CN101921701B - 生产微生物纤维素体的生物反应器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种用于生产微生物纤维素体的生物反应器及方法。包含于一容器内准备一微生物培养液态媒体；将彼此间隔地套合的或分开的多根中空管水平旋转，以使得该多根中空管的每一根的每一部份轮流的浸入于被盛装于该液态媒体及曝露于该液态媒体的水平面上，其中该多根中空管的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面，于是微生物在该多根中空管的每一根的外表面上形成微生物纤维素体及在该容器内未为该多根中空管所扰动的液态媒体水平面部份形成片状微生物纤维素体；及从该多根中空管的每一根的外表面上移除该微生物纤维素体，而获得管状微生物纤维素体。此外，亦从该液态媒体收获该片状微生物纤维素体。

Description

生产微生物纤维素体的生物反应器及方法
技术领域
本发明关于一种用于生产微生物纤维素体的生物反应器及方法，尤其有关一种可同时生产管状微生物纤维素体及片状微生物纤维素体的生物反应器及方法。
背景技术
某些细菌尤其是醋菌属(Acetobacter)可以被培养以生产细菌纤维素。在氧气及糖的存在下醋菌属(Acetobacter)细胞间(extracellularly)地合成纤维素，其以纤维形式附着在细胞上。培养于静止的培养液中的细胞所生产的纤维互相交缠而形成一亲水性网状物，称之为膜(pellicle)。膜(pellicle)形成在静止及未受打扰的培养液的空气/培养液体的接口。微生物纤维素膜在除去细胞后具有多种用途例如伤口敷料、造纸、化妆保养品及音响振动膜等。
传统上利用静置培养的方式来进行细菌纤维素膜的生产，但是静置培养需要耗费大量的人力和时间成本。美国专利US 6,071,727揭示一种转盘生物反应器以用于生产一种膜状微生物纤维素(Pellicular microbial cellulose)，该反应器包含一容器，其底部盛装有一微生物培养液态媒体；一转轴；被安装于该转轴的多片平行的圆盘，其中每一圆盘的一外缘部份被浸于该液态媒体的水平面下，及该圆盘具有合适的网目以允许微生物附着于其上并生产细胞间(extracellular)微生物纤维素；及一连结于该转轴以驱动该多片圆盘的旋转装置，于是当该旋转装置被激活时，该圆盘的外缘部份被轮流地浸于该液态媒体的水平面下。
在某些特殊用途例如人造血管，管状微生物纤维素膜被生产。WO2007/093445A1揭示一种中空模具，包括两根玻璃半管(half-tubes)；一玻璃圆柱；及两O形环，其中该两根玻璃半管间隔着该两O形环将该玻璃圆柱夹住以在它们中间形成一环形空间，且在该两根玻璃半管之间形成一上狭缝及一下狭缝，该上狭缝、下狭缝及环形空间彼此流体相通。该下狭缝被接触生长于一微生物培养液态媒体的水平面上的微生物纤维素膜，于是该微生物纤维素膜从该下狭缝开始生长并进入该环形空间直到该上狭缝，于是形成一管状微生物纤维素膜。WO 2007/093445A1的实施例1显示微生物培养液态媒体的水平面上的微生物纤维素膜的成长需要7天，另需要2-3星期才能生成管状微生物纤维素膜(内径3mm，外径4.5mm)。
美国专利US 5,246,854揭示一种附着生长生物反应器，包括一水平安装的坚固圆柱体，其具有一足够粗糙的外表面以允许纤维性菌(filamentous fungi)附着于其上并生长，该圆柱体可绕其一长轴心旋转；一位于该圆柱体下方的槽，其含有一培养媒体并且该圆柱体的至少一部份被浸于其中；一水平安装并且平行于该圆柱体的刮刀，该刮刀可被带接触该圆柱体以刮除该圆柱体表面上的物质；及连接于该圆柱体以驱动其旋转的旋转装置。此生物反应器可连续地生产纤维性菌，但其圆柱体不适于生产管状微生物纤维素膜。
以上所介绍的专利内容将由参考方式被并入本案说明书。
虽然以上所介绍的专利中已有方法及模具用于生产管状微生物纤维素膜，但其生产效率及所使用的模具都可以被进一步改善。尤其，当管状微生物纤维素膜的尺寸越大时，例如应用作为食物肠衣(特别是素食肠衣，因为微生物纤维素亦属于素食的一种)，已知方法的生产效率及模具均不能满足业界的需求。
