泵至槽740。為了向生物反應器50中加液體，例如在生物反應器開始工作時，打開閥門760，使液體可以通過管道750到達槽740中。同樣，為了從生物反應器50中去除液體，例如為了使液體通過到達分離器以便從其中分離產(chǎn)物，打開閥門790，使液體可以通過管道770到達出料管道780。
圖3d顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一種生物反應器。該生物反應器有多對依次配置的膜。在圖3d中，生物反應器800具有膜支撐結構810和分別支撐于其上的膜830和831、832和833、以及834和835組成的成對膜820、821和822。成對的820、821和822分別具有內(nèi)部區(qū)域836、837和838。進口840與820對的內(nèi)部區(qū)域836連接，出口850與822對的內(nèi)部區(qū)域838連接。連接管道860與內(nèi)部區(qū)域836和837連接，并配有泵870，連接管道865與內(nèi)部區(qū)域837和838連接，并配有泵875。在工作過程中，營養(yǎng)物溶液通過管道840到達內(nèi)部區(qū)域836，并從此處通過膜830和831擴散至其上的生物層(未顯示)。產(chǎn)物通過膜擴散至內(nèi)部區(qū)域836。然后，營養(yǎng)物溶液經(jīng)管道860從836區(qū)流出，由泵870泵至內(nèi)部區(qū)域837中，如上文對膜830和831所述，在此通過膜832和833擴散。通過管道865從內(nèi)部區(qū)域837排出時，營養(yǎng)物溶液由泵875泵至內(nèi)部區(qū)域838中，如上文對膜830和831所述，在此通過膜834和835擴散。最后，含有由膜830至835生成的任何產(chǎn)物的營養(yǎng)物溶液通過出口850排出。營養(yǎng)物溶液可以通過如圖3b和3c所示的再循環(huán)系統(tǒng)進行再循環(huán)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個生物反應器的示意圖。圖4的上部顯示了生物反應器80的側視圖，下部顯示其垂直橫截面視圖。生物反應器80包括膜支撐結構81和支撐在在膜支撐結構81上的膜10。膜10上支撐有生物層20。膜支撐結構81包括滾筒82和有孔滾筒84，它們能夠以順時針方向旋轉。滾筒82和84中的至少一個是由電動機85驅動的電動機，使膜10以箭頭86的方向移動。膜支撐結構81以如下構造支撐膜10膜10的88部分分別與另一90部分平行，在其間形成內(nèi)部區(qū)域92。生物反應器80具有使營養(yǎng)物溶液經(jīng)由有孔滾筒84進入內(nèi)部區(qū)域92的進口93，并具有將營養(yǎng)物溶液從內(nèi)部區(qū)域92中去除的出口94。進口93與進口歧管96連接，并與有孔滾筒84連接。生物反應器80具有將固體物質(zhì)從膜10上去除的刮具98。
在工作過程中，將營養(yǎng)物溶液通過進口歧管96和進口93供應至有孔滾筒84。營養(yǎng)物溶液是適合生物層20細胞的營養(yǎng)物溶液，例如，可以含有碳水化合物。生物反應器80位于需氧環(huán)境中，從而使生物層20與空氣接觸。營養(yǎng)物溶液從滾筒84中流出，進入?yún)^(qū)域92，從此處通過膜10擴散至生物層20。從而為生物層20提供生成所需產(chǎn)物如青霉素所需的條件。該產(chǎn)物通過膜10擴散至92區(qū)，在營養(yǎng)物溶液中通過出口94排出生物反應器80?？梢允占懦龅臓I養(yǎng)物溶液，以分離所需產(chǎn)物。在生物層20變地足夠厚，使得由于其一些部分缺氧使產(chǎn)物的生成變慢的情況下，可以操作電動機85，使膜10以箭頭86的方向移動。因此，刮具98經(jīng)過膜10，該刮具的定位使得能夠將過量生物量從生物層20上去除。可以收集過量的生物量以備使用或進一步加工。在另外可選的實施方式中，電動機85可以很低的速度連續(xù)工作，使得膜10的一部分上的生物層20在其上以足夠長時間生長有需要去除的生物量時，則由刮具98通過該部分進行刮除。例如，如果用于生物層20生長的適當條件下的膜10的總長度為L米，生物層20需要T小時來生長出足以需要去除的生物量，由電動機85驅動的滾筒82的圓周為C米，則電動機85將以U(T*C)轉/小時轉動滾筒82。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的再另一種生物反應器的示意圖。