DE69521114T2

DE69521114T2 - Bioreaktor

Info

Publication number: DE69521114T2
Application number: DE69521114T
Authority: DE
Inventors: Akira Horigane; Masayoshi Kamio; Ushio Matsukura
Original assignee: DIRECTOR GENERAL OF NAT AGRICU; National Agriculture Research Center
Current assignee: Inc ADMINISTRATIVE AGENCY NATIONAL AGRICU
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-03-15
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2015-03-16
Also published as: US5587298A; JPH08228762A; JP3215862B2; DE69521114D1; EP0730025A1; EP0730025B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bioreaktor zum Ausführen biologischer und/oder biochemischer Reaktionen. Im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Bioreaktor, der für eine Anwendung bei Qualitätseinschätzung, -analyse usw. in Systemen angepaßt ist, bei denen es schwierig ist, eine gleichmäßige Dispersion und Durchmischung zu erzielen, wie solche in der Produktion von Nahrungsmitteln, biologischen Proben und Arzneimitteln usw.
Bisher haben drei Grundtypen von Bioreaktoren ihre praktischen Verwendungen beim Ausführen biologischer und biochemischer Reaktionen gefunden, nämlich ein stationärer Typ, ein Schüttel-Typ und ein Dreh-Typ. Bei herkömmlichen Bioreaktoren sind dynamische Analysen von Reaktionen allgemein für verdünnte Reaktionssysteme unter Verwendung eines niedrig konzentrierten Substrats versucht worden. Jedoch sind bisher wenige Versuche zum Analysieren von Reaktionssystemen mit hochkonzentrierten oder unlöslichen Substraten vorgenommen worden.
Als ein allgemeiner stationärer Bioreaktor wird ein fest aufgestelltes Reaktionsgefäß, wie ein Erlenmeyerkolben, eingesetzt, in dem ein Rührer angeordnet ist, um so eine horizontale Drehbewegung durchzuführen, um eine Bewegung der Reaktionsmischung zu bewirken, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Während dieser Bioreaktor einen ökonomischen Lauf der Reaktion gestattet, kann er jedoch nicht mit einem hochviskosen Substrat arbeiten, und zwar aufgrund des mangelnden Antriebsdrehmoments des Rührers. Bei diesem Bioreaktor ist es auch ein Nachteil, daß Substrate mit Dichten, die sich von denjenigen des Lösungsmittels, d. h. des Reaktionsmediums unterscheiden, dazu neigen, nach oben zu steigen oder als Sediment nach unten zu gelangen, um eine Trennung der Reaktionsmischung zu bewirken.
Bei Bioreaktoren des schüttelnden Typs ist eine Schüttel- Kultur unter Verwendung von Teströhrchen als das Kulturgefäß umfangreich in der Praxis benutzt worden. Bei diesem System wird die Reaktion durch eine horizontale Hin- und Herbewegung des Kulturgefäßes beschleunigt. Dieser Bioreaktor kann nicht für ein hochviskoses Reaktionssystem dienen und kann zusätzlich ein Problem der Trennung der Reaktionsmischung für ein Reaktionssystem mit einem Substrat herbeiführen, das eine Dichte hat, die verschieden von derjenigen des Reaktionsmediums ist.
Bei Bioreaktoren des drehenden Typs haben solche, bei denen ein Reaktionsgefäß, wie ein Teströhrchen, mit einem Stopfenverschluß beispielsweise einer kreisförmigen Bewegung unterzogen wird, und zwar mittels beispielsweise einer Dreheinrichtung, um eine Bewegung der Reaktionsmischung zu bewirken, ihre umfangreichen Verwendungen in der Praxis gefunden. Diese Bioreaktoren sind geeignet für Reaktionen, die mit moderaten Reaktionsgeschwindigkeiten durchzuführen sind, wie bei einer Zellkultur. Auch bei diesem Typ von Bioreaktoren tritt jedoch das Aufsteigen für Substrate auf, die niedrigere Dichten als diejenige des Reaktionsmediums haben, und eine Homogenität kann nicht erreicht werden. Bei Reaktionssystemen, die Gase freisetzen, wird der interne Druck aufgrund des dichten Stopfenverschlusses ansteigen, was gelegentlich zu einem Austreten der Reaktionsmischung führt. Da die Bioreaktoren dieses Typs allgemein in einem Aufbau ausgeführt sind, bei dem das Reaktionsgefäß, die mechanische Antriebsanordnung und die Steuereinheit dafür integral zu einer Einheit kombiniert sind, sollte die gesamte Installation in einem Raum mit konstanter Temperatur vorgenommen werden. Der Einsatz eines Raums mit konstanter Temperatur bringt Nachteile dahingehend mit sich, daß eine große Investition erforderlich ist und daß er begleitet wird von dem Auftreten von Instabilität der Temperatur, wenn die Raumtür geöffnet oder geschlossen wird, da der Thermostat dafür die Atmosphärenluft, die eine niedrige spezifische Wärme hat, als das Heizmedium benutzt.
Zur Überwindung solcher Nachteile der früheren Techniken wurde ein Bioreaktor vorgeschlagen (japanische Patentveröffentlichung Nr. JP-A-9172957), bei dem ein Planetengetriebe in das Reaktionsgefäß zum wirksamen Mahlen und Mischen der Reaktionsmischung eingebaut ist, während ein Konvektionsfluß für die Reaktionsmischung durch eine vertikal angeordnete Schraubenfördereinrichtung vorgegeben wird.