发明内容
本发明的一主要目的在于提供一种新颖的模具以生产管状微生物纤维素膜。
本发明的另一目的在于提供一种管状微生物纤维素膜的生产方法。
本发明的另一目的在于提供一种同时生产不同管径大小的管状微生物纤维素膜的模具。
本发明的另一目的在于提供一种同时生产不同管径大小的管状微生物纤维素膜的方法。
本发明的又一目的在于提供一种同时生产管状微生物纤维素膜及片状微生物纤维素膜的方法。
本发明的生产微生物纤维素体的生物反应器，该微生物纤维素体包含管状微生物纤维素体，该反应器包含：
一容器，其用于盛装一微生物培养液态媒体；及
一水平模具组，其具有彼此间隔地套合的或分开的多根中空管，该水平模具组被水平旋转地安装在该容器，使得该多根中空管的每一根的每一部份轮流的浸入于被盛装于该容器内的液态媒体及曝露于该液态媒体的水平面上。
所述的多根中空管的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面；优选该多根中空管为2-5根的圆形管。
所述的粗糙的外表面具有一规则的纹路(texture)。
所述的多根中空管为彼此间隔地套合的，且最内一根具有1-5公分的直径，且每相邻两根中空管的间距为0.5-2公分。
所述的水平模具组进一步具有位于该套合的多根中空管的两末端的一对间隔体，该对间隔体将该套合的多根中空管彼此间隔地加予固定；及从该对间隔体远离该套合的多根中空管的向水平伸出的一对转轴，其中该对转轴具有一相同的水平旋转轴心，并且该对转轴被可旋转地承接于该容器，于是该套合的多根中空管可以绕着该水平旋转轴心在该容器内旋转。
所述的对间隔体的每一个具有十字形截面，该十字形截面的一端具有多组等距绕着该十字形中心点设置的4个承接缝，每一组4个承接缝承接该套合的多根中空管的一根的一末端；及该十字形截面的另一端的十字形中心点被设有该转轴。
所述的对间隔体的每一个具有Y字形截面，该Y字形截面的一端具有多组等距绕着该Y字形中心点设置的3个承接缝，每一组3个承接缝承接该套合的多根中空管的一根的一末端；及该Y字形截面的另一端的十字形中心点被设有该转轴。
所述的多根中空管为彼此分开的。
所述的彼此分开的多根中空管的每一根具有2-20公分的直径。
本发明的生产微生物纤维素体的方法，包含于一容器内准备一微生物培养液态媒体，其内含有生产纤维素的微生物；将彼此间隔地套合的或分开的多根中空管水平旋转，以使得该多根中空管的每一根的每一部份轮流的浸入于该液态媒体及曝露于该液态媒体的水平面上，于是该微生物在该多根中空管的每一根的外表面上形成微生物纤维素体及在该容器内未为该多根中空管所扰动的液态媒体水平面部份形成片状微生物纤维素体；及从该多根中空管的每一根的外表面上移除该微生物纤维素体，而获得管状微生物纤维素体，其中该多根中空管的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面。
所述的微生物为木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)。
所述的粗糙的外表面具有一规则的纹路(texture)。
所述的多根中空管为2-5根的圆形管。
所述的多根中空管为彼此间隔地套合的，且最内一根具有1-5公分的直径，且每相邻两根中空管的间距为0.5-2公分。
所述的多根中空管为彼此分开的。
所述的彼此分开的多根中空管的每一根具有2-20公分的直径。
本发明的方法进一步包含从该容器内的液态媒体取出该片状微生物纤维素体。