圖5的上部顯示生物反應器100的側視圖，下部顯示其水平橫截面視圖。生物反應器100包括膜支撐結構102、和支撐在進口環(huán)107和出口環(huán)109之間的內(nèi)膜104和外膜106。膜104和016是管狀、同心的，在其間形成內(nèi)部區(qū)域108。進口環(huán)107和出口環(huán)109中的孔向108區(qū)開放，使液體從環(huán)107中流至108區(qū)，從108區(qū)流至環(huán)109。膜104和106各自分別固定有生物層120和122，并在其氣體面(分別為124和126)上包括有細胞。隔板105位于內(nèi)部區(qū)域108中，以保持膜104和106之間的距離。生物反應器100具有使營養(yǎng)物溶液經(jīng)進口環(huán)107進入108區(qū)的進口110，并具有使營養(yǎng)物溶液經(jīng)出口環(huán)109從108區(qū)排出的出口112。生物反應器100具有分別從生物層120和122上去除固體物質(zhì)的刮具114和115。為了使膜104和106分別相對刮具114和115旋轉，提供電動機116，以有助于將過量生物量從膜104和106的生物層120和122上去除。
在工作過程中，營養(yǎng)物溶液通過進口110供應至進口環(huán)107。營養(yǎng)物溶液是適合生物層120和122的真菌的營養(yǎng)物溶液，例如，可以含有碳水化合物。生物反應器100位于需氧環(huán)境中，因此生物層120和122與空氣接觸。營養(yǎng)物溶液通過進口環(huán)107流入108區(qū)，從該處分別通過膜104和106擴散至生物層120和122。因此為生物層120和122提供生成所需產(chǎn)物所要求的條件。該產(chǎn)物通過膜104和106擴散至108區(qū)，在營養(yǎng)物溶液中通過出口環(huán)109和出口112從生物反應器100中排出?？梢允占懦龅臓I養(yǎng)物溶液，以分離所需產(chǎn)物。在生物層120和122變得足夠厚使得由于其一些部分缺氧使產(chǎn)物的生成變慢的情況下，可以操作電動機116，使膜104和106圍繞豎直軸旋轉。因此，刮具114和115分別經(jīng)過膜104和106，該刮具的定位使得能夠將過量生物量從生物層120和122上去除。可以收集過量的生物量以備使用或進一步加工。在另外可選的實施方式中，電動機116可以很低的速度連續(xù)工作，使得當膜104和106的一部分上的生物層120和122生長了足夠長時間需要去除生物量時，由刮具114和115經(jīng)過這些部分進行刮除。
圖5a是根據(jù)本發(fā)明的再一種生物反應器的示意圖。圖5的上部顯示生物反應器200的側視圖，下部顯示其水平橫截面視圖。生物反應器200包括膜支撐結構202、內(nèi)部支撐物204(它是支撐結構202的一部分)、和支撐在進口環(huán)107和出口環(huán)109之間的膜106，進口環(huán)107和出口環(huán)109是膜支撐結構202的一部分。內(nèi)部支撐物204是無孔支撐物，其包括對營養(yǎng)液體不通透的材料，例如，可以包括不銹鋼或一些的合適硬性聚合材料如聚碳酸酯。膜106是管狀的，且與內(nèi)部支撐物204同心，二者之間形成內(nèi)部區(qū)域108。進口環(huán)107和出口環(huán)109中的孔向108區(qū)開放，使液體從環(huán)107流至108區(qū)，從108區(qū)流至環(huán)109。膜106固定有生物層122，并在其氣體面126上包括有真菌。隔板105位于內(nèi)部區(qū)域108中，以保持膜106和內(nèi)部支撐物204之間的距離。生物反應器200具有使營養(yǎng)物溶液經(jīng)進口環(huán)107進入108區(qū)的進口110，并具有使營養(yǎng)物溶液經(jīng)出口環(huán)109從108區(qū)排出的出口112。生物反應器200具有將固體物質(zhì)從生物層122上去除的刮具115。為了使膜106相對于刮具115旋轉，提供電動機116，以有助于將過量生物量從膜106的生物層122上去除。