Bei dem Betrieb dieses Bioreaktors wird jedoch die Reaktionsmischung, die von den Getrieberädern ergriffen wird, durch die Kraft, die aufgrund der Drehung des Rades erzeugt wird, nach außen gezwungen, so daß ein gleichzeitiges Erreichen einer gleichmäßigen Bewegung und einer Mahlwirkung für ein Reaktionssystem mit hohem Gehalt unlöslicher Feststoffe schwierig ist. Darüber hinaus ist der Aufbau der Vorrichtung kompliziert. Zusätzlich kann der Mahlvorgang durch die Getrieberäder möglicherweise Zerstörungen der lebenden Mikroorganismen bewirken.
Die JP-A-63117038 beschreibt einen horizontalen Reaktor für eine Behandlung von hochviskosem Material. Der Reaktor ist mit zwei bewegungsbewirkenden Wellen ausgestattet, die in gegenläufigen Richtungen rotieren.
Die DE-A-26 48 086 beschreibt einen Reaktor, bei dem das Durchmischen der Reaktanten durch Drehung einer Rühreinrichtung um die vertikale Achse des Reaktors herbeigeführt wird.
Die Rühreinrichtung umfaßt mindestens zwei schraubenähnliche Segmente, die entlang einer Mittelachse in einer solchen Weise angeordnet sind, daß das zweite Segment in Bezug auf das erste Segment um einen Winkel versetzt ist.
Die DD-A-292437 beschreibt den Erhalt einer Flüssigkeit, die gerührt und mit Luft beaufschlagt wird, die ein paar gegenläufig rotierender Propeller aufweist, die zentral innerhalb eines Reaktionsgefäßes angebracht sind, um einen nach unten gerichteten Flüssigkeitsfluß herbeizuführen. Das Gerät ist dazu gedacht, Luft über die Gefäßinhalte zu dispergieren und zu verteilen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme des Standes der Technik zu vermeiden und einen neuen Bioreaktor zum Ausführen biologischer und/oder biochemischer Reaktionen für Substrate zu schaffen, die sogar als unlösliches festes Material, das eine Tendenz zeigt, in dem Reaktionsgefäß aufzusteigen oder sich als Sediment abzusetzen, oder als hochkonzentrierte oder hochviskose Flüssigkeit vorliegen und nur schwierig dispergiert werden können, wobei es der Bioreaktor ermöglicht, das Substrat zu zermahlen und zu dispergieren, um es gleichmäßig zu mischen, während eine Extrahieren des verbrauchten Substrats unter Abtrennung durch beispielsweise Sieben bewirkt wird, um dadurch einen kontinuierlichen Betrieb des Bioreaktors unter Beibehaltung der Konstanz der Reaktionsbedingung in dem Gefäß für eine lange Zeitdauer zu erreichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein neuer Bioreaktor zum Ausführen biologischer und/oder biochemischer Reaktionen für Substrate in Gegenwart eines Mikroorganismus oder von Mikroorganismen oder einer chemischen Substanz oder von chemischen Substanzen bereitgestellt, der aufweist:
Ein Reaktorgefäß zum Durchführen einer Reaktion oder von Reaktionen darin,
eine Mehrzahl Schrauben, die in dem Reaktionsgefäß aufrecht, parallel und benachbart zueinander und zu der Innenwandfläche des Reaktionsgefäßes angeordnet sind, so daß sie einen vertikalen Fließweg für ein Reaktionsprodukt innerhalb des Raumes ausbilden, der von den Schrauben und der Innenwandfläche umgeben ist, wobei die Mehrzahl benachbarter Schrauben so angeordnet ist, daß das spiralförmige Schraubengewinde einer Schraube gegensinnig demjenigen einer benachbarten Schraube ist,
Mittel zum Drehen der benachbarten Schrauben in einander gegenläufigem Drehsinn, um dadurch eine Reaktionsmischung in dem Reaktionsgefäß aufwärts zu führen, so daß eine Durchmischung der Reaktionsmischung und ein Mahlen der Teilchen aufgrund eines Reibungseffektes zwischen den Teilchen bewirkt wird und ein Siebvorgang durch Bewegen kleindimensionierter Teilchen in den vertikalen Fließweg durch gegenüberliegende Abschnitte benachbarter Schrauben hierdurch bewirkt wird,
ein Mittel zum Aufrechterhalten des Reaktionsgefäßes bei einer vorbestimmten Temperatur,
eine Einrichtung zum Zuführen des Substrats zu dem Reaktionsgefäß und
eine Einrichtung zum Ausscheiden der Reaktionsmischung von dem Reaktionsgefäß.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Ausführen biologischer und/oder biochemischer Reaktionen in Gegenwart eines Mikroorganismus oder von Mikroorganismen oder einer chemischen Substanz oder von chemischen Substanzen bereitgestellt, welches umfaßt:
Einbringen eines Substrats in ein Reaktionsgefäß eines Bioreaktors, der einen oder mehrere Mikroorganismen oder eine oder mehrere chemische Substanzen enthält, welches Gefäß mit einer Mehrzahl Schrauben ausgestattet ist, die in dem Gefäß aufrecht, parallel und benachbart zueinander und zu der Innenwandfläche des Reaktionsgefäßes angeordnet sind, um einen vertikalen Fließweg eines Reaktionsproduktes innerhalb des Raumes auszubilden, der von den Schrauben und der Innenwandfläche umgeben ist, wobei die Mehrzahl benachbarter Schrauben so angeordnet ist, daß das spiralförmige Schraubengewinde einer Schraube gegensinnig zu demjenigen einer benachbarten Schraube ist,
Durchführen der Reaktion oder der Reaktionen unter Betrieb des Bioreaktors, so daß die benachbarten Schrauben in gegenläufigem Drehsinn zueinander gedreht werden, um dadurch eine Reaktionsmischung in dem Reaktionsgefäß aufwärts zu führen, eine Durchmischung der Reaktionsmischung und ein Zermahlen der Teilchen aufgrund eines Reibungseffektes zwischen den Teilchen bewirkt wird, und ein Siebvorgang durch Bewegen kleindimensionaler Teilchen in den vertikalen Fließweg durch sich gegenüberliegende Abschnitte benachbarter Schrauben hierdurch bewirkt wird, und
Ausscheiden des Reaktionsproduktes aus dem vertikalen Fließweg.
