DE69924139T2 - Festbettfermentation - Google Patents

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Description

  • Hintergrund
  • Die Festbettfermentation wird schon seit Jahrhunderten ausgeführt, zumeist in Verbindung mit der Nahrungsmittelherstellung, und kann als Technik definiert werden zum Züchten von Mikroorganismen wie Pilzen, Hefen und Bakterien, auf feuchten festen Substraten. In den letzten Jahren war eine Wiederkehr des Interesses an der Festbettfermentation und dessen Anwendbarkeit für die Herstellung von Enzymen, Metaboliten und organischen Verbindungen festzustellen. Vorrichtungen für die Festbettfermentation weisen einige Vorteile verglichen mit den normalerweise verwendeten Flüssigfermentierungsverfahren bezogen auf die Produktausbeute, Kosten und Einfachheit der Verwendung auf. Trotz ihrer ökonomischen Vorteile war die Kommerzialisierung von Befürchtungen für die Festbettfermentation wegen des Fehlens von effizienten und praktischen Ausführungen begrenzt.
  • Eine große Vielzahl an Festbettfermentationsvorrichtungen wurden bereits beschrieben (siehe zusammenfassend, Larroche et al., "Special Transformation Process Using Fungal Spores and Immobilized Cells", Adv. Biochem. Eng. Biotech., (1997), Band 55, Seiten 179ff; Roussos et al., "Zymotis: A large Scale Solid State Fermenter", Applied Biochemistry and Biotechnology, (1993), Band 42, Seiten 37-52; Smits et al., "Solid-State Fermentation-A Mini Review, 1998), Argro-Food-Industriy Hi-Tech, März/April Seite 29-36). Diese Vorrichtungen bilden zwei Kategorien, wobei diese Kategorien statische Systeme und gerührte Systeme sind. In statischen Systemen liegt das feste Medium während des Fermentationsprozesses stationär vor. Beispiel für statische Systeme, die für die Festbettfermentation verwendet wurden umfassen Flaschen, Petrischalen, Schalen, Festbettsäulen und Sterilisatoren. Gerührte Systeme stellen Mittel für das Mischen des festen Mediums während des Fermentationsverfahrens bereit. Ein Hauptproblem sowohl bei statischen als auch bei gemischten Festbettfermentationssystemen ist es, eine wirksame Entfernung der während des Fermentationsverfahrens gebildeten Wärme zu erreichen. Eine Methode, die Wärme zu entfernen, welche bei verschiedenen Festbettfermentationssystemen verwendet wird, ist die Belüftung. Der Nachteil der Verwendung der Belüftung als Mittel zur Entfernung von Wärme ist es, dass nicht nur die Wärme entfernt wird, sondern dass auch Wasser aus der festen Matrix entfernt wird, wodurch es zur Austrocknung des Substrats kommt. Eine konstante Belüftung macht es außerdem schwieriger, ein stabiles Milieu im Inneren des Bioreaktors hinsichtlich der Konzentrationen an Sauerstoff und Kohlendioxid beizubehalten. Ein anderes Mittel, um die Wärmebildung zu vermeiden ist das Rühren des Substratwerts. Unglücklicherweise führt das Rühren während der Fermentation zur Beschädigung der Zellen und zur groben Aggregation von Substratpartikeln. Die Aggregation des Substrats führt zu Inhomogenitäten der lokalen Substrattemperatur, woraus lokale Unterschiede im Wachstum der Biomasse und der Aktivität resultieren. Diese Probleme werden in den Systemen großen Maßstabs, die meistens für die industrielle Herstellung bestimmter Produkte notwendig sind, verschlimmert. Die Durchführung der Festbettfermentation in großem Maßstab unter Verwendung der im Fachgebiet verfügbaren Vorrichtung weist weiterhin den zusätzlichen Nachteil auf, dass sie arbeitsintensiv sind.
  • Die mit der Festbettfermentation verbundenen Stufen umfassen, 1) die Sterilisierung der Kultivierungsvorrichtung und des Kultivierungsmediums, 2) die Inokulation des Kultivierungsmediums mit den Mikroorganismen, 3) die Kultivierung der Mikroorganismen, 4) die Extraktion der biologischen Produkte aus den kultivierten Mikroorganismen, und 5) nach der Extraktion die Behandlung der Abfallmaterialien und der Kultivierungsvorrichtung. Es ist außerdem wünschenswert, dass das Kultivierungssystem einen Mechanismus bereitstellt, wodurch die Wachstumsbedingung während des Kultivierungsverfahrens präzise kontrolliert wird, so dass ausgewählte Bedingungen während des gesamten Kultivierungsverfahrens aufrecht erhalten werden. Keine der heutzutage verfügbaren Vorrichtungen für die Festbettfermentation stellen sicher, dass alle für die Festbettfermentation erforderlichen Stufen in einer einzigen Fermentationsvorrichtung ausgeführt werden. Bis heute umfasst die Ausführung der Festbettfermentation mehrfache Eingriffe, die sowohl lästig als auch unpraktisch sind. Diese Eingriffe beinhalten oft das Risiko, das Kultivierungsmilieu Kontaminanten von außerhalb des Kultivierungsmilieus auszusetzen, schließen die Möglichkeit aus, die Kultivierung effizient und präzise zu kontrollieren, und führen zur reduzierten Produktqualität und/oder Ausbeute.
