CN102239265B - 含纤维素材料的微生物生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种生产含纤维素材料(7)的方法。该方法使用纤维素生长有机体，通过培养液供养，生产含纤维素材料(7)。当提供具有薄膜(4)的容器(1)时，可获得具有一定统一结构和密度的纤维素材料，所述薄膜对于培养液具有通透性而对所述有机体充分不通透，其中，有机体在薄膜(4)具有气体环境的一侧生长，培养液则设置在薄膜的另一侧并可以透过薄膜(4)渗透到有机物一侧，为其提供营养。

Description

含纤维素材料的微生物生产方法

技术领域

本发明是关于含纤维素材料的生产方法和根据该方法生产的由纤维素制成的材料。之后，本发明关于一种生产由纤维素制成的材料的设备。

背景技术

从技术上讲，微生物状态的纤维素可以结成纤维素材料。例如，葡萄糖醋酸菌(旧名醋酸菌)通常在培养液和空气之间的界面可以生成蜂窝状的纯纤维素，这些长链的纤维素分子聚成带，即所谓的“彩带”，因其氢键和水所以呈现出高晶体结构。因此，这种纤维素也被称为微晶纤维素。因带与带相互缠绕，所以最后形成凝胶状以至软骨状的固体层。

可以证明，这些微晶纤维素菌在酸性动物组织中不会分解，并且未发现排异反应。在大鼠颈动脉植入微晶纤维素制成的中空管进行血管移植的实验已经获得令人满意的结果。实验证明，这种微晶纤维素形状稳定、具有生物相容性。

根据现在的技术，生成纤维素的菌种在水性培养基和空气的界面之间也可以形成。此时会在培养基表面形成一种漂浮的纤维素层(即所谓的“薄皮”)。在欧洲专利杂志的德文版(DE 60302346)，曾经建议将这种“薄皮”用作伤口敷料。由该纤维素的生产方法可知，反应的条件较往常发生了变化，因为培养基中的营养物被消耗，形成纤维素的细菌所产生的代谢物到达了培养基，这使得培养基的pH值发生了变化。另外，不同的反应条件还可影响所生成的纤维素的品质，使纤维素层的密度和结构不均匀。特别值得注意的是，纤维素层朝向空气一侧的固化程度有所增加。结构的变化也是很大的，可以观察到，个别层的形成(分层)因剪切力的影响以至松散。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，使得所生产的纤维素材料具有更加均匀的结构和密度。而且，本发明的目的还在于提供一种改良的由纤维素制成的材料。之后，本发明的目的还在于提供一种生产这类纤维素材料的改良设备。

为达到上述目的，本发明提供一种生产含纤维素材料的方法。其中，在薄膜的一侧为纤维素生长有机体提供一个含氧的环境，以便纤维素能在那里生成。有机体由薄膜另一侧充分提供的培养液供养。薄膜对于有机体和纤维素是充分不通透的，但对于培养液却具有通透性。由于薄膜具有这样的特性，培养液可以透过薄膜到达有机体一侧，为有机体提供营养。

本发明还提供一种生产一种或多种纤维素材料的设备，包括设有薄膜的容器，该薄膜对有机体和纤维素充分不通透，而对培养液具有通透性。

使用本发明的该方法和设备，生产出的纤维素材料其结构和密度都非常均匀。

在制造过程中，为保证有机体的反应条件和纤维素生长均匀，优选对培养液和(或)其气体环境进行更换或更新，特别应该注意的是纤维素生长处培养液的浓度和pH值。

培养液和(或)其气体环境的更换可采取控制的方法。可以安装具有感测系统的控制装置，例如测量pH值的传感器，和驱动器，例如可控阀门，来控制介质的流入和流出。除了pH值之外，当然也可用其它物理量作为控制参量。

培养液中优选不存在任何纤维素生长有机体。由于薄膜的半通透性能，在制造的过程中，没有纤维素生长有机体进入培养液之中。因此，在培养液中并不会形成“薄皮”，在管道的进出口也不会形成纤维素的沉积。

本发明可以用于，例如，生产一定三维形状的医用纤维素产品。特别是，本发明可以用于生产伤口敷料和具有一定结构的植入体，例如人工血管。

本发明还可用来生产医用之外的纤维素材料，例如扬声器用膜或电子用纸。对所有以上应用，利用本发明都可使纤维素材料达到极高的均匀性。

首选的是用一种亲水性材料，优选为经热处理的聚合物或无机非金属材料，优选陶瓷，来生产薄膜。薄膜材料优选有微孔，例如微孔膜或超滤膜。利用本发明，通过与培养液的接触可以实现微孔。在本发明中，培养液透过薄膜的输送是通过毛细管的张力实现的。薄膜优选用蒸汽消毒。