在工作過程中，營養(yǎng)物溶液通過進口110供應至進口環(huán)107。營養(yǎng)物溶液是適合生物層122的真菌的營養(yǎng)物溶液，例如，可以含有碳水化合物。生物反應器200位于有氧環(huán)境中，因此使生物層122與空氣接觸。營養(yǎng)物溶液從進口環(huán)107流入108區(qū)，從該處通過膜106擴散至生物層122。因而為生物層122提供生成所需產(chǎn)物所要求的條件。該產(chǎn)物通過膜106擴散至108區(qū)，在營養(yǎng)物溶液中通過出口環(huán)109和出口112從生物反應器200中排出?？梢允占懦龅臓I養(yǎng)物溶液以分離所需產(chǎn)物。在生物層122變得足夠厚使得由于其一些部分缺氧使產(chǎn)物的生成變慢的情況下，可以使電動機116工作，使膜106圍繞豎直軸旋轉。因此，刮具115經(jīng)過膜106，該刮具的定位使得能夠將過量生物量從生物層122上去除?？梢允占^量的生物量以備使用或進一步加工。在另外可選的實施方式中，電動機116可以很低的速度連續(xù)工作，這樣當膜106的一部分上的生物層122生長了足夠時間需要去除生物量時，則由刮具115經(jīng)過這些部分進行刮除。
參照圖20，生物反應器300包括其氣體面315上有生物層310的膜305。膜305的營養(yǎng)面320與營養(yǎng)物溶液325在營養(yǎng)小室330中接觸，生物層310與空氣在小室330外接觸。如果需要，膜305可以由支撐基質(zhì)支撐(未顯示)，或者可以是自支撐的。營養(yǎng)物溶液325可以任選地其中懸浮有微囊化厭氧細胞(未顯示)。生物反應器300也具有再循環(huán)系統(tǒng)335，用于將營養(yǎng)物325以箭頭338的方向通過再循環(huán)器(例如泵)340的方式再循環(huán)通過膜305。通過在該方向上進行再循環(huán)，小室330保持充滿狀態(tài)，上面沒有氣體空間。再循環(huán)系統(tǒng)335可以具有脫氧器345，用于從營養(yǎng)物溶液325中將氧去除。系統(tǒng)330還具有裝有閥門355的進口350、和裝有閥門365的出口360，并任選地具有防止微囊化厭氧細胞(如果存在)離開生物反應器300的濾器370。生物反應器300還具有防止氧進入的密封儲存容器380，以保留通過小室330再循環(huán)的營養(yǎng)物溶液。提供檢測器390，以檢測營養(yǎng)物溶液325的成分水平。因此，在工作過程中，打開閥門355，關閉閥門365，營養(yǎng)物通過進口350進入生物反應器300。然后關閉閥門355，營養(yǎng)物溶液325通過儲存容器380和小室330以箭頭338的方向再循環(huán)。通過脫氧器346使營養(yǎng)物液流325缺氧并保持該狀態(tài)。在小室330中，營養(yǎng)物通過膜305的營養(yǎng)面320擴散至生物層310，在此被代謝，例如，形成所需的產(chǎn)物，或者將不需要的物質(zhì)從營養(yǎng)物溶液325中去除。生物層310從小室外與其接觸的空氣中獲得氧進行代謝。然后，代謝物(例如所需產(chǎn)物)可以擴散回小室330，營養(yǎng)物溶液325進行再循環(huán)。如果有的話，微囊化厭氧細胞也可以代謝營養(yǎng)物液流的成分，生成的代謝物作為營養(yǎng)物通過微囊擴散至微囊化的厭氧細胞。通過確定何時營養(yǎng)物溶液成分的水平降低至預定水平，或者確定何時代謝物水平增加至預定水平，檢測器390可以確定何時生物層的生物反應已經(jīng)反應充分。然后可以將將營養(yǎng)物溶液325通過閥門365從生物反應器300中去除。如果有的話，微囊化厭氧細胞通過濾器370保留在生物反應器300中。然后將產(chǎn)物(代謝物)單獨從營養(yǎng)物溶液325中回收。檢測器可以自動觸發(fā)打開閥門365，或者，可以給予操作者信號，以手動打開閥門365。另外可選地，可以在預設的時間后(手動或自動)打開閥門。
用途本發(fā)明的生物反應器可以應用于多種用途。這些用途包括●抗生素、其它藥物和美容產(chǎn)品的生產(chǎn)；●污水處理；●重金屬清除/回收；●生物浸出和其它采礦應用；●生物合成(用于工業(yè)和研究的食品和化學品)；●廢水的二級和三級處理，用于去除碳、氮、磷和金屬離子；●有毒廢水的生物處理；●被污染飲用水的清潔；●動物和植物組織的培養(yǎng)。
●使用培養(yǎng)需氧細胞的任何領域；●食物的生長(例如用于航天工業(yè))；●使用動物組織用于生物合成；●回收有機原料用于生產(chǎn)燃料(生物燃料)；●動物組織培養(yǎng)用于人造器官和植入及用于激素和其它哺乳動物來源藥物的生物合成；優(yōu)點本發(fā)明的生物反應器較以往的技術有多種有點。這些優(yōu)點包括●膜孔隙度較高-生物層支撐在高孔隙度的膜內(nèi)。與用于相同目的的其它膜(例如陶瓷膜生物反應器)相比，這使得營養(yǎng)物的利用率較高；●膜的成本較低-由于通過相對缺氧的條件使生物量在膜營養(yǎng)側的生長受到抑制，因此不需要膜的孔隙足夠小以防止生物量的微生物透過。因此，可以使用比傳統(tǒng)膜-表面-液體-培養(yǎng)型生物反應器中使用的那些膜更便宜的膜。
