CN113272415A - 用于生长微生物的生物反应器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于生长微生物的生物反应器(100)，该生物反应器包括反应室(102)和布置在反应室内部的引流管(210)，该引流管具有至少一个气体入口(104，106，108)、位于引流管的第一端处的反应混合物入口、以及位于引流管的第二端处的反应混合物出口。生物反应器还包括用于在反应室内部产生反应混合物的流动(224)的装置和布置在反应室内部的至少一个第一叶片结构(226A，226B)。
Description
技术领域
本公开一般涉及生物反应器，更具体地涉及用于生长微生物的生物反应器。
背景技术
微生物在保障和改善人类和动物的生活质量方面起着至关重要的作用。此外，微生物经常被用于保障无数食品和医药化合物的生产、辅助生理过程、处理污水和废水、以及各个生产和研究过程。因此，在多个领域中都需要在受控的物理和化学环境中使用符合良好制造规范的工艺来生长微生物。典型地，采用生物反应器来确保微生物的适当生长所需的这种受控环境。
通常地，微生物在生物反应器中的适当生长需要最佳平衡的环境条件(例如营养混合物、气体、热量、pH和压力)。对于例如气体发酵的一些过程，微生物是在液相中生长的。典型地，这种液体主要包括水和营养物，并且进一步提供例如氢(H2)、氧(O2)和二氧化碳(CO2)的气体。然而，大量的能量被用于将上述的气体溶解在液体中。此外，一部分气体可能未被溶解。随后，这部分气体没有被微生物利用，因此，用于气体利用的能量效率受到负面影响。
通常地，气体以规定的压力从生物反应器的底部被泵入到包含在生物反应器中的液体中。随后，气体从生物反应器的底部上升到生物反应器的顶部。此外，气体通常在气体从底部上升到顶部时被微生物利用。由于气体从底部上升到顶部所需的时间与微生物能够利用的气体的概率之间存在比例关系，因此，气体从底部上升到顶部所需的时间需要被最大化。此外，被泵入到生物反应器的底部的气体在液体内部形成气泡。随后，气泡的尺寸必须被最小化，以便使得气体分子能够被微生物吸收利用的面积最大化。
按照惯例，生物反应器包括气体喷射器，该气体喷射器被实施在反应室的底部，用于将气体喷射到液体中，随后，使用拉什顿(Rushton)涡轮机(即径向流叶轮)来破碎气泡。然而，在生物反应器中使用拉什顿涡轮机会导致在反应室中形成无液区域(也被称为空化)，并且可能降低涡轮机的能量效率。此外，为了增加气体在液体中的停留时间，采用了不同的几何布置，例如U形管布置。具体地，在U型管布置中，液体通过大的U型管使用泵进行循环。此外，U形管布置可以包括静态混合器，使用该静态混合器来混合液体。此外，生物反应器的实施可以包括不同的气升式反应器设计。在该气升式反应器设计中，通过液体上升的气体将液体向上移动到反应器的提升管部分；随后，气体与液体分离，并且没有气泡的液体通过反应器的下弯管部分返回。在Outotec Oyj公司的名为
的生物反应器设计的实施方式中，采用了连接到混合器发动机的引流管和泵送搅拌器。在该实施方式中，使用在引流管中的泵送搅拌器来移动液体。该泵送、混合和喷射系统确保了在生物反应器中的气体在液体中的适当混合。然而，这些系统只能够保障生长缓慢的例如哺乳动物细胞的培养物的生长，而不支持密集的微生物生长。
因此，根据前述讨论，存在需要克服与常规生物反应器设计相关的缺点。
发明内容
本公开寻求提供一种用于生长微生物的生物反应器。本公开寻求提供一种对生物反应器内部的反应混合物中的气体的低溶解和短停留时间的现有问题的解决方案。本公开的目的是提供至少部分地克服现有技术中遇到的问题的解决方案，并且为生物反应器提供高效和稳健的设计，以实现气体在反应混合物中具有更长停留时间，以实现微生物的最佳生长。
在一个方面，本公开的实施例提供了一种用于生长微生物的生物反应器，该生物反应器包括反应室，该反应室用于容纳包括反应培养基和微生物的反应混合物，所述反应室具有第一端、第二端、由第一端处的内表面和第二端处的内表面之间的距离界定的内高度Hr、和内直径Dr，并且该生物反应器包括：
-引流管，该引流管被布置在反应室的内部，该引流管具有：
-第一端、第二端和侧壁，该侧壁连接第一端和第二端，
-内直径Dd，其中Dd小于Dr，
-高度Hd，该高度Hd由第一端和第二端之间的距离界定，其中Hd小于Hr，
-至少一个气体入口，
-反应混合物入口，该反应混合物入口位于引流管的第一端，以及
-反应混合物出口，该反应混合物出口位于引流管的第二端；
-用于在反应室的内部产生反应混合物的流动的装置；
-至少一个第一叶片结构，该至少一个第一叶片结构被布置在反应室的内部，围绕引流管，其中至少一个第一叶片结构包括多个叶片，该多个叶片被布置为以下至少之一：
-相对于由反应室的高度界定的方向以角度α1布置，该角度α1为20°-40°，或者
-相对于由反应室的高度界定的方向以角度α2布置，该角度α2为320°-340°；
-至少一个反应培养基入口；以及
-至少一个出口，该出口用于取出具有生长完成的微生物的培养基。
本公开实施例基本上消除或者至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且能够产生小尺寸的气泡，以提供更大的表面积用于液体的结合，从而确保反应混合物与气体的适当混合。
根据结合所附权利要求解释的说明性实施例的详细描述和附图，本公开的附加方面、优点、特征和目的将变得明显。
应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以不同的组合进行组合。
附图说明
当结合附图阅读时，上述概述以及以下说明性实施例的详细描述将被更好地理解。为了说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文所公开的特定方法和手段。此外，本领域技术人员应理解，附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，相同的元件都用相同的数字表示。
现在将参考以下附图仅通过示例的方式来描述本公开的实施例，在附图中：
图1是根据本公开的实施例的用于生长微生物的生物反应器的示意图；
图2是根据本公开的实施例的生物反应器沿轴线X-X’的横截面视图的示意图；
图3是根据本公开的实施例的被至少一个叶片结构围绕的引流管的示意图；
图4是根据本公开的实施例的第一叶片结构和第二叶片结构的示意图；
图5是根据本公开的另一实施例的用于生长微生物的生物反应器的示例性实施方式的示意图；
图6是根据本公开的实施例的生物反应器沿轴线Y-Y’的横截面视图的示意图；
图7、图8A-图8B和图9是根据本公开的不同的实施例的用于生长微生物的生物反应器的不同的示例性实施方式的示意图；
在附图中，带下划线的数字用于表示带下划线的数字所在的项目或者与带下划线的数字相邻的项目。不带下划线的数字与通过将不带下划线的数字连接到项目的线所标识项目有关。当一个数字不带下划线并且伴随一个相关的箭头时，该不带下划线的数字用于标识箭头所指向的常规项目。
具体实施方式
下面的详细描述说明了本公开的实施例以及能够实施这些实施例的方式。尽管已经公开了实现本公开的一些模式，但是本领域技术人员将认识到，用于实现或者实践本公开的其他实施例也是可能的。
在一个方面，本公开的实施例提供了一种用于生长微生物的生物反应器，该生物反应器包括反应室，该反应室用于容纳包括反应培养基和微生物的反应混合物，所述反应室具有第一端、第二端、由第一端的内表面和第二端的内表面之间的距离界定的内高度Hr、和内直径Dr，并且该生物反应器包括：
-引流管，该引流管被布置在反应室的内部，该引流管具有：
-第一端、第二端和侧壁，该侧壁连接第一端和第二端，
-内直径Dd，其中Dd小于Dr，
-高度Hd，该高度Hd由第一端和第二端之间的距离界定，其中Hd小于Hr，
-至少一个气体入口，
-反应混合物入口，该反应混合物入口位于第一端，以及
-反应混合物出口，该反应混合物出口位于第二端；
-装置，该装置用于在反应室的内部产生反应混合物的流动；
-至少一个第一叶片结构，该至少一个第一叶片结构被布置在反应室的内部，围绕引流管，其中至少一个第一叶片结构包括多个叶片，该多个叶片被布置在以下的至少一处：
-相对于由反应室的高度界定的方向以角度α1布置，该角度α1为20°-40°，或者