在本发明的一个特例中，薄膜只有部分是允许培养液透过的。因此，可以控制在薄膜的一个或多个区域生成纤维素材料。

在薄膜上可以加防护层(例如一个网)，以防止生成的纤维素将膜压坏。

根据本发明的第一实例，薄膜是平整且水平放置的。这种情况下，培养液装在容器内，大部分处于薄膜之下，且纤维素生长有机体处在该薄膜之上。由于薄膜具有半通透性能，所以培养液可以透过薄膜到达上方，为有机体提供营养。但有机体不能穿过薄膜到达培养液。薄膜优选是稍微浸在培养液中的，这样在薄膜上会有培养液薄层例如几个毫米厚的培养液薄层形成。原则上只要培养液能覆盖薄膜的表面就足够了。

根据本发明的第二实例，薄膜形成一中空模型的外围表面。该中空模型可为，例如拉长本体，如中空柱体，优选圆柱体。在该实例中，纤维素生长有机体优选置于中空模型的内部，培养液置于中空模型的外部。反过来设置也是可以的。培养液同样透过薄膜扩散并为内部的有机体提供营养。中空模型的内部只有部分空间被纤维素有机体占据。该内部的另一部分营造气体环境。

中空模型可以设置内模中心，比如设置于中心的柱。内模中心的形状可以如德国专利申请DE 102007006843和DE 102007006844中所述为非逆转式可变型。上述文件中与本发明相关的所有内容均应作为参考结合于本文中。该中空的纤维素材料可以至少部分地按照德国专利申请DE 102007016852中所述的方法进行生产。该文件与本发明相关的所有内容均应作为参考结合于本文中。薄膜亦可结合一中空模型的壁上，例如可以以薄膜为底基，模型分层设于其上(方法见DE 102007016852)。中空部分也可以分成多个内部区域，便于大量生产。优选地，所有内部区域充分相同。

中空模型的内部优选也要存在气体，特别是含氧气体，例如空气，以便为有机体的生长提供所需气体。

根据本发明的另一实例，通过薄膜来控制培养液的渗透。可以通过气体压力(特别是中空模型的水蒸汽分压和/或培养液的静水压)的变化来实现。这使得从培养液到纤维素生长有机体的渗透会非常均匀。通过控制所述中空模型在培养液中的浸入深度，可以调节薄膜上的静水压。

根据本发明的一特定实例，拉长的中空模型将被尽量深地浸入培养液中，以便薄膜的外侧充分接触到培养液。优选将整个中空模型都浸入培养液中。中空模型的内部优选具有超过常压的气体压力，以至于不会让培养液淹没内空间，而是只允许纤维素菌生长所需的培养液渗透进来。

根据本发明的另一实例，拉长的中空模型浸入培养液的深度使得任何时间均只有部分薄膜能接触到培养液。中空模型内部优选维持为通常气压。

中空模型优选采取水平放置。因此，纤维素生长方向与中空模型的纵轴方向充分垂直。

中空模型优选设计为可绕其纵轴旋转，用以平衡静压力差异以及重力使纤维素生长不均匀的现象。在生产纤维素的过程中，中空模型将以缓慢转动的方式被驱动。

在本发明一较佳实例中，中空模型内部设置了另一薄膜，该薄膜对有机物和纤维素是充分不通透的，但对于气体，特别是氧气，则是具有通透性的。该第二薄膜的优选材料为：PTFE、FEP、PFA、TFA、PFP、TTE、TPE-E、MVQ、MFQ、PEEK、PET、TBT、PVC、PMMA、PPS、醋酸纤维素、尼龙、橡胶(尤其是乳胶或天然橡胶)、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯或有机硅。该第二内部薄膜与所述第一外部薄膜一起构成了纤维素生长的中空空间。薄膜的轮廓决定了所生成的纤维素材料后来的形状。如果第二薄膜与第一薄膜同心排列，例如，所定义出的纤维素材料则为腔环状的。用这种方式则可以生产纤维素材料的人造血管。为避免污染，该中空空间优选是封闭的，特别是在生产医用纤维素材料时，这点尤为有益。

第二薄膜优选用蒸汽消毒。为保持更好的稳定性，其可为一固体主体的部分。

为了生产一定形状的纤维素材料，原则上依据本发明的任何设备中都可以使用这样的第二薄膜或薄膜主体。比如在水平放置的薄膜上，也可以安放第二薄膜，以与第一薄膜一起形成生长纤维素的一个或多个中空空间。