依本发明的较佳具体实施例之一所完成的三根中空管套合的水平模具组10被示于图1及图2。该水平模具组10包含三根中空管11，12，及13，其直径分别为30mm，40mm，及50mm，其管壁均为1.0mm；及一对间隔体20。每一个间隔体20具有一个十字形截面21及一支转轴22。该十字形截面的一端具有3组间隔5mm绕着该十字形中心点设置的4个承接缝23，第一组4个承接缝距该十字形中心点15mm，其用于承接第一根中空管11(直径30mm)的一末端；第二组4个承接缝距该十字形中心点20mm，其用于承接第二根中空管12(直径40mm)的一末端；及第三组4个承接缝距该十字形中心点25mm，其用于承接第三根中空管13(直径50mm)的一末端。当将该三根中空管11，12，及13的一端被如上述般此间隔5mm的承接于第一个间隔体20的3组承接缝23后，重复相同的步骤将该三根中空管11，12，及13的另一端以第二个间隔体20彼此间隔5mm地加予固定。如此组合后即可得到具有水平伸出的一对转轴22(该对转轴具有一相同的水平旋转轴心)，及彼此间隔地套合的3根中空管11，12，及13的水平模具组10。
该三根中空管11，12，及13的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面。较佳的，该粗糙的外表面具有一规则的纹路14(texture)以利于微生物附着于该外表面上并且均匀地在其上生长。
很显然的，图1及图2的水平模具组10亦可以使用图3所示的具有Y字形截面21A的间隔体20A来完成组装。该间隔体20A与图1及图2所示的间隔体20，除了前者具有Y字形截面21A而后者具有十字形截面21外，具有相同的转轴22及承接缝23。
图2除了示出该水平模具组10外，亦示出一盛装有一微生物培养液态媒体40的容器30。该水平模具组10及容器30为构成本发明的一种生产微生物纤维素体的生物反应器的主要组件，其中该容器30的一对侧边的上缘被设有一对半圆形凹陷31，以承接该水平模具组10的该对转轴22，于是该水平模具组10被水平旋转地安装在该容器30，使得该三根中空管11-13的每一根的每一部份轮流的浸入于被盛装于该容器内的液态媒体40及曝露于该液态媒体的水平面上。该对转轴22中的一支其末端被进一步有一狭缝24，该狭缝24可啮合设于一传动轴上的一字形对应凸钮(未示于图中)，于是该传动轴被一马达所驱动旋转时，图2中的水平模具组10即水平地转动。
本发明的生物反应器可以有其它的变化，例如图1及图2中的一组水平模具组10可以被增加为两组及/或该水平模具组10的三根中空管可以被减少或增加一根或两根。
图4示出依本发明的另一较佳具体实施例所完成的生物反应器，其中除了使用二根平行分开的管径50mm的中空管外均相同于图2所示的生物反应器，其中类似于图2的组件以类似标号表示。
本发明的生物反应器可进一步设置一盖子盖于该容器30上，以降低空气中落下的杂菌污染液态媒体40的机会，此时该容器30的外围容器壁的高度必须被增加至高于该水平模具组10的突出，以盖上该盖子。选择性地，本发明的生物反应器可置于一杂菌污染的环境中进行微生物培养。
一适合用于本发明的微生物纤维素体生产方法的微生物为木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)。
本发明的生产微生物纤维素体的方法包含使用前述本发明的生物反应器依已知技艺(例如本案说明书背景技术所介绍的专利)的条件进行微生物的培养，于是该微生物在该多根中空管11-13的每一根的外表面上形成管状微生物纤维素体及在该容器30内未为该多根中空管所扰动的液态媒体水平面部份形成片状微生物纤维素体。从该容器移出该水平模具组10，并且拆卸该水平模具组10。在分开该多根中空管11-13时，因其外表面为粗糙面而内表面为光滑面，所以微生物所形成的微生物纤维素体附着在该粗糙面，于是该多根中空管很容易被分离而得到外表面上具有一层微生物纤维素体的多根中空管，而不会有最外面的第三根中空管13的内表面与中间的第二根中空管12的外表面的细菌纤维素体黏附，而造成它们分离不易及该细菌纤维素体的构造被破坏的情形。接着从该中空管的外表面剥离该层微生物纤维素体，去除其上的微生物，即可得到一管状微生物纤维素体产品。选择性的，该管状微生物纤维素体可进一步被烘干及复水。在从容器30移出该水平模具组10后，本发明方法进一步包含从该容器内的液态媒体40取出片状微生物纤维素体，去除其上的微生物，即可得到一片状微生物纤维素体产品。选择性的，该片状微生物纤维素体可进一步被烘干及复水
本发明的生物反应器不只能形成不同管径大小的管状微生物纤维素体，更可缩短培养时间，增进单位时间/空间生物纤维素体的产量。