-相对于由反应室的高度界定的方向以角度α2布置，该角度α2为320°-340°；
-至少一个反应培养基入口；以及
-至少一个出口，该出口用于取出生长完成的微生物的培养基。
本公开提供了上述用于生长微生物的生物反应器。当微生物在良好制造规范(good manufacturing practice，GMP)下生长时，微生物有不同的应用，包括应用于食品、制药、化妆品等。该生物反应器确保微生物有效地利用气体和营养物以使微生物最佳生长。本公开的生物反应器通过减小提供到液相中的气泡的尺寸并产生均匀地遍及生物反应器的反应室的包括液体、营养物和微生物的反应混合物的流动，使得气体和液体混合物能够具有更长的停留时间。在这方面，生物反应器采用至少一个叶片结构，优选地采用多个叶片结构，叶片结构被布置在生物反应器内的不同位置(当使用多个叶片结构时)，用于破碎较大的气泡，将气泡与反应混合物混合，并且在反应室内产生反应混合物的流动。有利地，叶片结构包括多个叶片，该多个叶片相对于生物反应器的高度以一定角度布置，以使反应混合物以不同的方向(顺时针和逆时针)旋转，以有效地混合反应混合物的气相和液相。此外，有利地，生物反应器在微生物生长时提供微生物的有效回收，以提供用于生长微生物的整体节能的生物反应器。
在本公开的全文中，术语“生物反应器”是指一种容器，该容器用于在界定的和受控制的物理和化学条件下培养细胞、生长微生物和从中产生具有药用价值的生物分子所需的生物和/或生化反应。具有药用价值的生物分子选自包括但不限于疫苗、药物、激素、酶、抗体、生物药物、质粒DNA、病毒、噬菌体、蛋白质、肽和脂类的组，这些生物分子在良好制造规范(GMP)的条件下，使用符合良好制造规范的工艺生长。生物反应器可以具有例如圆柱形、圆锥形、立方形或者立方体的形状。此外，根据生物反应器的用途选择生物反应器的容积，例如生物反应器的容积可以是10升、100升、200升、1000升、5000升、10000升、20000升、50000升、100000升或者200000升。生物反应器可以由对生物反应器的内容物呈惰性的材料制成。在示例中，用于制造的材料可以是不锈钢(例如304、316或者316L型)、其他合适的金属或者合金、玻璃材料、纤维、陶瓷、塑料材料和/或其组合。此外，典型地，制造材料是防水的，并且足够强以承受不同生物、生化和/或机械过程的磨损效应，例如微生物浓度、生物质产量、搅拌力、曝气力、操作压力、温度等。
在本说明书中，高度和直径分别是指内高度和内直径，即使没有指定，除非所指的部件不具有一端或者两端，即内高度与外高度相同。内高度是指在内部测量的部件的两端之间的距离，而内直径是侧壁的内表面之间的距离。当使用非圆柱形部件时，内直径表示垂直于高度方向的最大尺寸。
用于生长微生物的生物反应器包括反应室，该反应室用于容纳包括反应培养基和微生物的反应混合物。反应室是生物反应器的内部的容器，在该容器中进行生物和/或生化反应。此外，反应室具有第一端、第二端、由第一端的内表面和第二端的内表面之间的距离界定的内高度Hr和内直径Dr。根据一个实施例，反应室是圆柱形的形状，具有第一端，即顶表面，和第二端，即底表面。可选地，反应室的内高度Hr(即第一端的内表面和第二端的内表面之间的距离)可以介于200毫米-550毫米，优选地介于300毫米-500毫米，更优选地介于340毫米-410毫米的范围内。内高度Hr例如可以是从200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm、330mm、340mm、350mm、360mm、370mm、380mm、390mm、400mm、410mm或者420mm到240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm、330mm、340mm、350mm、360mm、370mm、380mm、390mm、400mm、410mm、420mm、430mm、440mm、450mm、460mm、470mm、480mm、490mm、500mm、510mm、520mm、530mm、540mm或者550mm。可选地，反应室的内直径Dr(即侧壁的内表面之间的距离)可以介于120毫米-350毫米，优选地介于170毫米-300毫米，更优选地介于220毫米-260毫米的范围内。因此，内直径Dr例如可以是从120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm或者300mm到140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm、330mm、340mm或者350mm。对于较大的反应室，尺寸自然成比例地增加。
在本公开的全文中，术语“反应混合物”是指在反应室的内部用于生长微生物的成分。反应混合物包括反应培养基和微生物。反应培养基包括含有或者不含营养物的液相，并且用作微生物的营养物和生长培养基。液相可以选自包括水、(例如使用反渗透或蒸馏净化的)纯净水、海水、碱性水、回收的工艺水(例如乳制厂流出的水)、盐水培养基和/或其组合的组。液相可以包括添加的营养物，营养物包括碳、镁、钾、磷、硫、铁、锌、锰、氮(例如以氨、尿素、硝酸盐、亚硝酸盐、氨基酸、蛋白质(可溶性、不可溶性或水解的)的形式)、动物副产品、乳制品废料、酵母、脂肪酸、醇、多糖、矿物质、维生素、生长因子、酸、碱、抗生素、消泡剂、表面活性剂等。
应当理解，反应混合物包括微生物的接种物，该微生物的接种物用作在最佳生长条件下产生更多微生物的起始材料。在本公开的全文中，术语“微生物”是指藻类、细菌、蓝藻细菌、酵母、真菌、古生菌等。生物反应器提供微生物生长所需的界定的和受控制的生理条件。此外，该生物反应器可以用于培养真核细胞，真核细胞包括植物细胞、真菌、杂交瘤细胞系等。最初，在生物反应器中接种来自无菌维持的微生物培养物的一定量的接种物。然后，允许微生物在环境中生长一段时间以实现最佳生长，该最佳生长与微生物生长的生物质或副产物有关，随后收获以供以后使用。可选地，反应室中的反应混合物为反应室的容积的0.5％到20％。可选地，在生物反应器的外部，例如在无菌摇瓶中，在无菌条件下制备反应混合物，然后在无菌条件下将反应混合物转移到反应室。
生物反应器包括引流管，该引流管被布置在反应室的内部。如本文所使用的术语“引流管”是指安装在反应室的内部用于引导液相的导管。此外，引流管改善了液相的循环、减少了气泡聚结、并且提高了整个反应室的液相中的气体的混合效率。引流管具有第一端、第二端和侧壁，侧壁连接第一端和第二端。第一端属于引流管的顶端或者上端，第二端属于引流管的底端，并且侧壁连接引流管的第一端和第二端。优选地，引流管的第一端和第二端是开口的，从而给出的引流管的形状为中空的圆柱形。可选地，引流管可以是由不锈钢(例如304、316或者316L型)、其他合适的金属或者合金、玻璃材料、纤维、陶瓷、塑料材料和/或其组合制成。此外，典型地，制造材料是防水的，并且足够强以承受不同生物、生化和/或机械过程的磨损效应，例如微生物浓度、生物质产量、压力、搅拌力、曝气力、温度等。
引流管具有内直径Dd和高度Hd，其中Dd小于Dr，高度Hd由第一端和第二端之间的距离界定，其中Hd小于Hr。应当理解，由于引流管被封闭在反应室内，引流管的内直径Dd和高度Hd小于反应室的内直径Dr和内高度Hr。可选地，引流管的内直径Dd可以介于50毫米-250毫米、优选地介于70毫米-180毫米、更优选地介于90毫米-130毫米的范围内。因此，内直径Dr例如可以是从50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm或者200mm到80mm、90mm、100mm、110mm、120mm、130mm、140mm、150mm、160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm或者250mm。对于较大的反应室，尺寸相应地增加。