In den beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 ist eine Ansicht von oben, die eine Ausführungsform des Bioreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Fig. 2 zeigt den Bioreaktor in einer Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 1 unter Fortlassung der Substratzuführeinrichtung.
Fig. 3 zeigt die Substratzuführeinrichtung des Bioreaktors in einer Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 1.
Bei dem Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung können das Reaktionsgefäß und Komponenten, die mit der Reaktionsmischung in Kontakt gelangen, bevorzugt aus einem Material hergestellt sein, das inert gegenüber der Reaktionsmischung sowohl in biologischer als auch in chemischer Hinsicht ist, ohne irgendeine Toxizität für den Mikroorganismus und irgendeine Katalysatorvergiftung für die Reaktion zu zeigen, wie ein Polytetrafluorcethylen oder ein Acrylharz.
Irgendeine Ausführung kann bei den Schrauben angewandt werden, solange eine Mehrzahl von Schrauben im wesentlichen in einem parallelen und einem aneinander angrenzenden Verhältnis zueinander in einer solchen Weise angeordnet sind, daß die Inhalte des Reaktionsgefäßes von zwei aneinander angrenzenden Schrauben, die in Drehung gehalten werden, zwischen den sich gegenüberliegenden Schraubengewinden eingefangen und in der vertikalen Richtung des Reaktionsgefäßes geführt werden. Jedoch ist es bevorzugt, daß die zwei parallelen Schrauben sämtlich ein sukzessives spiralförmiges Schraubengewinde oder eine schraubenförmige Rippe haben, die sich in gegenläufigem Sinn zueinander drehen und einander gegenüberstehen und für ihre Drehung in umgekehrtem Sinn zueinander angeordnet sind, wobei es besonders bevorzugt ist, daß jede der zwei Schrauben einen Gang hat, der nahezu untereinander derselbe ist. Hier können die Schrauben aus einem Material hergestellt sein, das gegenüber der Reaktionsumgebung inert ist, und sie können mit einem Schraubengewinde oder einer schraubförmigen Rippe mit grobem Gang und umgekehrtem Drehsinn zueinander miteinander verbunden sein, wobei die zwei Schrauben mit einem Getriebe verbunden sind, das in einem oberen Teil des Reaktionsgefäßes angeordnet ist, und in einem bewegungsgekoppelten Verhältnis angetrieben werden, um eine Drehung dieser Schrauben in zueinander umgekehrtem Sinne zu bewirken, um dadurch für die Inhalte des Reaktionsgefäßes zu bewirken, daß sie in vertikaler Richtung entweder aufwärts oder abwärts geführt werden, um eine wirksame Bewegung der Reaktionsmischung zu erreichen.
Zum Antrieb der Schrauben ist es bevorzugt, eine Antriebseinheit zu benutzen, die aus einem Antriebsmotor und einem Übertragungsmechanismus zum Übertragen der Antriebsleistung auf die Schrauben in umgekehrtem Drehsinn durch das Getriebe, das über ihnen angeordnet ist, aufgebaut ist.
In dem Fall, wenn die Mehrzahl Schrauben in dem Reaktionsgefäß in enger Nachbarschaft zur Innenwandfläche des Reaktionsgefäßes angeordnet sind und eine Einrichtung zum Zurückziehen der Reaktionsmischung an einem Abschnitt angeordnet ist, bei dem die Reaktionsmischung von den Schrauben freigegeben ist, kann ein gesiebtes Reaktionsprodukt dem Bioreaktor entnommen werden. Für die Einrichtung zum Ausscheiden der Reaktionsmischung kann ein Schraubenförderer angepaßt werden, während die Verwendung anderer passender Vorrichtungen selbstverständlich gestattet ist.
Für die Temperaturbeibehaltungseinrichtung zum Aufrechterhalten des Reaktionsgefäßes bei einer vorbestimmten Temperatur kann eine Anordnung mit einem Wassermantel, der das Reaktionsgefäß umgibt und durch den Wasser bei einer konstanten Temperatur von einem Konstanttemperaturbad aus zirkuliert, bevorzugt sein.
Für die Einrichtung zum Zuführen des Substrats zu dem Reaktionsgefäß kann in Übereinstimmung mit der Art der Reaktion irgendeine frei wählbare ausgewählt werden, während es möglich ist, eine solche Ausführungsform einzusetzen, bei der das Substrat von beispielsweise einem Trichter aus bei einer konstanten Geschwindigkeit durch Dosieren einer vorbestimmten Menge des Substrats in jedem Zeitintervall zugeführt wird.