●膜很容易制備-本發(fā)明的膜并不昂貴，而且可以使用簡單的技術和很容易獲得的便宜裝置來制備。膜的制造可以很快。如果需要，可以將膜作為一次性物品使用。
●生物層很薄且擴散良好-溶解氧和營養(yǎng)物的擴散距離相對較短，確保為生物層提供充足量的代謝物；●空氣冷卻-反應器組件可以通過自然對流冷卻，因此不需要昂貴的冷凍設備；●重量輕-本發(fā)明的生物反應器不需要大型的建筑基礎設施，使其很容易進行安裝；●經(jīng)濟-成分很便宜，并很容易獲得；●常壓操作-被采用的生物過程均在常壓下工作，因此不需要昂貴的高壓設施；●培養(yǎng)物主要生長在生物反應器的膜氣體面上-這便增加了生物層和氣相之間的接觸面積，更有效地從營養(yǎng)物溶液中去除生物層；
●雙面-相對單面系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)的表面積；●柔性膜-使膜更耐用，并能夠以幾乎任何所需的形狀使用；●產(chǎn)物易分離-任何時刻均可將生物層從營養(yǎng)物溶液中分離；●運行成本低；●不需要專家-系統(tǒng)簡單，只需要簡單訓練便可操作；●有自動化的可能性；●制造速度高-高于傳統(tǒng)的生物反應器(比1型陶瓷膜生物反應器高兩個數(shù)量級，比目前用于青霉素生產(chǎn)的氣升式生物反應器構造快多達40倍)；●生物層的選擇范圍廣-適合細菌、酵母、真菌、動物和植物細胞；●臺面面積最小-膜可以豎直懸掛；●產(chǎn)物產(chǎn)率高-每單位消耗底物的產(chǎn)率更高；●生長速率更快-生物層生長速率更快；●連續(xù)流動-可以用于連續(xù)模式，以進行順序加工。
●可再生-生物層能夠被有效地沖洗，并可以再使用/再循環(huán)多次；●氣體輸送量高-促進被固定的培養(yǎng)物發(fā)揮全部功能；●反應器結構柔性-可以在不損壞膜的情況下變形；●停機時間相對較少-以使用新批次生物量開始操作；●遲滯時間短-加入營養(yǎng)物和生成產(chǎn)物之間的遲滯時間短(同時發(fā)生一級和二級代謝)；●壽命延長-生物層壽命延長；●同時進行二級和三級處理；●生物量易分離-去除生物量后培養(yǎng)物迅速再生長。
實施例1青霉素生物合成和碳水化合物消耗試驗封閉系統(tǒng)納米顆粒膜生物反應器用機織玻璃纖維制成4個小袋，90×80mm，裝配在1000ml燒杯中懸掛的不銹鋼框架上，燒杯上蓋有鋁箔蓋。所用的機織玻璃網(wǎng)每cm有22股，重80g/m2。為使玻璃可濕潤，對其進行等離子蝕刻，如下文所述。之后，所有技術均使用無菌技術，并在II型生物安全柜中進行。使用通用指示劑和4.0M HCl，將40mlγ射線-滅菌的pH為10的膠體二氧化硅溶液(BindzilTM，Eka Chemicals)調(diào)節(jié)至pH6，開始凝膠化。將4.0ml含8.0×1010cfu/ml的產(chǎn)黃青霉孢子懸液加入到凝膠化中的二氧化硅溶膠中。將10.0ml膠體二氧化硅通過相同方式調(diào)節(jié)至pH6，并摻雜入含9.0×1010cfu/ml的黑曲霉孢子懸液1.0ml。將大約8.0、10.0和12.0ml摻雜有產(chǎn)黃青霉的膠體二氧化硅浸入到3個玻璃袋的每個中。將大約8.0ml摻雜有黑曲霉的膠體二氧化硅浸入到第4個袋中。將100ml含有麥芽提取物，3.0g/l；蛋白胨，5.0g/l；酵母提取物，3.0g/l；和葡萄糖，10g/l的Wickerham麥芽酵母提取液肉湯(MYEB)加入到每個袋的內(nèi)腔中之前，使所有樣品膠化，并在20℃下老化過夜，防止再分散。最初納米顆粒膜生物反應器(NMB)是可漏過的，使得流出物經(jīng)振動泵返回至內(nèi)腔中，其流速大于流出速度，這樣內(nèi)腔在任何時刻都是充滿的。頂部10mm內(nèi)的小袋被肉湯充滿，使每側培養(yǎng)物的面積為80×80mm，得到共計128cm2的培養(yǎng)膜。這些袋子在28℃下孵育。每天從每個NMB中取1.0ml樣品，進行碳水化合物濃度和pH分析。產(chǎn)黃青霉培養(yǎng)物也通過圓盤擴散測定法測定青霉素的產(chǎn)量。每4天去除MYEB。使用100ml無菌0.85％鹽水將每個生物反應器沖洗1小時。對鹽水進行采樣，進行青霉素分析(僅對產(chǎn)黃青霉)，棄去剩余物。在NMB中更換100ml新鮮MYEB，開始下一批次。在每批開始時取1.0ml樣品。除在鼓泡式生物反應器(描述見下文)中的產(chǎn)黃青霉培養(yǎng)物以外，每批持續(xù)4天。在8個批次后，在使用新鮮MYEB開始下一批之前，用刮鏟從NMB中無菌刮去生物量。