  • Es besteht daher ein Bedarf nach einem kompakten Reaktor, der alle mit der Festbettfermentation in Zusammenhang stehenden Abläufe kombiniert in einer einzigen Vorrichtung, welche fähig ist, auf abgeschlossene Art und Weise zu arbeiten, und das Milieu innerhalb des Bioreaktor zu kontrollieren, ohne das Wachstum der Mikroorganismen zu inhibieren. Weiterhin besteht Bedarf nach einer Vorrichtung, die die homogene Zufügung von Chemikalien und Nährstoffen in den Bioreaktor ohne Kontamination erlaubt.
  • GB-A-1,156,739, US-A-4,212,949 und Ep-A-0,225,479 stellen Stand der Technik auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung, welche wie in den Ansprüchen beansprucht ist, dar.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte Vorrichtung für die Festbettfermentation zur Kultivierung von Mikroorganismen bereit. Im Allgemeinen stellt die Erfindung einen Bioreaktor und ein Verfahren zur Verwendung des Bioreaktors für die Kultivierung von Mikroorganismen auf festen Medien bereit. Die Anmelder bezeichnen den Bioreaktor der vorliegenden Erfindung im Weiteren als PLAFRACTORTM. In bevorzugten Ausführungsbeispielen stellt die Erfindung einen Bioreaktor bereit, welcher von modularem Aufbau ist, und alle Verfahren der Festbettfermentation in einem einzigen, abgeschlossenen Milieu ausführt. Der modulare Aufbau des Bioreaktors erlaubt es, die Größe des Bioreaktors den Bedürfnissen des Nutzers anzupassen. Die Konstruktion des Bioreaktors erlaubt es, die Festbettfermentation so auszuführen, dass die fermentierten Mikroorganismen isoliert von der äußeren Umgebung während des Verlaufs des Fermentationsverfahrens gehalten werden können. In bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das Milieu innerhalb der Module präzise kontrolliert, um die gewählten Bedingungen einzuhalten.
  • Ein Gesichtspunkt des Bioreaktors ist ein Mechanismus zur Entfernung von Wärme, die während der Fermentation im Innern des Bioreaktors akkumuliert durch Ableitung. Insbesondere wird der Bioreaktor durch Stapel individueller Module konstruiert. Die modulare Konstruktion des Bioreaktors stellt mehrfache Module bereit, die aufeinander gestapelt sind, wobei jedes eine Basis aufweist, welche mit einem Rahmen verbunden ist, zur Aufnahme des festen Mediums isoliert von der äußeren Umgebung. Die Basisplatte des Bioreaktors weist mehrfache Kanäle auf, die nicht kommunizierende Kanäle genannt werden, die Erwärmungs- und Abkühlungsfluide, die zwischen zwei Folien gesandwicht sind, abgeleitet. Wärme wird in und aus den Modulen über Ableitung transferiert. Auf diese Weise wird die Temperatur der Module präzise beibehalten, um den spezifischen Anforderungen der unterschiedlichen Mikroorganismen Genüge zu tun.
  • Ein anderer Gesichtspunkt des Bioreaktors ist ein Mechanismus, flüssige Stoffe in das Innere der Module hinzuzufügen. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die oben erwähnte Basis der Module einen zweiten Satz an Kanälen, die kommunizierende Kanäle genannt werden, die flüssige Stoffe in das Innere der Module liefern, und so eine Möglichkeit bereitstellen, den Feuchtigkeits- und Sauerstoffgehalt im Bioreaktor einzustellen. Beispielsweise brauchen manche Mikroorganismen für das optimale Wachstum hohe Kohlenstoffdioxidkonzentrationen. Ein anderer Gesichtspunkt dieses Ausführungsbeispiels stellt einen Mechanismus bereit, durch den interessierende Verbindungen aus den Mikroorganismen extrahiert werden können. Beispielsweise können Extraktionsfluide durch die kommunizierenden Kanäle zur Extraktion von interessierenden Verbindungen zur Sammlung geschickt werden. In noch einem weiteren Gesichtspunkt dieses Ausführungsbeispiels können die kommunizierenden Kanäle Dampf, Gas (z. B. Ethylenoxid oder Ozon), oder Chemikalien (z. B. beta-Propiolakton, Wasserstoffperoxyd oder Pyrocarbonsäure-Diethylester) in den Bioreaktor zur Sterilisation des Bioreaktors und dessen Inhaltsstoffen vor und nach der Fermentation führen. Ein Schlussaspekt der vorliegenden Erfindung ist es, dass Materialien (z. B. Chemikalien und/oder Nährstoffe) dem Bioreaktor zugeführt werden können, während der Bioreaktor betrieben wird.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung einen Mechanismus bereit, um den Inhalt des Bioreaktors zu mischen. Erfindungsgemäß weist das Innere jeden Moduls einen Mischungsarm auf, der während der Rotation sich um die zentrale Achse des Moduls dreht. Das Mischen kann zu jedem Punkt des Fermentationsverfahrens ausgeführt werden, wenn das Mischen für wesentlich angesehen wird. Vorzugsweise wird das Mischen nach der Inokulation des Mediums innerhalb des Bioreaktors durchgeführt, um das Inokulum gleichmäßig in dem Medium innerhalb des Bioreaktors zu verteilen.