本发明的生物反应器不只能用于产菌丝的微生物，例如真菌或放线菌，或者特定产固态产物的微生物，对于厌氧培养的微生物可给予培养基扰动均匀混合的效果，而提升培养基的利用效率。
本发明的生物反应器除了用于食物包装膜(肠衣)的生产，也可进一步利用在管生医材料的生产。
本发明具有可生长大管径的管状微生物纤维素膜及生产效率高的优点。本发明的另一优点包括可同时生产不同管径大小的管状微生物纤维素膜。本发明的又一优点包括在生产管状微生物纤维素膜的同时亦生产片状微生物纤维素膜。
附图说明
图1为依本发明的一较佳具体实施例所完成的三根中空管套合的水平模具组的示意透视图。
图2为依本发明的一较佳具体实施例所完成的生物反应器的示意侧视图，其中容器30为透明。
图3为依本发明的另一较佳具体实施例所完成的间隔体的示意侧视图。
图4为依本发明的另一较佳具体实施例所完成的生物反应器的示意侧视图，其中容器30为透明。
附图标记
10.水平模具组      11、12、13.中空管        14.纹路
20、20A.间隔体     21.十字形截面            21A.Y字形截面
22.转轴            23.承接缝                24.狭缝
30.容器            31.半圆形凹陷            40.液态媒体
本发明将由下列实施例被进一步了解，其等仅作为说明之用，而非用于限制本发明范围。
具体实施方式
实施例1：单组三根套合的中空管
本实施例使用图1及图2所示的生物反应器，其中容器30具有长33cm×宽23cm×高4cm的尺寸，该三根中空管11-13的长度为30cm。一马达传动地驱动该转轴22转动，其速度为10rpm，亦即水平模具组10以10rpm的速度水平地转动。
该生物反应器被置于一无杂菌污染的环境进行微生物培养，其中该容器30内微生物培养液态媒体40的高度为35mm，培养温度为30℃。该培养液态媒体40为预先制备的前置振荡培养液。该前置振荡培养液是以含下表所列成分及菌体浓度5％的液态媒体于无杂菌污染状态下以120rpm及于30℃环境下培养两天所得到的充满木葡糖酸醋杆菌(Gluconacetobacter xylinus)的液态媒体。
 蔗糖(Sucrose)   5％
 酵母萃取物(Yeast extract)   0.5％
 (NH4)2SO4   0.5％
 KH2PO4   0.3％
 MgSO4·7H2O   0.005％
培养条件是在室温及大气环境下进行七天。
本实施例在未扰动部份得到1.62g/L的片状细菌纤维素体，而水平模具组部份得到共1.425g/L的三条管状细菌纤维素体，总产量为3.045g/L。
实施例2：单组二根套合的中空管
本实施例重复实施例1的步骤及所使用的生物反应器，除了该三根中空管的第二根中空管(管径40mm)不使用外。
本实施例在未扰动部份得到1.745g/L的片状细菌纤维素体，而水平模具组部份得到共1.815g/L的二条管状细菌纤维素体，总产量为3.56g/L。
实施例3：单根中空管
本实施例重复实施例1的步骤及所使用的生物反应器，除了该三根中空管的第一根中空管(管径30mm)及第二根中空管(管径40mm)不使用外。
本实施例在未扰动部份得到1.745g/L的片状细菌纤维素体，而水平模具组部份得到共0.77g/L的一条管状细菌纤维素体，总产量为2.515g/L。
实施例4：二根分开的中空管
本实施例重复实施例3的步骤及所使用的生物反应器，除了使用二根平行分开的管径50mm的中空管外。该二根平行分开的中空管的最近距离为65mm。
本实施例在未扰动部份得到2.15g/L的片状细菌纤维素体，而水平模具组部份得到共2.255g/L的二条管状细菌纤维素体，总产量为4.405g/L。
g/L   三根套合中空管(50mm+40mm+30mm)   二根套合中空管(50mm+30mm)   单根中空管(50mm)   二根分开中空管(2×50mm)
  管状   1.425   1.815   0.77   2.255