根据一个实施例，引流管的高度Hd可以介于150毫米-400毫米、可选地介于200毫米-350毫米、更可选地介于250毫米-300毫米的范围内。例如，引流管的高度Hd可以是从150mm、160mm、170mm、180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm、330mm、340mm、350mm、360mm或者370mm到180mm、190mm、200mm、210mm、220mm、230mm、240mm、250mm、260mm、270mm、280mm、290mm、300mm、310mm、320mm、330mm、340mm、350mm、360mm、370mm、380mm、390mm或者400mm。同样，对于较大的反应室，这些尺寸相应地按比例放大。
根据一个实施例，引流管的内直径Dd为111毫米，并且反应室的内直径Dr为240毫米，因此，引流管的横截面积为反应室的横截面积的21％。该比率例如能够是15％-50％。引流管的高度Hd为275毫米，而反应室的液体高度为350毫米。在这种情况下，液面大约位于引流管上方的高度，该高度为引流管的半径的一半(约27毫米)，而引流管下方的间隙约为引流管的半径的75％。
所述引流管进一步包括至少一个气体入口。可选地，气体从在压力下存储气体的气体源流入至少一个气体入口。气体可以是空气、氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气、惰性气体、氮氧化物、甲烷等。更可选地，气体可以在压缩状态下被使用，并且可以被喷射到反应混合物中。此外，流向至少一个气体入口的气体的流动速度优选地由本领域公知的控制器装置控制。控制器装置调节气体的流动速度，以实现到达至少一个气体入口并且随后到达引流管的所需的气体的流动速度。可选地，气体的流率可以介于0.1容积/分钟到2容积/分钟的范围内。可选地，至少一个气体入口被设置在引流管的侧壁上。至少一个气体入口通过对应于至少一个气体入口的至少一个连接开口将气体供应到引流管的内部。具体地，至少一个气体入口的端部是开口，并且每个端部通过连接器连接到引流管中的各自的连接开口。在一个实施例中，反应混合物的流率可以介于0.1容积/分钟到2容积/分钟的范围内。例如，如果在生物反应器中的反应混合物的容积为15升，则流率能够为15升/分钟。这将导致引流管的内部的流速为2.5cm/s。
可选地，至少一个气体入口包括喷嘴，该喷嘴包括多个开口，该多个开口用于产生气泡。例如为喷射器的喷嘴，用作至少一个气体入口的端部处的突出部，并且该喷嘴包括多个例如为小孔的开口，以将至少一种气体作为气泡分散到液体中。具体地，至少一种气体通过其中的连接开口喷射到引流管的下部，即引流管的第一端和第二端之间的区域中。通过喷嘴的多个开口喷射的气体导致了小气泡和大气泡的组合。喷嘴中的开口的直径例如可以介于0.5μm-200μm，优选地介于1μm-30μm，更优选地介于3μm-10μm。在一个实施例中，气泡的形状可以是管状的、球状的、半球状的、椭球状的、半椭球状的和/或其组合的任何一种。直径例如可以是从0.5μm、1μm、2μm、3μm、5μm、7μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm或者130μm到1μm、2μm、3μm、5μm、7μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm、55μm、60μm、65μm、70μm、75μm、80μm、85μm、90μm、95μm、100μm、105μm、110μm、115μm、120μm、125μm、130μm、135μm、140μm、145μm、150μm、155μm、160μm、165μm、170μm、175μm、180μm、185μm、190μm、195μm或者200μm。
在本公开的全文中，术语“喷射”、“被喷射”或“喷射”是指通过使用喷射器(或者扩散器或者喷嘴)将气体注入到液相中的过程。喷射可以用于例如在曝气和碳酸化作用中将气体溶解到液体中，以便例如在发酵、臭氧化、氧化、氢化等应用中进一步反应。替代地，喷射可以用于例如在汽液分离等应用中从液相中去除污染物。通常地，喷射器以不同的类型、尺寸、配置和使用的制造材料来制造。喷射器可以由选自不锈钢、其他合适的金属或者合金、玻璃材料、纤维、陶瓷、塑料材料和/或其组合的不同材料的组来制造。此外，喷射器的选择进一步取决于培养过程的类型(即连续的或者分批的)、气体的流动速度、反应室的容积、不同生物、生化和/或机械过程(例如搅拌力、曝气力、操作压力、温度等)的磨损效应。
可选地，引流管包括至少两个气体入口，该至少两个气体入口进一步可选地被设置在引流管的侧壁上。可以设置至少两个气体入口，以供应选自氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气、惰性气体、氮氧化物、甲烷等的组中的至少一种气体中的每一种。在一个示例中，第一气体入口供应第一气体，例如供应氢气，以及第二气体入口供应第二气体，例如供应氧气。替代地，可以通过至少两个气体入口中的任意一个或两个来供应气体的混合物。可选地，两个气体入口被完全相反的布置，并且与引流管的第一端保持相同的距离。应当理解，完全相反的布置以及与引流管的第一端保持相同的距离确保了气泡在引流管的整个横截面上的均匀分布。具体地，两个气体入口的突出部将相应的气体从引流管的侧壁上的两个开口中的每一个喷射到引流管的内部的液相中，同时在引流管中产生向上流动的气泡。此外，与引流管的第一端相距相同的距离还确保了至少两种气体的均匀混合，而不会留下使得液相在仅第一类型的气体在其中被喷射的情况下达到饱和的范围。
可选地，引流管包括至少三个气体入口，该至少三个气体入口同样可选地被设置在引流管的侧壁上，该至少三个气体入口沿圆周被等距地布置并且与引流管的第一端相距相同的距离。可以设置至少三个气体入口，以供应选自氧气、二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气、惰性气体、氮氧化物、甲烷等的组中的至少一种气体中的每一种。在一个示例中，第一气体入口供应第一气体，例如供应氢气、第二气体入口供应第二气体，例如供应氧气、第三气体入口供应第三气体，例如供应二氧化碳，等等。替代地，可以通过至少一个气体入口中的任意一个或者所有的气体入口来供应气体的混合物。可选地，三个气体入口沿圆周被等距地布置，并且与引流管的第一端保持相同的距离。应当理解，沿圆周等距地布置以及与引流管的第一端保持相同的距离确保了气泡在引流管的整个横截面上的均匀分布。具体地，至少三个气体入口的突出部将相应的气体从引流管的侧壁上的三个开口中的每一个喷射到引流管的内部的液相中，同时在引流管中产生向上流动的气泡。此外，与引流管的第一端相距相同的距离还确保了至少三种气体的均匀混合，而不会留下使得液相在仅第一类型的气体在其中被喷射的情况下达到饱和的范围。
替代地，至少一个气体入口可以被设置在引流管的第一端附近。在这种情况下，至少一个气体入口通过引流管中的至少一个开口将气体供应到引流管的内部。
引流管进一步包括反应混合物入口，该反应混合物入口位于引流管的第一端。应当理解，微生物需要反应混合物和空气(或者气体)(例如产生二氧化碳的氧气)来生长。因此，生物反应器被设计为确保反应室的内部有调节的液体流动和至少一种气体，以及使用过的反应混合物和过量的气体从反应室流出。此外，生物反应器被设计为确保反应混合物的适当混合，即至少一种气体与反应混合物中的液相混合。此外，向反应混合物中注入气体会导致气泡和反应混合物的液相的混合物(在下文中被称为“气液混合物”)。可选地，反应混合物从反应混合物的新鲜供应源(可选地，被布置在生物反应器的外部)流入位于引流管上的第一端的反应混合物入口，反应混合物的新鲜供应源存储反应混合物。替代地，反应混合物通过循环从反应室中的反应混合物流入位于引流管上的第一端的反应混合物入口。
可选地，引流管进一步包括叶轮，该叶轮被布置在引流管的内部，用于混合反应混合物。本文使用的术语“叶轮”是指一种旋转装置，该旋转装置用于通过其叶片的旋转来移动反应混合物的液相。具体地，叶轮增加了液相从旋转中心向外的压力和流量，从而增加了反应混合物的液相与引流管中的气体混合的效率。可选地，叶轮被布置为比至少一个气体入口更靠近引流管的第一端。应当理解，叶轮被布置为更靠近引流管的第一端，以接收部分反应混合物，并且确保在来自引流管的反应混合物流入反应室并与反应室中的反应混合物混合之前，液相中的气体的适当混合。此外，叶轮被布置为使得反应混合物沿界定的方向流动(即在引流管的内部向下流动，并且在引流管的外部向上流动)，具体地，使得反应混合物在引流管的侧壁和反应室的壁之间流动，以确保反应混合物与气体的适当混合。此外，通过生物反应器混合系统和气体注入系统(例如喷射系统)的组合来确保反应混合物的适当混合。叶轮的旋转速度例如能够介于100rpm-1000rpm，例如介于400rpm-600rpm。可选地，叶轮布置有发动机，该发动机使叶轮旋转。在一个实施例中，皮带轮被布置在叶轮的搅拌轴的悬挂端(反应室的外部)。此外，皮带轮通过皮带传动联接到发动机的马达轴，以向叶轮提供旋转运动。而且，发动机的马达轴起到了驱动的作用，并且叶轮的搅拌轴起到了从动的作用。应当理解，皮带传动以高效率(90％以上)传输动力。