鼓泡式生物反應器(SB)兩刻度鼓泡式生物反應器(SB)由具兩孔塞的500ml Schott瓶組裝而成。一個管將無菌過濾的空氣以大約1.0L/分鐘的速度通過每個容器底部的100ml MYEB進行鼓泡。另一個管裝載通過另一個濾器排出的空氣，將其釋放。將生物反應器接種1.0ml孢子懸液(如上所述為產(chǎn)黃青霉和黑曲霉)，并在28℃下孵育。每天取1.0ml樣品，如上文納米顆粒膜生物反應器中所述進行分析。對于鼓泡式生物反應器中的產(chǎn)黃青霉，當青霉素濃度下降時該批次結束。
表1各種生物反應器中培養(yǎng)的產(chǎn)黃青霉的代謝參數(shù)

Yp青霉素產(chǎn)量(μg/ml)Yp/sYp除以消耗的碳水化合物(μg/mg)Rp青霉素生成速率(μg/mlh)Lag 加入新的培養(yǎng)基直至開始生成青霉素所經(jīng)過的時間(h)[COH]pen青霉素開始生成時碳水化合物的濃度NMB 納米顆粒-膜生物反應器SB鼓泡式生物反應器*現(xiàn)有技術數(shù)據(jù)表2 NMB和鼓泡式生物反應器(SB)中培養(yǎng)的黑曲霉的代謝參數(shù)


TD去除碳水化合物的90％遞減時間(decimal reduction time)Rs碳水化合物的消耗速率(mg/mlh)SB 鼓泡式生物反應器比較圖6和圖7，說明本發(fā)明的生物反應器在需要再生之前能夠進行更多的生產(chǎn)周期，在每個周期中，碳水化合物消耗速率和青霉素產(chǎn)量均大于對應的鼓泡式生物反應器。比較圖8和圖9，同樣說明在根據(jù)本發(fā)明的生物反應器中，對于黑曲霉，碳水化合物消耗速率遠遠大于對應的鼓泡生物反應器，且生物反應器能夠重復多個周期，而沒有觀察到性能下降。
實施例2材料試驗不同材料用機織玻璃纖維(如實施例1中所述)、棉(calico)、聚酯和聚酯-棉混紡(70/30)制成四個袋子(90×80mm)。材料的纖維密度為機織玻璃材料20股/cm；棉(calico)20股/cm；聚酯26股/cm；和聚酯-棉(70/30)24股/cm。袋子在1.0M KOH中在20℃下沖洗15min，漂洗，并烘干。向40mlγ射線滅菌的膠體二氧化硅(如實施例1中所述)中加入0.2ml通用指示劑。加入大約0.6ml 4M HCl，將pH調(diào)節(jié)至6。然后在膠體二氧化硅中摻入含7×107cfu/ml的1.0ml產(chǎn)黃青霉孢子懸液。懸液浸入至每個袋子中至飽和。較精細的纖維織物更容易飽和，并形成更精細的膜。將袋子老化過夜，然后向每個袋子中加入80ml MYEB(如實施例1中所述)。每天取1.0ml樣品進行碳水化合物、青霉素和pH分析。4天后，去掉MYEB，將生物反應器在無菌0.85％鹽水中沖洗1小時，然后用新鮮MYEB更換，并再次孵育。
四個不同袋子的結果顯示于圖10至13，并表明四個袋子的碳水化合物消耗速率相當，使用所有四個袋子，在隨后批次中的青霉素產(chǎn)量均有提高。其原因可能是膜上生物層的生長。從圖10至13中的數(shù)據(jù)似乎表明聚酯袋產(chǎn)生青霉素的水平低于其它袋子。
不同的凝膠將三個玻璃袋和一個棉袋(90×80mm)在KOH中沖洗，漂洗并烘干。棉袋(NMB1)不加入凝膠，而將其涂以含7×106cfu/ml的0.1ml黑曲霉孢子懸液。在T0時，向袋子中僅加入5.0ml MYEB。每天加入10ml MYEB。三天后用80ml新鮮MYEB更換MYEB，裝上回流管，組裝在振動泵中，將溢流注滿。幾乎立即不透水，表明生物量可以作為生物反應器中的膜發(fā)揮作用，而不需要單獨的納米孔凝膠。玻璃袋摻入瓊脂-瓊脂(NMB2)、海藻酸鈣(NMB3)和膠體二氧化硅(NMB4)。
將10ml 1.5％熱瓊脂溶液浸入玻璃袋，在20℃下冷卻，進行凝膠化。袋子涂以含7×106cfu/ml的0.1ml黑曲霉孢子懸液，并注入80mlMYEB，并在28℃下孵育。
第二個玻璃袋子摻入海藻酸鈣。使用通用指示劑和0.2μm過濾的1M NaOH溶液，將5.0ml 4％海藻酸調(diào)節(jié)至pH6。將溶膠浸入到玻璃袋子中，并在4％CaCl2·H2O溶液中使海藻酸鹽凝膠化。將袋子涂以0.1ml黑曲霉孢子懸液，并加入80ml MYEB。
第三個玻璃袋子摻入含0.1ml黑曲霉孢子懸液的膠體二氧化硅，老化過夜，然后加入80ml MYEB。
所有袋子均在28℃下孵育。4天后更換所有袋子中的MYEB。