  • Die Lehren der vorliegenden Erfindung sind insbesondere für die Produktion und Extraktion von mikrobiellen Produkten anwendbar. In bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen produzieren die Mikroorganismen biologisch verwendbare Produkte, welche aus dem Mikroorganismus in dem Bioreaktor extrahiert werden können und für medizinische und industrielle Verwendungen geerntet werden. Einige Beispiele für medizinische Produkte, die erfindungsgemäß hergestellt werden können, sind Lovastitin und Cyclosporin. Ein Produkt, das für industrielle Anwendungen verwendbar ist, umfasst das mikrobielle Enzym Rennet und Peptidase. Eine Vielzahl von mikrobiellen Organismen können erfindungsgemäß verwendet werden.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines zirkulären Bioreaktors.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines rechteckigen Bioreaktors.
  • 3 ist eine schematische Darstellung der kommunizierenden und nicht kommunizierenden Kanäle in einer Basisplatte und der Anordnung der Basisplatte und der Rahmen, um einen vertikalen Stapel zu bilden.
  • 4 ist eine schematische Darstellung eines Modulstapels, welcher mit Gummidichtungen verschlossen ist, und eine Überblicksansicht der kommunizierenden und nicht kommunizierenden Kanäle in einem einzelnen Modul.
  • 5 ist eine schematische Darstellung, wobei die Emitter- und Sammelplatten (oben) und das Fließen der Fluide durch den Bioreaktor während der Sterilisierung (Mitte) und der Extraktion (unten) dargestellt sind.
  • 6 ist ein Diagramm eines Mischungsarms mit Schaufeln.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
  • Definitionen
  • "Festbettfermentation" oder "Festbettkultivierung": Der Ausdruck "Festbettfermentation" oder "Festbettkultivierung", teilweise als "Halb-Festbettfermentation" bezeichnet, bedeutet vorliegend ein Verfahren zur Fermentierung von Mikroorganismen auf einem festen Medium, welches Verankerungspunkte für die Mikroorganismen in Abwesenheit von jeglicher frei fließender Substanz bereitstellt. Die Menge an Wasser in dem festen Medium kann jede Menge an Wasser sein. Beispielsweise kann das feste Medium praktisch trocken sein oder es kann matschig sein. Der Fachmann weiß, dass die Ausdrücke "Festbettfermentation" und "Halb-Festbettfermentation" austauschbar sind.
  • "Bioreaktor": Der Ausdruck "Bioreaktor" bedeutet vorliegend eine Vorrichtung, welche fähig ist, Fermentationsmedien, welche mit Mirkoorganismen inokuliert sind, aufzunehmen, und im geschlossenen Betrieb ein Verfahren zur Festbettfermentation auszuführen. Ein Bioreaktor kann zur Zucht von jeglichem Mikroorganismus verwendet werden, welcher fähig ist, unter gewählten Bedingungen in einem geschlossenen Milieu zu wachsen. Einige Beispiele für Mikroorganismen die fähig sind, in ein einem Bioreaktor zu wachsen, sind Pilze, Hefen und Bakterien. Insbesondere bevorzugte Mikroorganismen sind Pilze. Erfindungsgemäß verwendbare Pilze umfassen septierte und nicht septierte Pilze. Septierte Pilze können extrazellulär oder intrazellulär septierte Pilze sein.
  • "Kultivierungsanlage": Mit dem Ausdruck Kultivierungsanlage wird vorliegend ein Bioreaktor bezeichnet, mit dem Mikroorganismen in einem geschlossenen Milieu gezüchtet werden können, einschließlich des Hilfsequipments, welche nötig ist, um die Bioreaktorvorrichtung zu betreiben. Eine erfindungsgemäße Kultivierungsanlage besteht aus mehreren verbundenen Modulstapeln in Kombination mit Hilfsequipment, welches mit dem Betrieb der Kultivierungsanlage verbunden ist. Einige Beispiele für solches Hilfsequipment sind Temperatursonden, Feuchtigkeitssensoren, Abgasanalysatoren, Drucksensoren, Luftströmungssensoren, Anzuchtsfermenter, Wasser- oder Nährstoffzusatztanks, Kontrollrohrgerüste und Gewichtssensoren. Verschiedene weitere Hilfsmittel, die durch einen Computer automatisiert werden können, umfassen die Bewegung von Kühlwasser, Dampf und gefilterter kondensierter Luft. Andere schließen den Vakuumbetrieb, den Impftransfer, das Zufügen von Wasser oder Nährstoffen zu den Modulen und die Kontrolle des Rohrgerüsts ein. Beispiele für ein solches Hilfsequipment und die Automatisierung durch Computer sind im Fachgebiet bekannt.