应当理解，由于叶轮通常被布置为更靠近引流管的第一端，因此较小的气泡为反应混合物的液相提供了更大的表面积以用于粘附，较小的气泡朝向引流管的第二端向下移动。此外，与较小的气泡相比，较大的气泡更有浮力，因此在引流管中容易上升。然而，较大的气泡被叶轮分解为较小的气泡，以有效地混合反应混合物。
引流管进一步包括反应混合物出口，该反应混合物出口位于引流管的第二端。引流管调节从引流管流入反应室的反应混合的流量，并且平衡整个反应室的剪切力和压力。特别地，气液混合物朝向引流管的第二端移动并且进入反应室，以与反应室中的其余反应混合物进一步混合。具体地，在引流管的第二端的反应混合物出口使得能够将气液混合物供应到反应室中的反应混合物。此外，由于引流管包围了反应室的部分反应混合物并且避免了空化，因此引流管的高度Hd在避免空化方面起着重要的作用。
生物反应器包括至少一个反应培养基入口。应当理解，微生物使用反应混合物来生长。因此，生物反应器被设计为确保反应室的内部有调节的液体流动和至少一种气体，以及使用过的反应混合物和过量的气体从反应室流出。特别地，反应培养基从反应培养基源被供应到至少一个反应培养基入口。至少一个反应培养基入口向反应室提供新鲜的反应培养基，新鲜的反应培养基包括具有或者不具有营养物的无菌液相。在一个示例中，反应培养基可以是Luria Broth培养基。应当理解，在迟缓期(即微生物生长完成的阶段)，反应室充满了微生物，微生物使用来自反应混合物的营养物和气体的大部分能量，并且降低了生物反应器的效率，同时增加了生物反应器的运行成本。因此，需要去除生长完成的微生物来恢复生物反应器的运行。
生物反应器包括至少一个出口，该至少一个出口用于取出具有生长完成的微生物的培养基。可选地，一旦微生物的培养达到最佳生长，就能够从反应室中收获微生物。可选地，用于取出生长完成的微生物的至少一个出口被布置在反应室的第一端，即被布置在反应室的顶部。由于生长完成的微生物与反应混合物相比较轻，因此可以从反应混合物的表面收获生长完成的微生物层。特别地，在反应混合物的表面上方，反应室的剩余容积充满了过量的气体。就这一点而言，用于取出具有生长完成的微生物的培养基的至少一个出口被用于从反应室取出具有生长完成的微生物的培养基。此外，用于取出具有生长完成的微生物的培养基的至少一个出口还可以被用于通过排气将过量的气体排出反应室。
生物反应器进一步包括至少一个叶片结构，该至少一个叶片结构被布置在反应室的内部，围绕引流管，其中至少一个叶片结构包括多个叶片，该多个叶片相对于由反应室的高度界定的方向以至少一个角度α1布置，该至少一个角度α1为20°-40°，或者相对于由反应室的高度界定的方向以至少一个角度α2布置，该至少一个角度α2为320°-340°。该至少一个叶片结构也被称为第一叶片结构。
根据一个实施例，生物反应器进一步包括第二叶片结构，该第二叶片结构被布置在反应室的内部，围绕引流管。第二叶片结构被布置在距离第一叶片结构的距离L1处。在这种情况下，第一叶片结构包括多个叶片，该多个叶片相对于由反应室的高度界定的方向以角度α1布置，该角度α1为20°-40°，并且第二叶片结构包括多个叶片，该多个叶片相对于由反应室的高度界定的方向以角度α2布置，该角度α2为320°-340°。在以下(以及以上)说明中，当提及“一个叶片结构”时，该说明对第一和第二叶片结构都有效。此外，生物反应器，特别是在生物反应器的尺寸较大的情况下，可以包括被布置在反应室的内部并且围绕引流管的更多的叶片结构(第三、第四、第五等)。最优选地，叶片结构的叶片的角度使得两个连续的叶片结构的角度不同，以便增加在反应室内的反应混合物的运动。
此外，在这种情况下，第一、第二和更多的叶片结构可以被布置在相同或者不同的距离处。可选地，第一叶片结构和第二叶片结构之间的距离L1可以是反应室的内部高度Hr的约5％-25％。这同样独立地适用于两个叶片结构之间的任何其他距离。例如，该距离可以是反应室的内部高度Hr的5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、17％或者20％到6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、17％、20％、22％或者25％。当使用一个以上的叶片结构时，他们通常被布置为彼此相距一定距离，其中，两组叶片结构之间的距离可以相同或者不同。
角度α1例如可以是从20°、22°、24°、26°、28°、30°、32°或者34°到22°、24°、26°、28°、30°、32°、34°、36°、38°或者40°。角度α2例如可以是从320°、322°、324°、326°、328°、330°、332°或者334°到322°、324°、326°、328°、330°、332°、334°、336°、338°或者340°。不同叶片结构的角度可以相同或者不同。
至少一个叶片结构垂直于引流管或者反应室的高度方向布置。此外，围绕引流管的至少一个叶片结构支撑反应室内部的引流管的安装，其中，至少一个叶片结构的外圆周在相应的平行位置处被附接到反应室的侧壁，并且内圆周被固定到引流管的侧壁。此外，围绕引流管的至少一个叶片结构位于引流管的第二端接收来自反应混合物出口的气液混合物。围绕引流管的至少一个叶片结构进一步使得气液混合物能够具有更长的停留时间，并且提供更高浓度的气体以供微生物生长。
至少一个叶片结构包括多个叶片。该多个叶片可以被布置在至少一个叶片结构的支撑装置上。至少一个叶片结构的支撑装置具有多个开口，(当至少一个叶片结构垂直于引流管的高度方向布置时)多个开口相对于至少一个叶片结构中的每一个和/或相对于由反应室的内部高度或引流管的高度界定的方向以角度α布置。此外，多个开口对应于布置在支撑装置上的多个叶片，并且允许多个叶片固定到开口中。替代地，多个叶片可以通过本领域已知的任何其他方法(例如通过焊接)被布置在支撑装置上。
多个叶片相对于由反应室的高度界定的方向，以角度α1布置，该角度α1为20°到40°。例如，角度α1可以是从20°、25°、30°或者35°到25°、30°、35°或者40°。替代地，多个叶片相对于由反应室的高度界定的方向，以角度α2布置，该角度α2为320°到340°。例如，角度α2可以是从320°、325°、330°或者335°到325°、330°、335°或者340°。在一个示例中，至少一个叶片结构的叶片相对于由反应室的高度界定的方向以30°角或者330°角布置。应当理解，如果角度α1或者α2为0°，则叶片不改变反应混合物的方向，同样，如果角度α1或者α2为90°，则叶片禁止反应混合物的运动，因此，角度α1和α2分别为20°到40°和320°到340°，以提供反应混合物在整个反应室中的有效流动并且迫使反应混合物改变方向。
特别地，叶片的角度取决于叶轮的速度，其中，叶片的角度与叶轮的速度成比例。在一个示例中，如果叶轮以低速旋转，则叶片的角度应该较低，例如，如果叶轮的速度是100米每秒(m/s)，则叶片的角度可以是20°，以允许反应混合物穿过叶片而不损坏叶片或者任何障碍。在另一个示例中，如果叶轮的速度是500米每秒(m/s)，则叶片的角度可以是40°，以允许反应混合物穿过叶片，同时增加停留时间以使得反应混合物与气体的适当混合。本文使用的术语“停留时间”是指物质在生物反应器中花费的持续时间。在一个示例中，气泡在气液混合物中的停留时间可以介于10分钟到30分钟的范围内。应当理解，与较大的气泡相比，较小的气泡具有较大的表面积，因此具有较长的停留时间。例如，直径为2毫米的气泡具有20分钟的停留时间，而直径为1毫米的气泡具有30分钟的较长的停留时间。