Es ist bevorzugt, die Arbeitsvorgänge der Antriebseinheit für die Schrauben, der Temperaturbeibehaltungseinrichtung, der Substratzuführeinrichtung und die Reaktionsprodukt-Ausscheidungseinheit unter Verwendung einer Steuereinheit, die einen Computer umfaßt, zu steuern.
Zum Durchführen einer biologischen oder biochemischen Reaktion unter Verwendung des Bioreaktors gemäß der vorliegenden Erfindung wird dem Reaktionsgefäß ein Substrat zugeführt, während das Reaktionsgefäß auf einer vorbestimmten Temperatur durch den Betrieb der Temperaturbeibehaltungseinrichtung gehalten wird, und die Reaktion wird für das Substrat in Gegenwart eines oder mehrerer Mikroorganismen oder einer oder mehrerer chemischer Substanzen, wie Enzyme, unter Betätigung der Antriebseinrichtung für die Schrauben durchgeführt. Durch die Drehung dieser Schrauben werden die Inhalte des Reaktionsgefäßes vertikal in dem Reaktionsgefäß entweder aufwärts oder abwärts geführt, während sie zermahlen und gesiebt werden, um eine Dispersion und Durchmischung des Substrats zu bewirken. Durch Auswählen eines engeren Abstands zwischen den aneinander angrenzenden Schrauben wird die Reaktionsmischung, die zwischen den sich gegenüberliegenden Schraubengewinden oder den schraubenförmigen Rippen eingefangen ist, unter Zusammendrücken in Richtung auf die Vorwärtsrichtung der sich drehenden Schrauben gezwungen, wodurch die Feststoffteilchen des Substrats einem Reibungsvorgang miteinander ausgesetzt werden und somit mechanisch zermahlen werden.
Wenn die Schrauben in einer engen Nachbarschaft zur Innenwandfläche des Reaktionsgefäßes angeordnet sind, wird auf die Reaktionsmischung an der Seite der Innenwandfläche des Reaktionsgefäßes eine Preßeinwirkung ausgeübt, um dadurch zu bewirken, daß die kleiner dimensionierten Teilchen, die von dem Zermahlvorgang gebildet sind, zusammenkommen, wodurch ein Sieben der Feststoffteilchen erreicht wird.
Die Reaktionsgefäßinhalte, die in der vertikalen Richtung geführt werden, werden dann an dem oberen oder unteren Abschnitt des Gefäßes seitlich abgelenkt und bewirken einen Konvektionsfluß, wodurch die Substratteilchen gleichmäßig dispergiert und gemischt werden. In dieser Weise können Reaktionen unter einer Bedingung verwirklicht werden, bei der das Substrat gleichmäßig dispergiert und gemischt ist, selbst wenn eine gleichmäßige Dispersion des Substrats nur schwierig erreichbar ist, wie in dem Fall, wenn das Substrat als unlösliche Feststoffteilchen vorliegt und dazu neigt, in dem Reaktionsmedium aufzusteigen oder sich als Sediment abzusetzen, oder in dem Fall, wenn es als hochkonzentriertes oder hochviskoses Fluid in Erscheinung tritt. Ein Teil der Reaktionsmischung wird aus dem Reaktionsgefäß durch die Einrichtung zum Ausscheiden der Reaktionsmischung ausgeschieden.
Die Reaktion kann gemäß einem bestimmten Programm, das in dem Computer der Steuereinheit eingestellt ist, durchgeführt werden, und es ist möglich, die Reaktion unter einer vorbestimmten Bedingung kontinuierlich für eine lange Zeitdauer durchzuführen. Durch Steuern des Bewegungszustandes in dem Reaktionsgefäß ist es möglich, eine sanfte Bewegung einzusetzen, wodurch eine Reaktion vorgenommen werden kann, die bei Erhaltung eines schwachen Mikroorganismus, wie einer Protozoa, durchgeführt wird.
In den Reaktionen können Substrate, die von Natur aus aufsteigen oder sich als Sediment absetzen, wirksam in dem Reaktionsmedium dispergiert werden, z. B. einem Kulturmedium, und zwar durch einen Bewegungseffekt aufgrund des Konvektionsflusses und durch den Zermahleffekt aufgrund der Kompressionsreibung der Teilchen. Wenn das Substrat als unlösliche Feststoffteilchen vorliegt, kann ein mechanisches Zermahlen des Substrates erreicht werden und die Reaktion kann ohne Einschluß einer speziellen Vorbehandlung vorgenommen werden, wie einer Veresterung für ein Substrat aus Öl oder Fett niedriger Dichte.
Wenn das Reaktionsgefäß in einem Aufbau ausgeführt ist, der die Aufrechterhaltung eines gasdichten Zustands gestattet, kann ein frei wählbares Gas, wie ein anaerobes Gas, gewählt werden, um dadurch die Durchführung einer Kultur aus beispielsweise einem zwingend anaeroben Mikroorganismus einfach zu ermöglichen.
Wie oben beschrieben ist, kann gemäß dem Bioreaktor der vorliegenden Erfindung das Substrat wirksam zermahlen werden, um eine gleichmäßige Dispersion und Durchmischung in dem Reaktionsmedium zu erreichen, und das Reaktionsprodukt kann aus dem Reaktionsgefäß unter Trennung durch Sieben zurückgezogen werden, und zwar bei einem Zustand, bei dem das Substrat gleichmäßig dispergiert und durchmischt ist, selbst wenn eine gleichmäßige Dispersion des Substrats nur schwierig zu erreichen ist, wie in dem Fall, wenn das Substrat als unlösliche Feststoffteilchen vorliegt und dazu neigt, in dem Reaktionsmedium aufzusteigen oder sich als Sediment abzusetzen, oder in dem Fall, wenn es als hochkonzentriertes oder hochviskoses Fluid in Erscheinung tritt, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des Bioreaktors unter Wahrung der Konstanthaltung der Reaktionsbedingung in dem Gefäß für eine lange Zeitdauer erreicht werden kann.