  • "Module": Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff Modul eine Struktur, die aus einer Basisplatte und einem Rahmen gebildet wird. Die Basisplatte bildet den Boden und der Rahmen bildet die Seiten der Struktur, welche als Behältnis für die Aufbewahrung des Mediums dienen kann. Die einzelnen Module weisen weitere Komponenten auf, die die Kontrolle des Milieus des Moduls erlauben, beispielsweise Rührarme sowie kommunizierende und nicht kommunizierende Kanäle, welche weiter unten detailliert beschrieben werden. Individuelle Module können aufeinander gestapelt werden, um so ein abgeschlossenes inneres Milieu zu bilden, welche das Austreten des Inhalts der Module in die äußere Umgebung verhindert, und auch die Kontamination des Inneren der Module mit Partikeln aus der Umgebung außerhalb der Module verhindert.
  • "Stapel": Wie hierin verwendet, bedeutet der Ausdruck "Stapel" die Vielzahl von Modulen innerhalb der Kultivierungsanlage, die aufeinander platziert sind, um einen Bioreaktor mit einstellbarer Höhe zu bilden.
  • "Abgeschlossen": Der Ausdruck "abgeschlossen", wie hierin verwendet, deckt sowohl die Definitionen für "abgeschlossen" als auch "aseptisch" ab. Das Wort "abgeschlossen" impliziert, dass es möglich ist, die Mikroorganismen, die innerhalb des Bioreaktors wachsen, zu umschließen (z. B. lebende Mikroorganismen aus dem Reaktor können nicht mit der Umgebung in Kontakt treten und die Umgebung verschmutzen). Diese Eigenschaft ist insbesondere günstig, wenn der Bioreaktor zur Kultivierung von pathogenen Mikroorganismen oder genetisch modifizierten Mikroorganismen verwendet wird, bei denen örtliche Gesetzgebungen meistens das Wachsen in einem geschlossenen Milieu erforderlich machen. Die Definition des "Abgeschlossenseins" fokussiert damit darauf, dass die Umgebung vor dem Reaktorinhalt geschützt ist, und nicht dass der Reaktorinhalt vor der Umgebung geschützt ist. Beispielsweise ist es möglich, Abgeschlossensein sicherzustellen, indem man einen geringen Systemdruck etabliert, welches Dinge aus der Außenumgebung in den Bioreaktor verfrachtet, es jedoch nicht erlaubt, dass der Inhalt des Bioreaktors die Außenumgebung kontaminiert.
  • Die "aseptische" Art und Weise, auf welcher der Bioreaktor der vorliegenden Erfindung betrieben wird, liegt darin, den Inhalt des Bioreaktors vor Kontamination durch die Umgebung zu bewahren. Eine aseptische Betriebsweise ist nützlich, da nur die gewünschten Mikroorganismen innerhalb des Bioreaktors wachsen dürfen, um ein homogenes Zielprodukt reproduzierbar zu produzieren. Das aseptische Milieu stellt sicher, dass die fertigen Produkte nicht mit einem unbekannten externen Mikroorganismus kontaminiert sind, welches Variabilität in den Produktionsprozess eindringen würden.
  • Daher wird der Bioreaktor in abgeschlossener Weise betrieben, d. h. der Bioreaktor schützt den Inhalt des Bioreaktors vor der Kontamination aus der Umgebung und beschützt die Umgebung vor seinem Inhalt. Andere vorteilhafte Gesichtspunkte des Bioreaktors, welcher in einem abgeschlossenen Milieu betrieben wird, ist es, dass der Feuchtigkeitsinhalt, der Sauerstoffinhalt und die Temperatur präzise kontrolliert werden können, um die geforderten Bedingungen einhalten zu können.
  • "Natürlich hergestellt": Der Ausdruck "natürlich hergestellt" bedeutet wie vorliegend verwendet ein Protein oder ein chemisches Produkt, welches von einem Mikroorganismus in dessen natürlicher Umgebung ohne menschliche Intervention oder genetische Manipulation hergestellt ist.
  • "Genetisch verändert": Der Ausdruck "genetisch verändert" oder "genetisch modifiziert" wird vorliegend bezüglich jeglichen biologischen Produkts verwendet, welches durch einen Mikroorganismus als Resultat einer menschlichen Intervention durch genetische Manipulation hergestellt wird oder der Mikroorganismus selbst wurde durch genetische Manipulation oder rekombinante DNA-Technologie gentechnisch verändert. Beispielsweise kann ein Gen, welches für ein ausgewähltes interessierendes Protein kodiert, in einen Mikroorganismus über rekombinante DNA-Technologie eingeführt werden, so dass der Mikroorganismus das Protein produziert (siehe Ausubel et al., "Current Protocols in Molecular Biology", Greene Publishing Associates, New York, V, 1 & 2 1996).