这两个薄膜优选至少在一处是粘合、焊接或用其它方法结合在一起的。两个薄膜之间形成的中空空间可以分成多个子空间。优选地，每个子空间都接种纤维素有机体。利用本发明的该实例，可以进行纤维素材料的大量生产。

纤维素材料的生产优选是在一个容器中进行，优选为槽形容器。该容器优选除了可选的、用以进行培养液和/或气体更换的开口之外，是封闭的。该容器优选具有基部和盖。

如果纤维素材料长到所希望的高度或充满了中空模型，则要将其与薄膜分开。然后将长成的纤维素材料用已知的方法清洗，例如DE 102006007412中所述的办法，该申请与本发明相关的所有内容均应作为参考结合于本文中。纤维素优选为微生物纤维素，尤其是微晶纤维素。纤维素生长有机体优选是细菌，特别是葡萄糖醋酸类的菌。可以预见，也可采用其它纤维素生长微生物，例如：农杆菌、根瘤菌、八叠球菌、假单胞菌、无色菌、产气杆菌和Cooglea的适合菌株。因为已经知道葡萄糖醋酸类菌的合成酶复合物的基因，所以利用已知的分子生物学方法，也可以由此来生成诸如大肠杆菌等其它微生物，藉此，这些有机体也亦可用作纤维素生长有机体。

培养纤维生长菌有各种不同的培养介质。Schramm和Hestrin在《生化杂志》1954年第58期(第345-352页)介绍了一种常用的合适的介质，该文章中有关该介质的所有内容将作为参考结合于本文中。该介质的缺点是含有酵母粉和蛋白胨，并且缺少详尽的定义。

对于本发明的实例，优选使用一种全合成介质，Forng等在《应用与环境微生物学》杂志1989年第55卷第5号(第1317-1319页)对其作了介绍，该文章中有关该介质的所有内容将作为参考结合于本文中。该介质的缺点是，菌的生长有些缓慢。

亦可知在本发明中使用所谓的红茶菌也是可以的。这种菌除含有葡萄糖醋酸类菌(Gluconacetobacter xylinus)之外，还含有许多其它诸如酵母菌和细菌的共生有机物，且其可以从红茶和蔗糖独自形成的介质中提取(100克/升)。

附图说明

本发明可以通过下面的附图和应用实施例来说明：

图1：是本发明第一实施例的工作原理示意图；

图2：是依照图1中的工作原理操作的本发明的实施例的透视图；

图3：是图2中的实施例的两个相同内室之一的示意图：(a)透视图，(b)俯视图，(c)第一侧视图，进出口方向与纸平面平行，(d)转过90°的侧视图，(e)内室剖视图，剖面与进出口等高；

图4：以与管长轴方向垂直的剖视图显示了本发明的一实施例，其中薄膜形成管状的内部空间；

图5：以与管长轴方向垂直的剖视图显示另一具有管状内部空间的实施例；

图6：显示本发明具有第一和第二薄膜的实施例，该两薄膜采用吸塑包装工艺相接。

具体实施方式

本发明第一实施例的工作原理在图1中作说明。容器1中包含了两个内室：盛放培养液(培养介质)的第一内室2和第二内室3，第二内室3中有纤维素生长有机体，例如葡萄糖醋酸菌类中的细菌。两内室之间由亲水性聚合薄膜4分隔。

第一内室2中装满了培养液，通过进液管5不断补充新培养液，通过出液管6排出旧培养液。通过这种方法使培养液的反应的条件(特别是组分和pH值)得到控制。在薄膜4上培养液可以透过的地方，培养液在毛细管张力的作用下透过薄膜4到达第二内室3，在那里给正在生长的纤维素材料7和细菌提供营养。该培养液的组成部分为：20克葡萄糖、5克酵母提取物、5克菌用胰蛋白胨、2.7克磷酸钠和1.15克一水柠檬酸、0.5克磷酸钠加1升水稀释，pH值为6.0。此外，第二内室3还有进气管8和排气管9，用以输入和排出含氧混合气体，以供应给纤维素生长有机体。

如图2所示，容器1中是一按照以上原理运行的设备。第一内室2和第二内室3是完全相同的两个带法兰盘10和11的一端封闭的玻璃柱体，法兰盘10和11具有磨面12和13。带硅胶垫片(图未示)的薄膜(图未示)则夹绷在磨面12和13之间。在工作过程中，第一内室2上成180°角设置的进出液管5和6提供连续流动的培养液，以使处在第一内室2之中的薄膜4的圆形部分能完全浸在培养液之中。第二内室3在工作过程中通过进气管8和出气管9进行无菌空气循环，其蒸汽分压保持在0.2巴。