Unten ist die vorliegende Erfindung im Wege einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese Ausführungsform veranschaulicht einen Bioreaktor, der für eine biologische oder biochemische Reaktion unter Verwendung eines Pulvers aus Getreidesamen (Sesam, Reis oder ähnliches) als das Substrat angepaßt ist.
Fig. 1 ist eine Ansicht von oben des Bioreaktors, Fig. 2 ist eine Schnittansicht davon entlang der Linie A-A, wobei sein Trichter fortgelassen ist, und Fig. 3 zeigt den Trichter in dem Abschnitt entlang der Linie A-A, wobei die Schnittebene örtlich geändert ist, wie in Fig. 1 angegeben ist, um das Verständnis zu erleichtern.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet die Ziffer 1 das Reaktionsgefäß mit einer zylindrischen Reaktionskammer 2, die von einer Doppelwand umgeben ist, die aus einer inneren Wand 1a und einer äußeren Wand 1b besteht, die zwischen sich einen Wassermantel 3 ausbilden. Das Reaktionsgefäß 1 ist mit einem Deckel 4 dicht geschlossen, der darauf mit Gewindeschrauben 5 befestigt ist. Das Reaktionsgefäß 1 und der Deckel 4 sind aus einem Inertmaterial hergestellt, wie einem Acrylharz, und sind in einem gasdichten Aufbau ausgeführt. Nahe benachbart der Innenwandfläche 2a der Reaktionskammer 2 sind zwei Schrauben 6 und 7 in einer aufrechten Stellung angeordnet, deren Wellen 6a und 7a an ihren unteren Enden in Lagerelementen 8 und 9 auf der Bodenwand 1c des Gefäßes und mit ihren oberen Abschnitten in Lagerelementen 11 und 12 jeweils drehbar gelagert sind und durch den Deckel 4 hindurch vorstehen. Die Schrauben 6 und 7 sind in einem eng benachbarten Verhältnis zueinander angeordnet und weisen jede eine spiralförmige Rippe 6b und 7b auf, deren jede denselben groben Gang hat, jedoch in gegenläufigem Drehsinn zueinander. Die zwei Schrauben sind so angeordnet, daß ihre spiralförmigen Rippen Kopf an Kopf zueinander an dem nächsten gegenüberliegenden Abschnitt 13 der Schrauben ausgerichtet sind. Die Schrauben 6 und 7 sind aus einem Inertmaterial hergestellt, wie Polyacetal-Harz.
Die Wellen 6a und 7a der Schrauben 6 und 7 sind sämtlich jeweils an dem Abschnitt, der über dem Deckel 4 vorsteht, mit jeweils einem Zahnrad 14 oder 15 ausgestattet, die in Eingriff miteinander gehalten sind. Die Welle 6a ist außerdem oberhalb des Zahnrades 14 mit einem Zeitgebungsrad 16 ausgestattet, das für die Übertragung der Antriebsleistung von einem Schrittmotor 13 über ein Zeitgebungsband 17 dient. Die Welle 7a ist außerdem oberhalb des Zahnrades 15 mit einem anderen Zahnrad 19 ausgestattet.
Innerhalb der Innenwand 1a ist an einem Abschnitt vor dem nächsten gegenüberliegenden Abschnitt 13 der Schrauben 6 und 7 ein sich vertikal erstreckender Ausscheidungsweg 21 zum Ausscheiden des Reaktionsprodukts angeordnet, der mit seinem oberen Teil mit der Reaktionskammer 2 durch eine Verbindungsöffnung 22 und mit seinem unteren Teil mit einer Ausscheidungsleitung 23 überein Ventil 24 in Verbindung steht. Der Ausscheidungsweg 21 ist darin mit einem Schraubenföderer 25 ausgestattet, dessen Welle 25a drehbar an seinem oberen Abschnitt in einem Lagerelement 27 in dem Deckel 4 gelagert ist. Die Welle 25a ist an dem Abschnitt, der über den Deckel 4 vorsteht, mit einem Zahnrad 27 ausgestattet, das in Eingriff mit dem Zahnrad 19 gehalten ist.
Jeweils ist an einem unteren Abschnitt der Außenwand 1b ein Einlaß 31 für Wasser konstanter Temperatur zu dem Wassermantel 3 und an einem oberen Abschnitt auf der gegenüberliegenden Seite davon ein Auslaß 32 des Wassermantels 3 angeordnet, von denen beide mit einem Kontakttemperaturbad 34 über eine Zirkulationsleitung 33 und eine Zirkulationspumpe 35 verbunden sind. Das Bad 34 konstanter Temperatur ist so gesteuert, daß es eine konstante Temperatur aufgrund der Temperatursignale von einem Wärmesensor 39 aufrechterhält. Eine Kulturlösungs-Zuführleitung 36 öffnet sich in die Reaktionskammer 2 durch den Deckel 4 hindurch, um eine Zuführung der Kulturlösung mittels einer Zuleitungspumpe 37 zu gestatten. Auch öffnet sich eine Gaszuführleitung 41, die über ein Steuerventil 42 mit einem Gasbehälter 43 verbunden ist, in die Reaktionskammer 2, um die Zuführung des Gases zu der Reaktionsmischung 40 in der Kammer durch den Deckel 4 hindurch zu gestatten.