  • "Fluid": Der Ausdruck "Fluid" bedeutet wie vorliegend verwendet, jede Substanz, welche durch einen kommunizierenden oder nicht kommunizierenden Kanal geführt werden kann. Einige nicht begrenzende Beispiele für Fluide sind Wasser, Dampf und sterile Luft. Das Fluid kann jedes Nährmedium sein, welches Mikroorganismen enthält.
  • "Kanäle": "Kanäle" wie vorliegend verwendet bedeutet jegliche Transportleitung, welche fähig ist, eine Substanz zu leiten, beispielsweise Luft oder Wasser. Wie hierin verwendet umfasst Kanäle sowohl kommunizierend als auch nicht kommunizierende Kanäle. Kanäle können sich von Röhren (oder Leitungen) unterscheiden, da Röhren nur ein besonderer Typ einer Konstruktion sind, welche Leitungssysteme für das Fortleiten von Fluiden bilden. Beispielsweise umfasst eine Basisplattenkonstruktion das Verschmelzen von Röhren ineinander. Die Röhren dienen als kommunizierende und nicht kommunizierende Kanäle.
  • Festbettfermentation
  • Wie oben erwähnt, stellt die vorliegende Erfindung einen Bioreaktor zur Kultivierung von Mikroorganismen auf einen Festbett unter ausgewählten Bedingungen bereit. Der Bioreaktor ist so konstruiert, dass er alle Betriebsabläufe kombiniert, welche mit dem Durchführen einer Festbettfermentation in einer Vorrichtung in Verbindung stehen, wobei die Betriebsabläufe umfassen
    • (a) das Sterilisieren der Kultivierungsvorrichtung und des innerhalb der Vorrichtung angeordneten Kultivierungsmediums;
    • (b) Inokulieren des Kultivierungsmediums mit den Mikroorganismen;
    • (c) Kultivieren der Mikroorganismen unter ausgewählten Bedingungen;
    • (d) Extraktion der biologischen Produkte aus den kultivierten Mikroorganismen;
    • (e) die Nachextraktionsbehandlung der Abfallmaterialien und der Kultivierungsvorrichtung.
  • Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung stellt deutliche Vorteile über bekannte und existierende Verfahren zur Kultivierung von Mikroorganismen auf festen Medien auf den Gebieten der Eindämmung, der Materialbehandlung, der Kontrolle des Kultivierungsverfahrens, dem Zusetzen von chemischen Nährstoffen während des Verfahrens, der Extraktion der Zielprodukte und der Behandlung der Rückstände vor der Abfallentsorgung bereit. Die Eindämmung, wie hierin verwendet, betrifft sowohl die abgeschlossene als auch die aseptische Natur des Bioreaktors. Beispielsweise wird der Reaktor in einer abgeschlossenen Art und Weise betrieben, indem der Inhalt des Bioreaktors vor Verunreinigung aus der Außenumgebung geschützt wird (Betrieb in aseptischer Art und Weise) und indem die Umgebung vor potenziell gefährlichen oder pathogenen Mikroorganismen, welche im Bioreaktor wachsen, geschützt wird (Betrieb in abgeschlossener Art und Weise). Die geschlossene Natur dieser Vorrichtung erlaubt es, den gesamten Prozess der Festbettfermentation isoliert von der Außenumgebung durchzuführen, wodurch zusätzlich der Vorteil des Aufrechterhaltens eines sterilen Milieus während des gesamten Fermentationsverfahrens sicher gestellt wird. Die geschlossene Natur des Bioreaktors der vorliegenden Erfindung stellt weiterhin die Möglichkeit bereit, dass in situ sterilisiert, inokuliert und die Temperatur des Fermentationsmediums und der Feuchtigkeitsgehalt kontrolliert werden kann. Außerdem kann die Extraktion der biologischen Produkte aus dem Fermentationsmedium erreicht werden, ohne dass der Reaktor geöffnet oder abgebaut werden muss. Nach der Extraktion des Produkts kann der Reaktorinhalt in situ sterilisiert werden. Der Reaktor kann dann abgebaut werden, um das sterilisierte, verbrauchte Substrat zu entfernen, wonach er gesäubert und im nächsten Fermentationszyklus wieder verwendet werden kann.
  • Der Reaktor erreicht die Geschlossenheit auf folgenden Arten:
    • 1) Der Bioreaktorinhalt wird vor der Inokulation sterilisiert, um alle Mikroorganismen im Innern des Bioreaktors vor dem Start des Fermentationsverfahrens zu eliminieren.
    • 2) Der Transfer des Inokulums von den Anzuchtsgefäßen zu dem Bioreaktor kann erreicht werden, ohne die Mikroorganismen der Umgebung auszusetzen (z. B. durch versiegelte, sterilisierte Röhren, die mit dem Anzuchtsgefäß und dem Reaktor verbunden sind, wobei der Transfer über eine Druckdifferenz zwischen dem Anzuchtsgefäß und dem Bioreaktor stattfindet). Dieses Verfahren schützt die Mikroorganismen, welche überführt werden ebenfalls vor Kontamination durch die Umgebung.