結果顯示于圖14。這些結果表明，不同凝膠的表現(xiàn)非常相似。在第一批后即使沒有凝膠的袋子的碳水化合物消耗速率與有凝膠的袋子也是相當?shù)摹?br> 納米顆粒膜生物反應器中培養(yǎng)的黑曲霉的元素攝取從凝膠試驗(上面)中有硅膠支撐在玻璃支撐物中的納米顆粒膜生物反應器中，取3.0ml樣品，使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-AES)進行元素分析。在用3.0ml硝酸處理的樣品上使用具AIM自動采樣器的Varian Vista ICP-AES進行ICP-AES。在每批開始和結束時，也取50ml樣品進行CNS(碳/氮/硫)分析。對50ml肉湯樣品進行CNS分析，將樣品烘干，在Leco CNS-2000中進行分析。一個批次(3天)之后，從生物反應器中去除被消耗的肉湯。將40ml 1％CuSO4溶液加入到NMB1中，將79.2ml MYEB和0.8ml金屬溶液(含0.1％CuSO4；0.2％ZnSO4.7H2O；0.2％MnSO4.H2O；0.2％NiCl2，并以PbCl2飽和，pH4.00)加入到NMB2和NMB3中，將80ml金屬溶液加入到NMB4中。
結果顯示于圖15。這些結果表明，碳水化合物的消耗與溶液中鉀、磷、鈣和鎂的損失在很大程度上平行。盡管鋅的初始水平非常低，但是其濃度在相當?shù)臅r間內(nèi)也是下降的，硫濃度在相當?shù)臅r間內(nèi)也是下降的，盡管硫的水平不象其它的分析物下降那樣大。對具有支撐在玻璃支撐物中的硅膠的生物反應器上生長的黑曲霉的第二批培養(yǎng)物進行CNS分析，在23個小時中，總碳消耗了77％，總氮消耗了61％，總硫消耗了65％。
實施例3連續(xù)流動式納米顆粒膜生物反應器微型連續(xù)流動式納米顆粒膜生物反應器由不銹鋼儲存容器(80×30×25mm)和安裝在儲存容器中的不銹鋼支架組成，該儲存容易通過上側面中的狹縫延伸100mm。由摻有黑曲霉的膠體二氧化硅和機織玻璃纖維網(wǎng)組成的一對膜在邊緣處結合，將其圍繞支架組裝。兩根軟管裝在頂部，使得它們引流至該對膜形成的薄腔中。該對膜的底部引流至儲存容器頂部的狹縫中，兩根軟管的另一端經(jīng)上部側面上的兩個孔插入儲存容器中。軟管組裝在振動泵中，儲存容器和支架收納在蓋有鋁箔蓋的1000ml燒杯中。將NMB注入60ml MYEB，并在28℃下孵育。每天取1.0ml樣品進行碳水化合物和pH分析，4天后更換MYEB。結果顯示于圖16。數(shù)據(jù)說明，連續(xù)流動式反應器第一批提供的碳水化合物消耗速率比間歇式反應器慢，但隨后的批次與間歇式反應器相當。連續(xù)流動式系統(tǒng)中生物層的建立似乎較慢，但是一旦建立，其性能與靜態(tài)間歇系統(tǒng)一樣好。
玻璃纖維網(wǎng)的制備通過兩種方式對機織玻璃袋子進行打底以備粘附硅膠用無羥基基團(見下)進行水-等離子體蝕刻；和在20℃下1M氫氧化鉀(KOH)浴中浸泡15分鐘。在以13.56mH RM工作的40W RF-等離子體發(fā)生器中，將袋子在約為5.0×10-2毫巴的水等離子體中蝕刻6.0分鐘，將其表面羥基化，使其可濕潤。該技術用于實施例1，在KOH溶液中浸泡的方法用于實施例2和3。還可以預計，可以使用烘箱從玻璃網(wǎng)中燒去疏水涂料，使表面可濕潤。還可以預計，可以在水蒸氣的存在下使用UV照射使玻璃材料可濕潤。玻璃纖維網(wǎng)還可以用濃硝酸處理大約1小時，以除去涂料。
實施例4廢水處理為了模擬從廢水流中回收化學物質(zhì)，黑曲霉在8袋型NMB中在30℃下生長，麥芽肉浸液(30.0g/L)作為模擬的廢水。每天，將整個NMB進行灼燒失量分析，以確定生物量負荷。液體肉湯在11℃下脫水，確定溶解固體的量，相同溶液的樣品通過ICP-AES和CNS進行分析，確定模擬廢水中不同元素的量。結果顯示于圖17和18。
實施例5生物浸礦和生物轉化在搖瓶(110ml培養(yǎng)基，100r.p.m.)和袋型NMB(125cm2，含100ml肉湯)內(nèi)，將嗜酸氧化亞鐵硫桿菌在含3.8和23.0g/L FeSO4.7H2O形式的Fe2+的培養(yǎng)基DSMZ#670中在30℃下培養(yǎng)。每批次完成后(3-4天)，從NMB中將溶液引流出來，更換100ml新鮮培養(yǎng)基，從搖瓶培養(yǎng)中將溶液引流出來，更換100ml新鮮培養(yǎng)基，并用來自前一批次的10ml接種。分析培養(yǎng)物中的Fe3+濃度。結果顯示于圖19，該圖顯示了Fe3+對時間的曲線圖。
