Промышленный твердофазный биореактор, промышленная твердофазная биореакторная система.

Промышленный твердофазный биореактор, промышленная твердофазная биореакторная система.

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 цилин