    • 3) Luft, die aus dem Reaktor ausgeblasen wird (welche möglicherweise Sporen der kultivierten Mikroorganismen trägt), wird durch einen Abgasfilter geführt, der Mikroorganismen abtrennen kann (solche Abgasfilter sind auf dem Fachgebiet gut bekannt und werden als Standardequipment für Flüssigkulturen verwendet). Luft, die in den Bioreaktor geführt wird, kann in gleicher Weise gefiltert werden, um die Kontamination des Reaktorinhalts zu verhindern.
    • 4) Nachdem das Produkt aus dem Bioreaktor extrahiert wurde, kann der Reaktor in situ sterilisiert werden. Bevor die Vorrichtung geöffnet wird, wird jeglicher lebender Mikroorganismus in dem Reaktor zerstört, bevor dessen Inhalt in Kontakt mit der Umgebung gebracht wird.
  • Der Bioreaktor
  • Der erfindungsgemäße Bioreaktor (siehe 1-5) ist in Form von mehrfachen individuellen Modulen 3 konstruiert, welche aufeinander gestapelt werden können, um einen "Stapel" 4 jedweder gewünschten Höhe zu bilden. Die aufeinander gestapelten Module arbeiten parallel, wodurch eine einzelne funktionale Einheit gebildet wird, die hierin als "Kultivierungsanlage" oder "Bioreaktor" bezeichnet wird. Der Bioreaktor kann aus jedwedem geeigneten Material konstruiert sein, welches den Betrieb gestattet, wobei zwei Beispiele, welche nicht begrenzend verstanden werden sollen, rostfreier Stahl und Polykarbonat sind. Jedes individuelle Modul weist eine Platte 2 auf, die den Boden des Moduls bildet und einen Rahmen 1, welcher die Seiten des Moduls bilden. In gewissen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Umriss des Moduls ein Quadrat. Beispielsweise ein quadratischer Rahmen, angebracht auf einer quadratischen Basisplatte. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Umriss des Moduls resteckig. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen ist der Umriss des Moduls kreisförmig. Vorzugsweise ist der Umriss des Moduls kreisförmig.
  • Die Platte 2 bildet die Basis des Moduls und wird hierin als "Basisplatte" bezeichnet. Der Rahmen 1 ist auf der Basisplatte angebracht und ist so abgedichtet, dass Undichtigkeit von innerhalb der Module gegenüber der äußeren Umgebung verhindert wird. Ein nicht begrenzendes Beispiel für eine Dichtung ist eine Gummidichtung 5, welche zwischen dem Boden der Basisplatte 2 eines Moduls und dem Rand des Rahmens 1 eines anderen Moduls liegt, und durch Kompression oder nach unten gerichteten Druck befestigt wird, um sicherzustellen, dass die Dichtung sicher ist. Der Rahmen 1 bildet die Seiten des Moduls und seine Funktion besteht darin, ein Behältnis zu bilden, welches das Medium aufnimmt. Die Höhe des Rahmens ist vorzugsweise 4-8 cm. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das innerhalb des Bioreaktors 6 angebrachte Medium ein festes Medium. Erfindungsgemäß können Mikroorganismen, welche fähig sind auf festem Medium zu wachsen, kultiviert werden. Die Abmessung des Moduls und die Größe des Modulstapels kann variieren und in Anpassung an die Umstände, unter denen es verwendet wird, eine bestimmte Größe annehmen.
  • Die Basisplatte kann eine von zwei Basiskonstruktionen darstellen. In einem Ausführungsbeispiel ist die Basisplatte aus Röhren 7 konstruiert, die zwischen zwei flache Blätter aus irgendeinem Material, welches fähig ist, Wärme zu leiten 8, eingelegt sind. Die Röhren sind voneinander räumlich getrennt, wodurch ein Kanal zwischen benachbarten Röhren gebildet werden kann. Die Seiten der Kanäle sind durch die Röhren gebildet und die obere und untere Begrenzung des Kanals werden durch die flachen Blätter gebildet. Diese Kanäle sind die nicht kommunizierenden Kanäle, wie weiter unten noch detaillierter diskutiert werden wird. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Basisplatte durch nebeneinander legen einer Vielzahl von Röhren auf einer flachen Ebene und Verschweißen derselben konstruiert. In diesem besonderen Ausführungsbeispiel brauchen die Röhren nicht zwischen die Blätter eingelegt zu werden.
  • Wie oben erwähnt, können die Module jede geeignete Größe oder jeden geeigneten Umfang annehmen. In einer quadratischen oder rechteckigen Konstruktionsform laufen die Kanäle 7 parallel zueinander. Beispielsweise Nebeneinanderlegen einer Vielzahl von Röhren auf einer flachen Ebene und Verschweißen derselben 10. In einer kreisförmigen Konstruktion (siehe 3) strahlen eine Serie von Röhren 7 in einem kreisförmigen Muster von der Zentralachse des Moduls aus.