實施例6哺乳動物組織培養(yǎng)將小鼠乳腺癌細胞系MAT和B16以及倉鼠成纖維細胞系V79在RPMI 1640培養(yǎng)基中培養(yǎng)，每升培養(yǎng)基含100ml胎牛血清、0.292g L-谷氨酰胺、63mg青霉素和100mg鏈霉素。細胞在含5.0％CO2的濕潤氣體中在37.0℃下培養(yǎng)。細胞培養(yǎng)在袋型NMB和含10ml培養(yǎng)基的24cm2組織培養(yǎng)瓶中，所述NMB由摻有硅膠的機織玻璃材料組成，它含有50ml培養(yǎng)基，并具有72cm2培養(yǎng)的膜。細胞用胰蛋白酶EDTA溶液消化回收，用臺盼藍(rypan blue)染色，在血細胞計數(shù)儀中計數(shù)。在NMB外表面上不適合所有被檢測的細胞系的生長(表3)，其原因可能是脫水、有毒氧物種、或二者皆有。也可能是由于二氧化硅的親水性太強，有報道稱哺乳動物組織僅可生長在甲基化(疏水性)硅膠上。
表3.NMB中和其上以及組織培養(yǎng)瓶中的哺乳動物組織培養(yǎng)

NMB納米顆粒膜生物反應器；*NMB懸掛在燒杯中，液體培養(yǎng)基漏入燒杯，經(jīng)振動泵返回至小袋；TCF組織培養(yǎng)瓶。
權利要求
1.一種包括由支撐物增強的凝膠的膜，所述的膜具有相對的表面，所述表面之間有一定厚度，因而凝膠在所述的相對表面之間移動，使營養(yǎng)物溶液通過膜擴散。
2.根據(jù)權利要求1所述的膜，其中所述的營養(yǎng)物溶液的擴散在不施加外部壓力的情況下發(fā)生。
3.根據(jù)權利要求1所述的膜，其中所述的相對表面其中之一包括氣體面，另一表面包括營養(yǎng)面。
4.一種包括由支撐物增強的凝膠的膜，所述的膜具有營養(yǎng)面、氣體面，在所述面之間有一定厚度，所述的膜在選自下列的位置上固定有生物層氣體面上和靠近氣體面的膜中，因而凝膠在營養(yǎng)面和生物層之間移動，使營養(yǎng)物溶液通過營養(yǎng)面擴散至生物層。
5.根據(jù)權利要求4所述的膜，其中所述的生物層包括選自下列的生物物質(zhì)細菌、真菌、動物細胞、哺乳動物細胞、植物細胞、原生動物、其它生物物質(zhì)、原核細胞和真核細胞。
6.一種生物反應器，其包括膜支撐結構；和在膜支撐結構上支撐的膜，所述的膜具有營養(yǎng)面、氣體面，在所述的面之間有一定厚度，所述的膜在選自下列的位置上固定有生物層氣體面上和靠近氣體面的膜中；其中所述的膜使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至被固定的生物層，其中所述的營養(yǎng)物溶液在使用時基本上是缺氧的。
7.一種生物反應器，其包括膜支撐結構；和在膜支撐結構上支撐的根據(jù)權利要求4所述的膜。
8.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器，其中所述的膜被豎直支撐。
10.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器，其中所述的膜支撐結構以如下構造支撐膜其中膜的一部分與膜的另一部分平行，在兩個部分之間形成內(nèi)部區(qū)域。
11.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器，其中所述的膜支撐結構支撐多于一張的膜，所述的膜成對排列，使每對膜安置成每對兩張膜之間形成內(nèi)部區(qū)域。
12.根據(jù)權利要求11所述的生物反應器，其具有一個或多個隔板，以保持兩個部分之間或膜之間的距離。
13.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器，其具有使營養(yǎng)物溶液進入膜營養(yǎng)面的進口、使營養(yǎng)物溶液從膜營養(yǎng)面排出的出口、和將營養(yǎng)物溶液從出口再循環(huán)至進口的再循環(huán)系統(tǒng)。
14.根據(jù)權利要求13所述的生物反應器，其中所述的再循環(huán)系統(tǒng)能夠防止氧進入液體。
15.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器，其還包括將氧從營養(yǎng)物溶液中去除的除氧器。
16.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器，其具有從膜中去除固體物質(zhì)的裝置。
17.一種在其氣體面上固定有生物層的膜的制造方法，該方法包括下列步驟在遠離膜的營養(yǎng)面的膜上固定生物物質(zhì)，所述的膜能夠使營養(yǎng)物溶液從營養(yǎng)面擴散至生物物質(zhì)；和為膜的營養(yǎng)面提供營養(yǎng)物溶液，使膜的氣體面在以下條件下與氣體接觸生物物質(zhì)在氣體面上形成被固定的生物層；其中所述的膜是能透過的，使得一旦形成被固定的生物層就能使細胞從其中被去除。