Ein Substratzuführeinlaß 45 ist nahe der Mitte des Deckels 4 angeordnet, worüber eine Substratzuführeinheit 46 angeordnet ist. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Substratzuführeinheit 46 mit einer Abdeckplatte 48 an dem Boden ihres Gehäuses 47 und mit einer Wiegeeinrichtung 49 des schwingenden Typs ausgestattet, die angeordnet ist, um es zu ermöglichen, daß sie um die Achse 51 in ihrem oberen Abschnitt schwingt. Der untere Abschnitt der Wiegeeinrichtung 49 ist mit der Abdeckplatte 48 durch ein flexibles Verbindungsglied 52 verbunden. Oberhalb der Wiegeinrichtung 49 ist ein beweglicher, gekrümmter Trichterteil 53 ausgebildet, so daß der Vorgang des Öffnens und Schließens des Durchlasses 55 zwischen ihm und einem festen Trichterteil 54 bewirkt wird. Die Abdeckplatte 48 dient zum Öffnen und Schließen der Zuführeinheit durch Betätigung eines Solenoiden 56, um die Abdeckplatte zurückzuziehen, und durch seine Deaktivierung, um in die geschlossene Position durch eine Kompressionsfeder 57 zurückzukehren. 50 gibt einen Einlaß zum Auffüllen des Substrats wieder.
Wie in Fig. 2 gesehen, ist das Reaktionsgefäß 1 an seinem Boden 1c mit einem Auslaßweg 58 ausgestattet, der mit einer Auslaßleitung 59 über ein Ventil 60 in Verbindung steht. 10 bezeichnet eine Steuereinheit, die einen Computer, eine Eingabeeinheit, eine Ausgabeeinheit usw. umfaßt, die zum Steuern des Schrittmotors 18, des Konstanttemperaturbades 34, der Zirkulationspumpe 35, der Zuführpumpe 37, des Steuerventils 42, des Solenoiden 56 usw. elektrisch verbunden ist.
Die biologische oder biochemische Reaktion unter Verwendung des oben beschriebenen Bioreaktors wird in der folgenden Weise vorgenommen: Das Konstanttemperaturbad 34 wird zuerst auf eine vorbestimmte Temperatur durch einen Befehl von der Steuereinheit 10 eingestellt, wonach das Wasser, das die so eingestellte konstante Temperatur hat, in den Wassermantel 3 durch Betätigung der Zirkulationspumpe 35 durch die Zirkulationsleitung 33 und den Wassereinlaß 31 eintritt und bewirkt wird, daß es dadurch zirkuliert, um die Temperatur der Innenseite der Reaktionskammer 2 auf der entsprechenden konstanten Temperatur zu halten. Dann wird die Kulturlösung (ein Puffer, ein flüssiges Kulturmedium oder ähnliches) der Reaktionskammer 2 durch Betätigung der Zuführpumpe 37 aufgrund eines Befehlsignals von der Steuereinheit 10 zugeführt. In einer ähnlichen Weise wird das Steuerventil 42 betätigt, um der Reaktionskammer 2 ein Gas (wie N&sub2;, CO&sub2; oder ähnliches) von dem Gasbehälter 43 aus über die Gaszuführungsleitung 41 zuzuführen.
Demgegenüber wird die Substratzuführeinrichtung 46 durch Betätigung des Solenoiden 56 bei einem vorbestimmten Zeitintervall durch ein Befehlsignal von der Steuereinheit 10 betrieben, um zu bewirken, daß die Abdeckplatte 48 sich öffnet und die Wiegeeinrichtung 49 aufschwingt, um ein Dosieren des Substrats zu bewirken, wodurch der Reaktionskammer 2 das Substrat durch den Substratzuführeinlaß 45 zugeführt wird.
Hier arbeitet die Wiegeeinrichtung 49 so, daß sie den Durchlaß 55 durch Schwingen des beweglichen Teils um die Achse 51 schließt, um das Abwiegen einer Dosierung des Substrates 20 zu bewirken, das der Reaktionskammer 2 durch den Zuführungseinlaß 45 zugeführt wird, wonach die Abdeckplatte 48 zur ihrer Ausgangsposition durch die Kompressionskraft der Feder 57 zurückkehrt, wodurch der Durchlaß 55 sich erneut öffnet, um es dem Substrat 20 zu gestatten, herunter auf die Abdeckplatte 48 zu fallen.
In dem oben beschriebenen Zustand wird der Schrittmotor 18 durch ein Befehlsignal von der Steuereinheit 10 betätigt, um zu bewirken, daß sich die Schrauben 6 und 7 drehen und die Reaktion wird in Gegenwart von einem oder mehreren Mikroorganismen oder einer oder mehreren chemischer Substanzen, wie Enzyme, durchgeführt. Hier wird das Drehmoment des Schrittmotors 18 über das Zeitgebungsband 17 zu dem Zeitgeberrad 16 übertragen, wobei das Drehmoment bei einer Drehung der Welle 6a weiter zu der Welle 7a durch die Zahnräder 14 und 15 übertragen wird. Dadurch wird bewirkt, daß die Schrauben 6 und 7 sich in gegenläufigem Sinn zueinander drehen, so daß die Reaktionsmischung, die um sie herum vorliegt, in vertikaler Richtung, entweder nach oben oder nach unten, geführt wird.