  • Es ist ein wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, dass zwei getrennte Serien von Kanälen gebildet werden, wobei diese die kommunizierenden 11 und die nicht kommunizierenden 12 Kanäle sind. Die kommunizierenden und nicht kommunizierenden Kanäle alternieren jeweils bezogen auf ihre Anordnung auf der Basisplatte 2. Die kommunizierenden Kanäle tragen Fluide in das Modul, so dass die Fluide mit dem Inneren des Moduls in Kontakt kommen. Die kommunizierenden Kanäle in ihrer zirkulären Konstruktion verzweigen sich auch in Form eines "Y" bei dem Ausstrahlen, um eine gleichförmigere Verteilung der Fluide, welche durch die Röhren in das Innere des Moduls gelangen, sicherzustellen. In die kommunizierenden Kanäle 11 gebohrte Löcher 13 erlauben es den Fluiden aus den kommunizierenden Kanal 11 auszutreten und beispielsweise mit der festen Matrix, welche im Modul 6 liegt, in Kontakt zu treten. Die Löcher 13 sind so angebracht, dass jedes Loch 13 eine gleiche Oberflächen der Platte 2 bedient. Löcher 13 werden auch in die Metallblätter 8 gebohrt, in welche die kommunizierenden 11 Kanäle eingebettet sind, die mit den Löchern 13 in den kommunizierenden Kanälen 11 abgeglichen sind, so dass die von den kommunizierenden Kanälen 11 transportierten Fluide in die Module 3 verteilt werden können. In einem Modul einer quadratischen Konstruktion weisen die Löcher vorzugsweise jeweils eine identische Distanz voneinander auf. In einem Modul zirkulärer Konstruktion 3 reduziert sich der Abstand zwischen den Löchern vorzugsweise vom Zentrum nach Außen progressiv, um den nicht linearen Anstieg der Fläche der Platte steigendem Radius zu kompensieren.
  • Die Fachleute auf dem Gebiet werden verstehen, dass eine Vielzahl von Fluiden durch die kommunizierenden Kanäle 11 verteilt werden können. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann das Innere des Bioreaktors 6 durch Beschickung mit Dampf durch die kommunizierenden 11 und die nicht kommunizierenden 12 Kanäle sterilisiert werden.
  • In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel können die kommunizierenden Kanäle 11 vor der Sterilisation an einer Vakuumquelle angeschlossen werden, um Luft aus dem Inneren des Bioreaktors zu entfernen. Die Sterilisierung kann unter Verwendung von Dampf oder einem sterilisierenden Gas, beispielsweise Ethylenoxid durchgeführt werden. Geeignete Bedingungen für die Sterilisierung unter Verwendung entweder von Dampf oder Gas können durch die Fachleute auf dem Gebiet einfach bestimmt werden. In anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das Kulturmedium mit Mikroorganismen durch Beschickung mit einem Fluid, welches die Mikroorganismen enthält, durch die kommunizierenden Kanäle 11 angeimpft. Das die Mikroorganismen enthaltenes Fluid kann ein Nährmedium sein.
  • Sobald die Mikroorganismen im Innern des Bioreaktors wachsen, stellt ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung sicher, dass das Milieu im Innern des Bioreaktors über die kommunizierenden Kanäle 11 eingestellt werden kann. Beispielsweise kann die Feuchtigkeit des Moduls durch Beschicken mit Wasser über die kommunizierenden Kanäle 11 im Modul eingestellt werden. Zusätzlich können chemische Chemikalien und/oder Nährstoffe durch die kommunizierenden Kanäle eingebracht werden, während der Bioreaktor betrieben wird (ein Verfahren, welches auf dem Fachgebiet als "fed batch" bezeichnet wird). Das Beschicken mit Chemikalien und/oder Nährstoffen wird so ausgeführt, dass die Verteilung der Chemikalien und/oder Nährstoffe homogen ist (z. B. gleichförmige Verteilung im gesamten Bioreaktor). Beispielsweise ist es vorteilhaft, Zucker dem Fermentationsmedium zuzufügen, sobald die Fermentation in Gange ist. Die Möglichkeit, dem Mikroorganismen kontinuierlich zu füttern, anstelle der Gabe einer begrenzten Startmenge von Nährstoffen, die während des gesamten Fermentationsverfahrens ständig abnimmt (z. B. wie es bei der festen Oberflächenfermentation der Fall ist), resultiert in einer höheren Produktqualität und einer größeren Produktausbeute. Außerdem kann das Wachstum der Mikroben inhibiert werden, wenn ein Nährstoffbolus am Beginn des Fermentationsverfahrens gegeben wird. Es wird bevorzugt, dass die Nährstoffe für ein optimales Wachstum der Mikroorganismen auf einen nicht inhibitorischen Spiegel begrenzt werden.