18.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述的氣體包含氧。
19.根據(jù)權利要求17或18所述的方法，其中所述的營養(yǎng)物溶液基本上是缺氧的。
20.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述的膜選自納米孔膜，中孔膜，微孔膜，和具有納米尺度、中尺度、微尺度的孔中的一種或多種的組合的膜。
21.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述的膜是根據(jù)權利要求1所述的膜。
22.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述的固定步驟包括使膜與多種細胞或孢子接觸，使多種細胞或孢子中的至少一些附著于其上。
23.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中提供營養(yǎng)物溶液的步驟包括將氧從營養(yǎng)物溶液中除去。
24.根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述的固定步驟包括下列步驟將前體液體灌注進支撐物材料中，所述的前體液體能夠產(chǎn)生納米孔固體或凝膠；和在支撐物材料上和/或支撐物材料中產(chǎn)生納米孔固體或凝膠，形成膜。
25.根據(jù)權利要求24所述的方法，其中所述的前體液體包括多種細胞或孢子，因而產(chǎn)生納米孔固體或凝膠的過程使至少一些的細胞或孢子固定在膜內(nèi)。
26.根據(jù)權利要求25所述的方法，其額外包括以下步驟在灌注步驟之前，使支撐物材料與堿性水溶液或水等離子體接觸。
27.根據(jù)權利要求25所述的方法，其中所述的前體液體包括膠體二氧化硅，所述的產(chǎn)生納米孔固體或凝膠的步驟包括改變支撐物中灌注的前體液體的pH。
28.根據(jù)權利要求6所述的生物反應器的操作方法，其包括將膜的營養(yǎng)面與營養(yǎng)物溶液接觸，將生物層與氣體接觸，和使營養(yǎng)物溶液從膜的營養(yǎng)面擴散至生物層。
29.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中使營養(yǎng)物溶液擴散的步驟在不施加外部壓力的情況下進行。
30.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中所述的氣體含有氧。
31.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中所述的營養(yǎng)物溶液基本上是缺氧的。
32.根據(jù)權利要求28所述的方法，其中選擇生物層以及營養(yǎng)物溶液組分的目的選自制造藥物、制造抗體、制造疫苗成分、制造食物原料、制造細胞、制造酶、和使營養(yǎng)物溶液中的成分去除、降解或轉化。
33.根據(jù)權利要求28所述的方法，其還包括從營養(yǎng)物溶液中去除氧的步驟。
34.根據(jù)權利要求28所述的方法，其額外包括分離生物反應器產(chǎn)物的步驟。
35.根據(jù)權利要求34所述的方法，其中所述的分離步驟包括從營養(yǎng)物溶液中分離產(chǎn)物。
36.根據(jù)權利要求34所述的方法，其中所述的分離步驟包括從氣體面收取固體物質(zhì)。
37.根據(jù)權利要求28所述的方法，其額外包括將第二種液體導入膜的營養(yǎng)面，將膜與第二種液體接觸第二段時間，和從第二種液體中分離產(chǎn)物。
全文摘要
本發(fā)明提供包括由支撐物支撐的凝膠的膜。該膜具有相對的表面，所述的表面之間具有一定厚度。凝膠可以在相對的表面之間移動，并使營養(yǎng)物溶液通過膜擴散。本發(fā)明還提供一種生物反應器，其包括膜支撐結構、和支撐在膜支撐結構上的根據(jù)本發(fā)明的膜。
文檔編號C12M1/12GK1989236SQ200580020449
公開日2007年6月27日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權日2004年5月18日
發(fā)明者A·P·A·泰勒, K·S·芬尼, J·巴特利特, P·J·霍爾登 申請人:澳大利亞核科學技術組織