Die Reaktionsmischung 40, die zwischen den sich gegenüberliegenden spiralförmigen Rippen 6b und 7b an dem sich gegenüberliegenden Abschnitt 13 der zwei Schrauben 6 und 7 vorliegt, wird aufgrund des engen Raumes, der von den Schrauben 6 und 7 beschränkt wird, sowie aufgrund der Einschränkung der vertikalen Bewegung der Reaktionsmischung aufgrund der Gegenwart der Rippen einer zusammendrückenden, transportierenden Einwirkung unterzogen, wodurch ein Zermahlen der Teilchen aufgrund eines Reibungseffektes zwischen den Teilchen miteinander auftritt, was zu einer Verringerung der Teilchengröße führt. Innerhalb des Raumes, der von den Schrauben und der Innenwandfläche 1a auf der Seite der Verbindungsöffnung 22 umgeben ist, wird ein aufwärts verlaufender Fließweg 2a ausgebildet. In diesem Bereich kommen kleindimensionierte Teilchen, die durch das Zermahlen gebildet sind und den gegenüberliegenden Abschnitt 13 passiert haben, zusammen, wodurch ein Siebvorgang auftritt. Sämtliche der Reaktionsmischungsanteile, die um die Schrauben 6 und 7 herum angehoben werden, einschließlich derjenigen, die in dem aufsteigenden Fließweg 2a nach oben fließen, werden an dem oberen Ende in einen horizontalen Fluß abgelenkt, um dadurch die Bildung eines Konvektionsflusses zu bewirken, so daß die Reaktionsmischung, die das Substrat enthält, homogen wird.
Selbst wenn das Substrat unlöslich ist und dazu neigt, sich als Sediment abzusetzen, und selbst in einer hohen Konzentration vorliegt, wird eine gleichmäßige Mischung davon durch die Drehung der Schrauben 6 und 7 erreicht. Wenn das Substrat dazu neigt aufzusteigen, kann es dazu gezwungen werden, durch die Drehung der Schrauben im umgekehrten Drehsinn nach unten zu fließen.
Bei einer Drehung der Welle 7a wird der Schraubenförderer 25 durch die Drehung der Zahnräder 19 und 28 gedreht. Somit tritt durch die Drehung der Schrauben 6 und 7 eine Siebwirkung auf, wodurch kleindimensionierte Teilchen in dem aufsteigenden Fließweg 2a zusammenkommen, und ein Teil des Reaktionsproduktes, das in dem aufsteigenden Fließweg 2a nach oben fließt, tritt in den Ausscheidungsweg 21 von der Verbindungsöffnung 22 aus ein und wird gezwungen, nach unten zu fließen, und wird von der Ausscheidungsleitung 23 durch die Drehung des Schraubenförderers 25 ausgeschieden. Die auszuscheidende Menge aus dem Weg 21 wird durch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Schraubenförderers 25 und den Öffnungsgrad des Ventils 24 eingestellt. Die Auslaßleitung 59 und das Ventil 60 dienen zum Auslaß der gesamten Reaktionsmischung, wenn der Betrieb des Bioreaktors gestoppt wird.
Der oben beschriebene Bioreaktor gestattet eine freie Auswahl der Umdrehungsgeschwindigkeit der Schrauben in dem Bereich von einer sanften Drehung bis zu einer Hochgeschwindigkeitsdrehung, und zwar durch Steuern der Anzahl an Impulsen, die dem Schrittmotor 18 zugeführt werden, wobei es daher möglich ist, ein großes Drehmoment bei einem Niedrigeschwindigkeitsbetrieb zum Vermeiden von Zerstörungen des Mikroorganismus oder des Enzyms zum Unterstützen der Reaktion zu erzeugen. Durch den Konvektionsfluß, der durch die Schrauben 6 und 7 herbeigeführt wird, kann das Substrat wirksam in dem Kulturmedium dispergiert werden, ungeachtet des Wertes für das spezifische Gewicht, und zwar durch die Konvektionswirkung, die von den Schrauben 6 und 7 verursacht wird, und die interne Mischung des Reaktionsmediums kann wirksam selbst für eine hochviskose Substanz aufgrund des erlaubten hohen Drehmoments erreicht werden.
In dieser Weise bietet es der Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung, eine wirksame Dispersion von Substraten zu erreichen, die dazu neigen in der Reaktionsmischung innerhalb des Reaktionsgefäßes 2 aufzusteigen oder sich als Sediment abzusetzen, wodurch die Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit der Reaktionsmischung durch Bewirken einer Bewegung in dem Reaktionsgefäß mit einem ausreichenden Drehmoment selbst bei einem hochviskosen Zustand verwirklicht werden kann. Durch Halten des Reaktionsgefäßes in einem gasdichten Zustand können spezielle Gasphasensysteme, wie solche, die bei einer aeroben oder bei einer anaeroben Reaktion einzubeziehen sind, für das Reaktionssystem ausgewählt werden. Durch Zulassen einer Computersteuerung des Bewegungszustands der Reaktionsmischung kann ein breiter Bereich von Reaktionen, wie von einer Zellkultur, die eine sanfte Bewegung erfordert, bis zu einer biochemischen Reaktion, die eine starke Bewegung erfordert, frei mit besserer Reproduzierbarkeit gehandhabt werden. Selbst für das Substrat aus unlöslichem Feststoff besteht kein Bedarf, das Substrat in ein lösliches Derivat umzuwandeln, da der Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung ein mechanisches Mahlen des Substrats mit den Schrauben 6 und 7 bereitstellt.