可选地，至少一个叶片结构包括30个到60个叶片。例如，至少一个叶片结构中的叶片的数量可以是从30个、35个、40个、45个或者55个叶片到35个、40个、45个、50个、55个或者60个叶片。如果使用多个叶片结构，则这些叶片结构可以包括相同数量或者不同数量的叶片。例如，第二叶片结构中的叶片数量可以是从30个、35个、40个、45个或者55个叶片到35个、40个、45个、50个、55个或者60个叶片。此外，至少一个叶片结构的每个叶片相对于由引流管和/或反应室的高度界定的方向以相等的角度倾斜，从而使气液混合物在整个的至少一个叶片结构中均匀分布。此外，至少一个叶片结构能够由三个部件制成，每个部件包括固定数量的叶片。可选地，每个部件包括10个-20个叶片。例如，至少一个叶片结构的每个部件可以包括从10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或者19个叶片到11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或者20个叶片。同样，如果使用一个以上的叶片结构，则这些叶片结构中的每一个可以包括一个或多个部件，并且每个部件可以包括合适数量的叶片，例如从10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或者19个叶片到11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或者20个叶片。在一个示例中，每个部件包括14个叶片，则至少一个叶片结构将总共具有42个叶片。
应当理解，基于引流管的高度Hd，生物反应器可以包括多个叶片结构。例如，生物反应器可以包括两个、三个或者更多个叶片结构，该叶片结构被布置在反应室的内部，围绕引流管。此外，在这种情况下，多个叶片结构可以被布置为彼此相距预定距离。特别地，多个叶片结构之间的预定距离可以相同或者不同。例如，如上所述，一个叶片结构可以被布置在距离相邻的叶片结构的距离L1处，即距离另一叶片结构的距离L2处，依此类推。此外，L1可以等于或者小于或者大于L2。可选地，叶片结构和相邻的叶片结构之间的距离L1可以是反应室的内部高度Hr的约5％-25％。这同样独立地适用于任何两个叶片结构之间的任何其他距离。例如，该距离可以是反应室的内部高度Hr的5％、6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、17％或者20％到6％、7％、8％、9％、10％、12％、15％、17％、20％、22％或者25％。
在一个实施例中，第一叶片结构使气液混合物沿顺时针方向流动，并且第二叶片结构使气液混合物沿逆时针方向流动。第一叶片结构和第二叶片结构的布置使得气液混合物具有更长的停留时间，从而使得气液混合物中的气体浓度更高以供微生物生长。
生物反应器进一步包括如下的装置，该装置用于在反应室内产生反应混合物的流动。具体地，用于在反应室内产生反应混合物的流动的装置可操作以引导液体从至少一个反应培养基入口流到引流管并且返回到反应室内。
可选地，用于在反应室内产生反应混合物的流动的装置是泵，引流管包括至少一个内部叶片结构，该至少一个内部叶片结构垂直于引流管的高度方向布置。此外，内部叶片结构包括多个叶片，多个叶片相对于由引流管的高度界定的方向以角度αd1布置，该角度αd1为20°-40°。可选地，泵可操作以通过使反应混合物旋转来引导液体流入反应室。更可选地，泵接收来自至少一个反应培养基入口的反应混合物，至少一个反应培养基入口向引流管提供新鲜的反应培养基，叶轮进一步引导液体向下流入引流管。当使用泵时，泵的功率例如能够为0.1kW-5kW，例如为0.3kW-0.8kW。
可选地，引流管包括至少一个内部叶片结构，该至少一个内部叶片结构垂直于引流管的高度方向布置，其中，至少一个内部叶片结构包括多个叶片，多个叶片相对于由引流管的高度界定的方向以角度αd1布置，该角度αd1为20°到40°。可选地，该多个叶片被布置在至少一个内部叶片结构的支撑装置上。至少一个内部叶片结构的支撑装置可以具有多个开口，多个开口相对于内部叶片结构和/或相对于由引流管的高度界定的方向以角度α布置。例如，多个开口相对于至少一个内部叶片结构中的一个以角度αd1布置。此外，多个开口对应于布置在支撑装置上的多个叶片，并且允许多个叶片固定到开口中。替代地，多个叶片可以通过本领域已知的任何其他方法(例如通过焊接)被布置在支撑装置上。至少一个内部叶片结构的多个叶片相对于由引流管的高度界定的方向以角度αd1布置，该角度αd1为20°到40°。例如，角度αd1可以是从20°、25°、30°或者35°到25°、30°、35°或者40°。
此外，至少一个内部叶片结构经由叶轮的推进增强了被封闭在引流管中的气体和液相的适当混合。内部叶片结构的叶片可以以角度αd1被固定，该角度αd1可以是从20°、25°、30°或者35°到25°、30°、35°或者40°。应当理解，如果角度αd1为0°，则叶片不改变由叶轮引导的反应混合物的方向。如果角度αd1为90°，则叶片禁止由叶轮引导的反应混合物的运动，因此，角度αd1为20°到40°以提供气泡在液相中的有效混合，从而使反应混合物在整个反应室中流动。
可选地，至少一个内部叶片结构独立地包括30个到60个叶片。例如，至少一个内部叶片结构中的叶片的数量可以是从30个、35个、40个、45个或者55个叶片到35个、40个、45个、50个、55个或者60个叶片。此外，至少一个内部叶片结构的每个叶片相对于由引流管的高度界定的方向以相等的角度倾斜，从而使气液混合物在整个的至少一个内部叶片结构中均匀分布。此外，至少一个内部叶片结构能够由三个部件制造，每个部件包括固定数量的叶片。可选地，每个部件包括10个-20个叶片。例如，至少一个内部叶片结构的每个部件可以包括从10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或者19个叶片到11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个或者20个叶片。在一个示例中，每个部件包括14个叶片，则至少一个内部叶片结构将总共具有42个叶片。
可选地，引流管包括彼此相距一定距离布置的两个内部叶片结构，两个内部叶片结构的叶片相对于由引流管的高度界定的方向以不同的角度布置。可选地，两个内部叶片结构围绕叶轮的搅拌轴布置，两个内部叶片结构彼此相距Ld1。可选地，距离Ld1可以是引流管的高度Hd的约5％-25％。此外，两个内部叶片结构的多个叶片相对于由引流管的高度界定的方向和相对于先前的叶片结构以不同的角度布置。例如，如果两个内部叶片结构中的一个内部叶片结构的多个叶片具有30°的角度，则两个内部叶片结构中的第二个内部叶片结构的多个叶片相对于由引流管的高度界定的方向具有20°的角度。
可选地，引流管包括三个或者更多个内部叶片结构，并且每个相邻的内部叶片结构的叶片相对于由引流管的高度界定的方向以不同的角度布置。三个或者更多个内部叶片结构围绕叶轮的搅拌轴布置，三个或者更多个内部叶片结构彼此相距Ld1。可选地，距离Ld1可以是引流管的高度Hd的约5％-25％。当使用三个或者更多个的叶片结构时，这些叶片结构通常被布置为彼此相距一定距离，其中，两个连续的叶片结构之间的距离能够相同或者不同。此外，三个或者更多个内部叶片结构的叶片相对于由引流管的高度界定的方向和相对于先前的内部叶片结构以不同的角度布置。例如，如果三个或者更多个内部叶片结构中的一个内部叶片结构的叶片具有30°的角度，则第二内部叶片结构的叶片可以具有20°的角度，并且第三内部叶片结构的叶片可以具有相对于由引流管的高度界定的方向具有10°的角度(或者再次具有30°的角度，优选地，两个连续的内部叶片结构具有不同的角度)，依此类推。
特别地，相对于由引流管的高度界定的方向和相对于先前的内部叶片结构以不同的角度布置的两个或者三个或者更多个内部叶片结构的布置，使得气液混合物在通过两个或者三个或者更多个内部叶片结构时沿不同的方向流动，从而使得气液混合物具有更长的停留时间，并且使得气液混合物中的气体浓度更高以供微生物生长。