  片状   1.62   1.745   1.745   2.15
  总量   3.045   3.56   2.515   4.405
上表列出了实施例1-4的产量，表中的结果显示二根分开的单根中空管具有最高的产量。发明人认为可能的原因是二根分开的单根中空管具有较好的扰动效果，使得容器中的微生物培养液态媒体更均匀，及其利用效率更高。令人出乎意料的实施例4(二根分开中空管)的管状细菌纤维素体的单位产量是实施例3(单根中空管)的管状细菌纤维素体的单位产量的3倍左右，而不是预测的2倍左右。

Claims (17)

1.一种生产微生物纤维素体的生物反应器，该微生物纤维素体包含管状微生物纤维素体，该反应器包含：
一容器，其用于盛装一微生物培养液态媒体；及
一水平模具组，其具有彼此间隔地套合的或分开的多根中空管，该水平模具组被水平旋转地安装在该容器，使得该多根中空管的每一根的每一部份轮流的浸入于被盛装于该容器内的液态媒体及曝露于该液态媒体的水平面上；
所述的多根中空管的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面。
2.如权利要求1所述的生物反应器，其中该粗糙的外表面具有一规则的纹路。
3.如权利要求2所述的生物反应器，其中该多根中空管为2-5根的圆形管。
4.如权利要求3所述的生物反应器，其中该多根中空管为彼此间隔地套合的，且最内一根具有1-5厘米的直径，且每相邻两根中空管的间距为0.5-2厘米。
5.如权利要求4所述的生物反应器，其中该水平模具组进一步具有位于该套合的多根中空管的两末端的一对间隔体，该对间隔体将该套合的多根中空管彼此间隔地加予固定；及从该对间隔体远离该套合的多根中空管的向水平伸出的一对转轴，其中该对转轴具有一相同的水平旋转轴心，并且该对转轴被可旋转地承接于该容器，于是该套合的多根中空管可以绕着该水平旋转轴心在该容器内旋转。
6.如权利要求5所述的生物反应器，其中该对间隔体的每一个具有十字形截面，该十字形截面的一端具有多组等距绕着该十字形中心点设置的4个承接缝，每一组4个承接缝承接该套合的多根中空管的一根的一末端；及该十字形截面的另一端的十字形中心点被设有该转轴。
7.如权利要求5所述的生物反应器，其中该对间隔体的每一个具有Y字形截面，该Y字形截面的一端具有多组等距绕着该Y字形中心点设置的3个承接缝，每一组3个承接缝承接该套合的多根中空管的一根的一末端；及该Y字形截面的另一端的十字形中心点被设有该转轴。
8.如权利要求2所述的生物反应器，其中该多根中空管为彼此分开的。
9.如权利要求8所述的生物反应器，其中该彼此分开的多根中空管的每一根具有2-20厘米的直径。
10.一种生产微生物纤维素体的方法，包含于一容器内准备一微生物培养液态媒体，其内含有生产纤维素的微生物；将彼此间隔地套合的或分开的多根中空管水平旋转，以使得该多根中空管的每一根的每一部份轮流的浸入于该液态媒体及曝露于该液态媒体的水平面上，于是该微生物在该多根中空管的每一根的外表面上形成微生物纤维素体及在该容器内未为该多根中空管所扰动的液态媒体水平面部份形成片状微生物纤维素体；及从该多根中空管的每一根的外表面上移除该微生物纤维素体，而获得管状微生物纤维素体，其中该多根中空管的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中该微生物为木葡糖酸醋杆菌。
12.如权利要求10所述的方法，其中该粗糙的外表面具有一规则的纹路。
13.如权利要求10所述的方法，其中该多根中空管为2-5根的圆形管。
14.如权利要求13所述的方法，其中该多根中空管为彼此间隔地套合的，且最内一根具有1-5厘米的直径，且每相邻两根中空管的间距为0.5-2厘米。
15.如权利要求10所述的方法，其中该多根中空管为彼此分开的。
16.如权利要求15所述的方法，其中该彼此分开的多根中空管的每一根具有2-20厘米的直径。
17.如权利要求10所述的方法，其进一步包含从该容器内的液态媒体取出该片状微生物纤维素体。
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