Als experimentelles Beispiel wurde eine biologische Reaktion durchgeführt, und zwar in Gegenwart von Mikroorganismen, die in dem wiederkäuenden Magen eines Schafs unter einer anaeroben Bedingung bei 39ºC vorliegen, einerseits unter Verwendung ungemahlener Reiskörner als ein Substrat mit hohem spezifischen Gewicht und andererseits unter Verwendung von Sesamsamen als ein Substrat mit niedrigem Spezifischem Gewicht.
Für den Fall von Reiskörnern wurden die Schrauben 6 und 7 so gedreht, daß sie ein Aufwärtsfließen der Reaktionsmischung bewirken, und für den Fall der Sesamsamen wurden die Schrauben 6 und 7 umgekehrt gedreht, um eine biologische Reaktion durchzuführen. In den beiden Fällen wurde das Substrat in dem Bioreaktor dispergiert und von den Mikroorganismen gut aufgenommen. In dem Fall von Sesamsamen wurde das Reaktionsprodukt von dem Reaktionsgefäß aus nach unten unter Verwendung einer umkehrenden Schraube für den Schraubenförderer 25 ausgeschieden.
Bei einer üblichen, schüttelnden biologischen Reaktion unter Verwendung von Teströhrchen, wurden sowohl die Reiskörner als auch die Sesamsamen kaum in dem Teströhrchen dispergiert und die Einnahmegeschwindigkeit durch die Protozoen war niedrig.
Während sich das oben angegebene Beispiel mit einer biologischen Reaktion von Mikroorganismen mit einem Substrat beschäftigt, ist es möglich, den Bioreaktor gemäß der vorliegenden Erfindung auch auf andere biologische und biochemische Reaktionen mit hohen Substratkonzentrationen, wie Fermentierung, Abwasserbehandlung und organische und anorganische biochemische Reaktionen, anzuwenden.

Claims

1. Bioreaktor zum Ausführen von biologischen und/oder biochemischen Reaktionen für Substrate in Gegenwart eines Mikroorganismus oder von Mikroorganismen oder einer chemischen Substanz oder von chemischen Substanzen, mit

einem Reaktorgefäß (1) zum Durchführen einer Reaktion oder von Reaktionen darin,

einer Mehrzahl Schrauben (6, 7), die in dem Reaktionsgefäß aufrecht, parallel und benachbart zueinander und zu der Innenwandfläche (2a) des Reaktionsgefäßes angeordnet sind, um so einen vertikalen Fließweg für ein Reaktionsprodukt innerhalb des Raumes auszubilden, der von den Schrauben und der Innenwandfläche umgeben ist, wobei die Mehrzahl benachbarter Schrauben so angeordnet ist, daß das spiralförmige Schraubengewinde einer Schraube gegensinnig zu demjenigen einer benachbarten Schraube ist,

Mitteln zum Drehen (14, 15) benachbarter Schrauben in gegenläufigem Drehsinn zueinander, um dadurch eine Reaktionsmischung in dem Reaktionsgefäß aufwärts zu führen, so daß eine Vermischung der Reaktionsmischung und ein Zermahlen der Teilchen aufgrund eines Reibungseffektes zwischen den Teilchen bewirkt wird und ein Siebvorgang durch Bewegen klein dimensionierter Teilchen in den vertikalen Fließweg durch gegenüberliegende Abschnitte benachbarter Schrauben hindurch bewirkt wird,

einem Mittel (35) zum Aufrechterhalten des Reaktionsgefäßes bei einer vorbestimmten Temperatur, einer Einrichtung (46) zum Zuführen des Substrats in das Reaktionsgefäß und

einer Einrichtung (58) zum Ausscheiden der Reaktionsmischung aus dem Reaktionsgefäß.

2. Verfahren zum Ausführen biologischer und/oder biochemischer Reaktionen in Gegenwart eines Mikroorganismus oder von Mikroorganismen oder einer chemischen Substanz oder von chemischen Substanzen, umfassend

Einbringen eines Substrats in ein Reaktionsgefäß eines Bioreaktors, der einen oder mehrere Mikroorganismen oder eine oder mehrere chemische Substanzen enthält, welches Gefäß mit einer Mehrzahl Schrauben ausgestattet ist, die in dem Gefäß aufrecht, parallel und benachbart zueinander und zu der Innenwandfläche des Reaktionsgefäßes angeordnet sind, um einen vertikalen Fließweg eines Reaktionsproduktes innerhalb des Raumes auszubilden, der von den Schrauben und der Innenwandfläche umgeben ist, wobei die Mehrzahl benachbarter Schrauben so angeordnet ist, daß das spiralförmige Schraubengewinde einer Schraube gegensinnig zu demjenigen einer benachbarten Schraube ist,

Durchführen der Reaktion oder der Reaktionen unter Betrieb des Bioreaktors, so daß die benachbarten Schrauben in gegenläufigem Drehsinn zueinander gedreht werden, um dadurch eine Reaktionsmischung in dem Reaktionsgefäß aufwärts zu führen, so daß eine Durchmischung der Reaktionsmischung und ein Zermahlen der Teilchen aufgrund eines Reibungseffektes zwischen den Teilchen bewirkt wird, und so daß ein Siebvorgang durch Bewegen kleindimensionierter Teilchen in den vertikalen Fließweg durch sich gegenüberliegende Abschnitte benachbarter Schrauben bewirkt wird und Ausscheiden des Reaktionsproduktes aus dem vertikalen Fließweg.