可选地，至少一个气体入口，该气体入口可选地被设置在引流管的侧壁上，该气体入口被布置为比至少一个内部叶片结构更靠近引流管的第二端。在一个实施例中，当使用两个内部叶片结构时，被设置在引流管的侧壁上的至少一个气体入口被布置在两个内部叶片结构之间。应当理解，至少一个气体入口被布置在叶轮的下方并且位于两个内部叶片结构之间，使得能够将气泡喷射到由引流管封闭的反应混合物的液相中，以在其中适当混合。此外，将至少一个气体入口布置为更靠近引流管的第二端，确保了气泡沿由叶轮引导的液体流动的相反的方向流动，即沿引流管向上流动。特别地，所述布置通过至少一个内部叶片结构确保了增加的停留时间和气液混合物在整个反应室中的分布流动。
在一个实施例中，除了泵和包括垂直于引流管的高度方向布置的至少一个内部叶片结构的引流管之外，叶轮和至少一个叶片结构被布置在反应室的内部围绕引流管，在反应室内产生反应混合物的流动。如前所述，叶轮被布置为使得反应混合物或者气液混合物沿界定的方向流动(即例如在引流管的内部向下流动，并且在引流管的外部向上流动)，具体地，使得反应混合物或者气液混合物在引流管的侧壁和反应室的壁之间流动。气液混合物经由垂直于引流管的高度方向布置的至少一个内部叶片结构流动。具体地，至少一个内部叶片结构被布置为改变气液混合物的运动方向，以增加停留时间，并且还以更有效的方式将气泡均匀地分布在整个反应室中。更具体地，至少一个内部叶片结构和至少一个叶片结构被布置在反应室的内部围绕引流管，使得相邻的叶片结构引导气液混合物沿不同的方向流动，优选地，沿相反的方向或者沿与先前的方向相比具有约90°的角度的方向流动。应当理解，叶轮和多个叶片结构被布置为使得流体根据在三个元件(叶轮、至少一个内部叶片结构和至少一个叶片结构)中的每一个元件上的叶片的方向沿顺时针和/或逆时针方向移动，叶轮和多个叶片结构被布置在反应室的内部围绕引流管。
可选地，生物反应器进一步包括循环单元，该循环单元用于将反应室内部的至少一种气体或者反应室内部的反应混合物从反应室循环到引流管中。有利地，循环单元提供反应室内部的至少一种气体或者反应室内部的反应混合物的连续供应。此外，循环单元使得生物反应器更节能和更具成本效益。可选地，循环单元被安装在生物反应器的外部。替代地，循环单元可以被部分地设置在生物反应器的内部并且被部分地设置在生物反应器的外部(即，“内循环单元”)。在一个示例中，循环单元增加了气体与具有相同气体量的反应混合物积聚的停留时间。
应当理解，内循环单元必须确保反应室内部的至少一种气体和反应室内部的反应混合物的充分循环，特别是在生物反应器的连续培养中。应当理解，循环单元可以使用电、泵、喷射器结构、马达等来操作。
在一个实施方式中，循环单元是通过气泵实施的。在这种实施方式中，循环单元将反应室内部的气体从反应室循环到引流管中。应当理解，反应室内部的气体是指从反应混合物中释放出来的气体，而不是仍在反应混合物中的气体。可选地，新鲜气体入口和再循环气体入口被设置在引流管的侧壁上。应当理解，新鲜气体入口和再循环气体入口优选地被完全相反的设置。
生物反应器可以包括涡轮机，该涡轮机连接到轴，该轴连接到搅拌轴，用于气体的循环。根据另一实施例，生物反应器包括外部泵，该外部泵用于气体的循环。
在另一实施方式中，循环单元因此通过涡轮机(例如自吸气曝气机)来实施。在这种实施方式中，循环单元将反应室内部的气体从反应室循环到引流管中。可选地，涡轮机被设置在反应室的第一端的下方(即在剩余容积中)，即在收集过量气体处。涡轮机可以包括弯曲的叶片并且围绕其中心轴线或者空心搅拌轴以特定的速度旋转。当涡轮机旋转时，涡轮机产生离心力，在涡轮机的内腔(在叶片的中心)内产生低压区，从而无需额外的压力输入。这种低压的产生导致空心搅拌轴的内部的气体被吸入，该气体通向叶轮的空心搅拌轴，并且在空心搅拌轴中推动被收集的气体。此外，可选地，当循环单元由涡轮机实施时，至少一个气体入口被设置在反应室的第一端上并且被设置在涡轮机中。涡轮机收集新鲜的和多余的(或者再循环的)气体，并且借助于叶轮的搅拌轴将气体一起引入引流管。应当理解，叶轮的搅拌轴包括孔或者开口，该孔或者开口用于向引流管提供新鲜的和再循环的气体。可选地，在叶轮的搅拌轴中的开口可以被设置有喷射器，该喷射器用于向引流管中的反应混合物的液相中喷射小气泡。特别地，涡轮机的规格可以基于反应混合物的密度和黏度而变化。涡轮机可以由不锈钢(例如304、316或316L型)、塑料材料和/或其组合来制造。有利地，在这种实施方式中，在循环单元使用涡轮机的情况下，将需要更少的喷射器，从而降低系统的成本。此外，有利地，这种实施方式不会导致反应混合物的温度升高。
在又一实施方式中，循环单元通过被附接到普通的喷射器结构的液体循环泵来实施。普通的喷射器结构包括气体吸入器和喷嘴。因此，生物反应器可以包括连接到至少一个气体入口的喷射器结构。应当理解，液体循环泵借助于普通的喷射器结构的喷嘴来循环反应室内部的反应混合物，并且普通的喷射器结构的气体吸入器能够使反应室内部的气体循环。可选地，液体循环泵被设置在生物反应器的外部，并且普通的喷射器结构被设置在引流管的第一端。此外，用于将新鲜气体供应到引流管中的至少一个气体入口可以被设置在引流管的侧壁上。在一个实施例中，通过这种实施方式，反应混合物与至少一种气体的大部分混合是通过液体循环泵和普通的喷射器结构实现的。因此，可以避免在引流管中安装叶轮，从而使得系统更具成本效益。
可选地，生物反应器进一步包括至少一个传感器。该至少一个传感器在运行中确定描述生长条件的至少一个生长参数，例如用于微生物生长的反应室内的泡沫形成、温度、液体流量、气体流量、气体位和/或液位。该至少一个传感器可以选自由泡沫形成传感器、温度传感器、液体流量传感器、气体流量传感器、气体位传感器和液位传感器组成的组。可选地，该至少一个传感器还可以包括pH传感器和生物质传感器。气体位传感器可以在运行中确定反应室内的二氧化碳气体、氧气气体、氮气气体、甲烷气体、二氧化硫气体、一氧化碳气体和气体的混合物中的至少两种气体的相对浓度。泡沫形成传感器在运行中确定反应室内的泡沫形成。温度传感器、pH传感器和生物质传感器在运行中分别确定反应室内的温度、pH和生物质。液体流量控制传感器和气体流量控制传感器在运行中分别确定反应室内的液体流率和气体流率。液位传感器在运行中确定反应室内的液位。
可选地，至少一个传感器可通信地被联接到至少一个调节器。该至少一个调节器在运行中调节描述生长条件的至少一个生长参数，例如用于微生物生长的反应室内的泡沫形成、气体位、温度、pH、生物质和液体流量以及气体位和液位。该至少一个调节器选自包括气体位调节器、温度调节器、液体流量控制调节器、气体流量控制调节器、液位调节器、pH调节器和生物质调节器的组。气位调节器可以在运行中调节反应室内的二氧化碳气体、氧气气体、氮气气体、甲烷气体、二氧化硫气体、一氧化碳气体和气体的混合物中的至少两种气体的相对浓度，以达到反应室内适合微生物生长的气体平衡。温度调节器、pH调节器和生物质调节器在运行中分别调节反应室内的温度、pH和生物质。液体流量控制调节器和气体流量控制调节器在运行中分别调节反应室内的液体流率和气体流率，从而实现增加停留时间以适当混合两相(液相和气相)。液位调节器在运行中调节反应室内的液位。
可选地，传感器和调节器在运行中可通信地被联接到控制器。控制器在运行中获得与微生物生长所需的至少一个生长参数相关的信息。控制器从至少一个传感器接收描述生长条件的至少一个传感器信号，将所获得的至少一个生长参数与所接收的至少一个传感器信号进行比较，以产生用于至少一个调节器的至少一个指令，该至少一个指令用于调节反应室内的用于生长微生物的至少一个生长参数。调节器在运行中进一步接收来自控制器的指令，并且通过调节反应室内的至少一个生长参数来调节至少一个生长参数。可选地，从数据库获得描述生长微生物的最佳生长条件的至少一个生长参数，其中，数据库可通信地被联接到控制器。此外，数据库与数字信息的组织体相关，而不管数据或其组织体以何种方式表示。更可选地，数据库可以是硬件、软件、固件和/或其任意组合。例如，数字信息的组织体可以是表格、地图、网格、数据包、数据报、文件、文档、列表或者任何其他形式的形式。数据库可以包括任何数据存储软件和所需系统。更可选地，控制器经由通信网络可通信地被联接到数据库。在一个示例中，通信网络包括但不限于蜂窝网络、短距离无线电(例如，
)、因特网、无线局域网和红外局域网、或者其任何组合。