在开始运行前，要对容器1和夹紧的薄膜一起进行蒸汽消毒，然后将薄膜4朝向第二内室的一面在洁净无菌的条件下(最好是无菌工作台)暂存于葡萄糖醋酸菌中，例如可放在已生长三天的葡萄糖醋酸菌预备基中(DSMZBraunschweig)，以使薄膜表面均匀布满该菌。培养液将透过薄膜4流入容器1中的第一内室2，薄膜4上的培养菌将保持在第二内室3中。然后将容器1封闭，置于工作台下，放入培养箱。为控制反应温度，将培养液和含氧混合空气的进出口管进行无菌连接。为有效控制培养液的反应条件(尤其是pH值)，将第一内室2以旁路的形式与搅拌反应器连接。透过透明的玻璃柱体，可以观察到第二内室3中纤维素材料7的生长。10天后将容器1打开，将长成的纤维素材料7与薄膜4表面分离，在沸水中清洗，然后消毒。

图4为本发明的另外一种实施例。在该例中薄膜4闭合形成拉长的圆柱体，如图4中的剖面图所示。圆柱体是完全浸在培养液中的。圆柱体内部接种了纤维素生长有机体，培养液可透过薄膜4渗透进来，所以在圆柱体内侧可以生长出类似圆柱状的中空纤维素材料7。圆柱体内部有气流通过，以给有机体供氧。为防止圆柱体内部被培养液淹没，圆柱体内压力要维持在超过常压。此外，圆柱体沿箭头14方向被缓慢转动，以平衡静压力差和重力对纤维素生长带来的影响。

图5是上述实施例的另外一种变化形式。该例中圆柱体并未完全浸入到培养液的内室2中，而只是部分浸入，因此不再需要维持柱内超过常压的状态。为使薄膜4的所有区域都能与培养液接触，并平衡静压力差异和重力对纤维素生长带来的影响，圆柱体也需缓慢转动。

本发明的另一个实施例如图6所示。该例中有多个第二内室3，皆由薄膜4和第二薄膜15所构成。为此，第二薄膜15要有多个凸起(在其它可能的实施例中，第一薄膜4或者同时该两个薄膜都要有凸起)，以形成多个第二内室3。第一薄膜4和第二薄膜15位于凸起之间的部分16相粘接。该些第二内室3形成了多个中空模型，纤维素7在此中空模型中生长，直至填满该第二内室3。培养液从其所在内室2透过薄膜4渗入第二内室3，其经纤维素材料7扩散至该第二内室3上纤维素生长有机体所在表面。薄膜15具有透气性，所以有机体可以透过该薄膜15由外部提供所需的氧气。纤维素生长的方向如图中16所指示。

通过本发明的上述具体说明、权利要求以及附图所示的特征，可知本发明可通过其各种实施方式单独或任意组合来实现。

Claims (14)

1.一种使用纤维素生长有机体，通过培养液供养，生产含纤维素材料(7)的方法，其特征在于：

提供对所述培养液具有通透性而对所述有机体充分不通透的薄膜(4)；

将所述培养液置于所述薄膜(4)的第一侧，以便其能透过该薄膜(4)进入到另一第二侧；

提供气体环境于所述薄膜(4)的所述第二侧；以及

在所述薄膜(4)的所述第二侧设置纤维素生长有机体，以使该有机体由经所述薄膜(4)透入的所述培养液供养。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜(4)是陶瓷膜。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜(4)水平放置，所述培养液大部分处在该薄膜(4)之下，所述纤维素生长有机体处在该薄膜(4)之上。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述薄膜(4)水平放置，所述培养液大部分处在该薄膜(4)之下，所述纤维素生长有机体处在该薄膜(4)之上。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述薄膜(4)构成一中空模型的封闭外围。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述薄膜(4)构成一中空模型的封闭外围。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述纤维素生长有机体设置于所述中空模型的内部。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述纤维素生长有机体设置于所述中空模型的内部。

9.如前述权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在生产过程中，对所述培养液进行更换。

10.如前述权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在生产过程中，对所述环境气体进行更换。

11.如前述权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，透过所述薄膜(4)的培养液由环境气体压力或气体分压来控制。

12.如前述权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，透过所述薄膜(4)的培养液由该培养液对该薄膜(4)的静水压来控制。

13.如前述权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，在所述纤维素生长有机体的一侧设置第二薄膜(15)，该第二薄膜(15)对所述有机体和所述纤维素充分不通透，但对一气体或该气体的成分具有通透性。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二薄膜(15)与所述薄膜(4)构成所述含纤维素材料(7)生长的中空空间。