此外，至少一个传感器在运行中连续地或者间歇地确定描述生长条件的至少一个生长参数。有利地，至少一个传感器是自动传感器装置，该自动传感器装置被配置为在整个生产时间内或者在预定的持续时间内(例如在间隔为30分钟、1小时、2小时、1天等的至少一个持续时间)连续地确定描述反应室内的生长条件的至少一个生长参数的轻微变化。此外，由至少一个传感器确定的描述生长条件的至少一个生长参数的这种变化，是由控制器连续地或者在确定这种变化的预定的持续时间内接收的。此外，控制器可操作以提供至少一个指令到至少一个调节器，用于调节反应室内的用于生长微生物的至少一个生长参数。可选地，控制器在运行中连续地或者间歇地向调节器提供至少一个指令。具体地，控制器可操作以向调节器提供将至少一个指令，以连续地或者在从控制器接收至少一个指令的预定的持续时间内调节反应室内的至少一个生长参数。
在一个实施例中，反应室内的被调节的生长条件可以包括：气体入口中的氢浓度介于25％到85％的范围内，可选地介于40％到80％的范围内，并且更可选地介于55％到70％的范围内，气体入口中的二氧化碳浓度介于5％到50％的范围内，可选地介于10％到40％的范围内，并且更可选地介于15％到25％的范围内，气体入口中的氧浓度介于1％到25％的范围内，可选地介于5％到20％的范围内，并且更可选地介于5％到15％的范围内，温度介于10℃到75℃的范围内，可选地介于25℃到45℃的范围内，pH介于3℃到10℃的范围内，可选地介于5.5℃到7.5℃的范围内，生物质介于0.5g/L到60g/L的范围内(细胞干重)，可选地介于20g/L到40g/L的范围内，反应混合物的流率介于每升反应室容积的0.005L/h到每升反应室容积的0.5L/h的范围内，可选地介于每升反应室容积的0.01L/h到每升反应室容积的0.1L/h的范围内，气体入口的流率介于每升反应室容积的50mL/min到每升反应室容积的2000mL/min的范围内，可选地介于每升反应室容积的60mL/min到每升反应室容积的200mL/min的范围内，以及液位介于反应室内的70％到100％的范围内，可选地介于80％到90％的范围内。
可选地，在气体被转移到至少一个气体入口之前，气体可以在气体供应单元中被加热或者被冷却到微生物生长的最佳温度范围。替代地，可以通过在管道周围提供水套并且在水套中供应热水或者冷水来加热或者冷却气体。
可选地，微生物培养过程可以是连续培养过程或者分批式培养过程中的任何一种。连续培养过程需要将反应混合物和/或气体加入到生物反应器中，同时从生物反应器中除去生长完成的微生物和多余的气体。分批式培养过程需要在预定的时间段内制作和运行一批，而不向生物反应器中添加任何反应混合物和/或气体，并且在过程完成(或者达到预定目标)后，从生物反应器中去除生长完成的微生物和多余的气体。
在另一方面，本公开的实施例提供了一种用于生长微生物的方法，该方法包括：
-提供反应混合物，该反应混合物包括反应培养基和微生物；
-提供至少一种气体；
-通过使至少一种气体和反应培养基在至少两个方向上流动，将至少一种气体与反应培养基混合；以及
-取出生长完成的微生物和/或多余的气体。
附图详细说明
参照图1，图1示出了根据本公开的实施例的用于生长微生物的生物反应器100的从外部看的示意图。生物反应器100包括反应室102、气体入口104、106和108以及出口110，该出口用于取出生长完成的微生物。生物反应器100进一步包括传感器112。
参照图2，图2示出了根据本公开的实施例的图1的生物反应器100沿轴线X-X’的横截面视图的示意图。如图所示，反应室102包括内直径Dr、第一端202、第二端204以及内高度Hr，该内高度由第一端202和第二端204之间的距离界定。生物反应器100包括引流管210，该引流管被布置在反应室102的内部，该引流管具有第一端212、第二端214和侧壁216，该侧壁连接第一端212和第二端214。引流管210具有内直径Dd、由第一端212和第二端214之间的距离界定的高度Hd、至少一个气体入口104和106、位于其第一端212的反应混合物入口(顶部开口)以及位于其第二端214的反应混合物出口(底部开口)。至少一个气体入口104、106在端部处包括喷嘴222，该喷嘴在侧壁216上，通向引流管210。此外，引流管210进一步包括叶轮218，该叶轮被布置在引流管210的内部，用于混合反应混合物。
如图2所示，反应室102还具有用于在反应室102内产生反应混合物的流动(如箭头224所示)的装置(未示出)。反应室102还包括第一叶片结构226A、226B和第二叶片结构228A、228B，该第一叶片结构和第二叶片结构被布置在反应室的内部并且围绕引流管。此外，第一叶片结构226A被布置在距离第二叶片结构228A的距离L1处，以及第一叶片结构226B被布置在距离第二叶片结构的228B的距离L2处。此外，在反应室102中示出了反应混合物的上升水平234和充满逸出气体的剩余容积236。剩余容积236位于反应室102的第一端202和反应室102内部的反应混合物的上升水平234之间。
参照图3，图3示出了根据本公开的实施例的被第一叶片结构226A、226B和第二叶片结构228A、228B围绕的引流管210的示意图。如图所示，第一叶片结构226A、226B包括第一叶片类型302，该第一叶片类型具有多个叶片。此外，第二叶片结构228A、228B包括第二叶片类型304，该第二叶片类型具有多个叶片。不同的叶片结构以交替的顺序布置。图3还示出了气体入口104、106和108、引流管210以及喷嘴222。
参照图4，图4示出了根据本公开的实施例的第一叶片结构226A和第二叶片结构228A的示意图。如图所示，第一叶片结构226A包括第一叶片类型302，该第一叶片类型具有相对于由反应室的高度Hr界定的方向以角度α1布置的多个叶片。此外，相对于由高度Hr界定的方向，角度α1为33°。此外，第二叶片结构228B包括第二叶片类型304，该第二叶片类型具有相对于由反应室102的高度Hr界定的方向以角度α2布置的多个叶片。此外，相对于由高度Hr界定的方向，角度α2为327°。此外，第一叶片结构226A和第二叶片结构228A被布置在支撑件402和404上，其中，每个叶片被附接到例如406和408的开口。此外，第一叶片结构226A和第二叶片结构228A如箭头224所示引导反应混合物的流动。
参照图5，图5示出了根据本公开的另一实施例的用于生长微生物的生物反应器500的示例性实施方式的示意图。如图所示，生物反应器500具有反应室502和气体入口504、506和508，该气体入口用于提供气体。生物反应器500还具有泵510，该泵可操作以将反应混合物经由液体入口512循环进入反应室502并且经由出口514流出反应室502。
参照图6，图6示出了根据本公开的实施例的图5的生物反应器500沿轴线Y-Y’的横截面视图的示意图。如图所示，生物反应器500包括反应室502、液体入口512和出口514以及入口602，引流管604包括一组内部叶片结构606A、606B、606C、606D和一组外部叶片结构610、612、614、616。泵510使一组内部叶片结构606A、606B、606C、606D和一组外部叶片结构610、612、614、616内的反应混合物循环。
参照图7，图7示出了根据本公开的另一实施例的用于生长微生物的生物反应器700的示例性实施方式的示意图。生物反应器700包括反应室702。反应室702包括引流管704、气体入口706A和706B、气体出口708，以及叶轮710。反应室702还包括第一端712和第二端714。反应室702进一步包括叶片结构716，该叶片结构被布置在反应室702的内部并且围绕引流管704。生物反应器700还包括马达轴718，该马达轴被联接到叶轮712。此外，马达轴718使叶轮712旋转。生物反应器700进一步包括泵720，该泵被布置在反应室702的外部，用于通过气体入口708将气体从气体出口710循环到引流管704。
参照图8A和图8B，图8A和图8B示出了根据本公开的另一实施例的用于生长微生物的生物反应器800的示例性实施方式的示意图。生物反应器800包括反应室802。反应室802包括引流管804、气体入口806、以及叶轮808。反应室802还包括第一端810和第二端812。反应室802还包括叶片结构814，该叶片结构被布置在反应室802的内部并且围绕引流管804。生物反应器800进一步包括马达轴816，该马达轴被联接到叶轮808。此外，马达轴816使叶轮808的空心搅拌轴818旋转。生物反应器800进一步包括涡轮机820，该涡轮机被布置在反应混合物的上升水平820之上，并且通过空心搅拌轴818被联接到叶轮808，并且由马达轴816旋转。此外，涡轮机820吸入在反应混合物的上升水平822的上方收集的气体，并且使气体经由出口824在叶轮808的下方循环。如图8B所示，图8B是涡轮机820的俯视图，描绘了周围气体围绕涡轮机820的叶片826的运动。
参照图9，图9示出了根据本公开的另一实施例的用于生长微生物的生物反应器900的示例性实施方式的示意图。生物反应器900包括反应室902。反应室902包括引流管904以及气体入口906。反应室902还包括叶片结构908，该叶片结构被布置在反应室902的内部并且围绕引流管904。此外，引流管904包括内部叶片结构910，该内部叶片结构被布置在引流管904的内部。生物反应器900进一步包括泵912，该泵被布置在反应室902的外部，用于通过普通的喷射器结构914将反应混合物从反应室902循环到引流管904。如图所示，普通的喷射器结构914包括气体吸入口916以及喷嘴918。此外，反应混合物从普通的喷射器结构914的喷嘴918排出。特别地，通过反应混合物的流动在气体吸入口916处产生吸入压力，导致将周围气体吸入普通的喷射器结构914。因此，气体和反应混合物的混合物被循环到引流管904。
在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对上文描述的本公开的实施例进行修改。用于描述和声明本公开的例如“包含”、“包括”、“合并”、“具有”、“是”等表述旨在以非排他性的方式进行解释，即允许也存在未明确描述的项目、组件或者元件。涉及的单数也应该被解释为涉及复数。
Claims (18)
1.一种用于生长微生物的生物反应器(100)，所述生物反应器包括反应室(102)，所述反应室用于容纳包括反应培养基和微生物的反应混合物，所述反应室具有第一端(202)、第二端(204)、由所述第一端处的内表面和所述第二端处的内表面之间的距离界定的内高度Hr、和内直径Dr，并且所述生物反应器包括：
-引流管(210)，所述引流管被布置在所述反应室的内部，所述引流管具有：
-第一端(212)、第二端(214)和侧壁(216)，所述侧壁连接所述第一端和所述第二端，
-内直径Dd，其中，Dd小于Dr，
-高度Hd，所述高度Hd由所述第一端和所述第二端之间的距离界定，其中，Hd小于Hr，
-至少一个气体入口(104，106，108)，
-反应混合物入口，所述反应混合物入口位于所述引流管的所述第一端，以及
-反应混合物出口，所述反应混合物出口位于所述引流管的所述第二端；
-用于在所述反应室的内部产生反应混合物的流动(224)的装置；
-至少一个第一叶片结构(226A，226B)，所述至少一个第一叶片结构被布置在所述反应室的内部，围绕所述引流管，其中，所述至少一个第一叶片结构包括多个叶片，所述多个叶片被布置为以下至少之一：
-相对于由所述反应室的高度界定的方向以角度α1布置，所述角度α1为20°-40°，或者
-相对于由所述反应室的高度界定的方向以角度α2布置，所述角度α2为320°-340°；
-至少一个反应培养基入口；以及
-至少一个出口(110)，所述至少一个出口用于取出具有生长完成的微生物的培养基。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，所述生物反应器进一步包括第二叶片结构(228A，228B)，所述第二叶片结构被布置在所述反应室(102)的内部，围绕所述引流管(210)，
-所述第二叶片结构被布置在距离所述第一叶片结构(226A，226B)的距离L1处；
-所述第一叶片结构包括多个叶片，所述多个叶片相对于由所述反应室的高度界定的方向以所述角度α1布置，所述角度α1为20°-40°；以及
-所述第二叶片结构包括多个叶片，所述多个叶片相对于由所述反应室的高度界定的方向以所述角度α2布置，所述角度α2为320°-340°。
3.根据权利要求1或2所述的生物反应器，其中，所述生物反应器(100)进一步包括循环单元(700，800，900)，所述循环单元用于将所述反应室内部的至少一种气体和所述反应室内部的所述反应混合物从所述反应室(102)循环到所述引流管(210)中。
4.如前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中，所述至少一个气体入口(104，106，108)被设置在所述引流管(210)的所述侧壁(216)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中，所述至少一个气体入口(102，104，108)包括喷嘴(222)，所述喷嘴包括多个开口，所述多个开口用于产生气泡。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中，所述至少一个出口(110)用于取出具有生长完成的微生物的培养基，所述至少一个出口被布置在所述反应室(102)的所述第一端(202)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中，所述引流管(210)进一步包括叶轮(218)，所述叶轮被布置在所述引流管的内部，用于混合所述反应混合物。
8.根据权利要求7所述的生物反应器，其中，所述叶轮(218)被布置为比所述至少一个气体入口(104，106)更靠近所述引流管(210)的所述第一端(212)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器包括涡轮机(820)，所述涡轮机被连接到轴，所述轴被连接到搅拌轴，用于气体的循环。
10.根据权利要求1到8中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器包括外部泵(720)，所述外部泵用于气体的循环。
11.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中，用于在所述反应室(102)内产生所述反应混合物的流动(224)的所述装置是泵(510)，并且所述引流管(210)包括至少一个内部叶片结构(606，608)，所述至少一个内部叶片结构垂直于所述引流管的高度方向布置，并且所述内部叶片结构(606A，606B，606C，606D)包括多个叶片，所述多个叶片相对于由所述引流管的高度界定的方向以角度αd1布置，所述角度αd1为20°-40°。
12.根据权利要求11所述的生物反应器，其中，所述引流管(210)包括两个内部叶片结构(606A，606B)，所述两个内部叶片结构彼此相距一定距离布置，并且所述两个内部叶片结构的叶片相对于由所述引流管(210)的高度界定的方向以不同的角度布置。
13.根据权利要求11或12所述的生物反应器，其中，所述引流管(210)包括三个或者更多个内部叶片结构(606A，606B，606C，606D)，并且每个相邻的内部叶片结构的叶片相对于由所述引流管(210)的高度界定的方向以不同的角度布置。
14.根据权利要求11到13中任一项所述的生物反应器，其中，所述至少一个气体入口(104，106，108)被布置为比所述至少一个内部叶片结构(606A，606B，606C，606D)更靠近所述引流管(210)的所述第二端(214)。
15.根据权利要求11到13中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器包括喷射器结构(914)，所述喷射器结构与所述至少一个气体入口(104，106，108)和/或液体入口(512)连接。
16.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，其中，每个叶片结构(226A，226B，228A，228B)和每个内部叶片结构(606A，606B，606C，606D)独立地包括30个-60个叶片。
17.根据前述权利要求中任一项所述的生物反应器，所述生物反应器进一步包括至少一个传感器(112)。
18.根据权利要求17所述的生物反应器，其中，所述至少一个传感器(112)选自由以下各项组成的组：泡沫形成传感器，温度传感器，液体流量传感器，气体流量传感器，气体位传感器和液位传感器。
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