  • Alternativ hierzu können die kommunizierenden Kanäle 11 verwendet werden, um den Sauerstoffgehalt innerhalb des Moduls durch Beschicken mit steriler Luft durch die kommunizierenden Kanäle 11 einzustellen. Ähnlich kann der Kohlendioxid- oder der Stickstoffgehalt des Moduls bestimmten Bedingungen angepasst werden, wobei der Bereich verglichen mit der Flüssigfermentation signifikant verbessert ist. Tatsächlich kann jedwedes Gas in präzise kontrollierten Mengen dem Bioreaktor zugefügt werden. Damit bietet die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung deutliche Vorteile, die vorher auf dem Fachgebiet nicht erreichbar waren.
  • Sobald die Mikroorganismen die Wachstumsphase abgeschlossen haben kann es wünschenswert sein, zur Abtrennung der interessierenden biologischen Verbindungen Extraktionsfluide, wie organische Lösungsmittel, durch die kommunizierenden Kanäle 11 zu beschicken. Wie noch gezeigt werden wird, können die Abfallmaterialien nach Vervollständigung des Extraktionsverfahrens in geeigneter Weise beispielsweise über Sterilisation oder irgend ein anderes für den gebildeten Abfall geeignetes Mittel behandelt werden, während sie noch immer im Bioreaktor enthalten sind. Diese Beispiele sollen die Vielzahl von Fluiden demonstrieren, die über die kommunizierenden Kanäle 11 in das Innere des Bioreaktors geführt werden können, und sollen nicht den Umfang der Verwendbarkeit der kommunizierenden Kanäle 11 beschränken.
  • Es ist ein anderer Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Konstruktion, dass die kommunizierenden Kanäle 11 mit einem Verteilungsanschluss 14 verbunden sind, welcher Fluide an die kommunizierenden Kanäle 11 sendet. Die Lage des Verteilungsrings 15 kann abhängig von dem Umriss des Moduls 3 variieren. In der quadratischen Konstruktion (1, 2 und 4) der vorliegenden Erfindung ist der Verteilungshahn 14 an einem Ende des Moduls platziert. In der zirkulären Konstruktion der vorliegenden Erfindung ist ein „Verteilungsring" 15 zentral angebracht, wobei die kommunizierenden Kanäle 11 nach außen von dem zentralen Verteilungsring 15 ausstrahlen.
  • Der Bioreaktor wird weiterhin so zusammengefügt, dass die aufeinander folgenden Platten des Stapels als Emitter- 23 und Sammelplatten 24 bezeichnet werden (siehe 5). Die Emitterplatten 23 ermöglichen es, dass Fluide in den Bioreaktor gelangen und die Sammelplatten 24 erlauben die Passage von Fluiden aus dem Bioreaktor. In den Röhren, welche die Fluide diesen Platten zuführen, sind Ventile vorhanden. Die Röhren und Ventile sind an den kommunizierenden Kanälen angebracht, welche Fluide transportieren, die mit dem Medium innerhalb des Reaktors in Kontakt kommen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die Sterilisierung, die Inokulation und die Fermentation, Dampf und Inokulation durch die Emitter- 23 oder Sammelplatte 24 werden eingebracht oder ausgelassen. Die Fließrichtung kann wie je nach Verfahren erforderlich umgekehrt werden. Ein Beispiel, welches die Umkehrung der Flussrichtung erforderlich macht ist es, wenn ein Feuchtigkeitsgradient in dem Bioreaktor aufgebaut worden ist. Die Belüftungsrichtung kann umgekehrt werden, um die angehäufte Feuchtigkeit in die andere Richtung zu bewegen.
  • Während des Sterilisierungs- und des Fermentierungsbetriebs stellen andere bevorzugte Ausführungsbeispiele Mittel für den Aufbau eines Gegendrucks durch teilweises Verschließen der Belüftungsventile bereit. In einem letzten Ausführungsbeispiel werden die Extraktionsfluide durch die oben liegende Emitterplatte 23 beschickt und das extrahierte Material wird aus der unten liegenden Sammelplatte 24 entnommen. Während dieses Vorgangs sind die mit den dazwischen liegenden Platten verbundenen Ventile geschlossen. Nur die Ventile an der oberen und der unten liegenden Platte bleiben offen. Es ist ebenfalls möglich, durch Beschicken von Extraktionsfluiden durch die unten liegende Emitterplatte 23 und über die oben liegende Sammelplatte 24 zu extrahieren.
  • Eine besondere Eigenschaft der Konstruktion des Bioreaktors, welche das Extraktionsverfahren möglich macht, ist es, dass die kommunizierenden Kanäle der Zwischenplatten, die zwischen der oben und der unten liegenden Platte liegen, auf der gesamten Länge Löcher für die Verteilung von Fluiden an die oberhalb und unterhalb liegenden Module aufweisen. Die oben liegende Platte weist Löcher nur im Boden der Röhren auf, welche die kommunizierenden Kanäle bilden, und die Bodenplatte weist Löcher nur auf der Oberseite der Röhren, welche die kommunizierenden Kanäle bilden, auf. Diese Eigenschaft erlaubt es, extrahierende oder andere Fluide beispielsweise der oben liegenden Platte zuzufügen, von wo die Fluide durch jede dazwischen liegende Platte bis zur Bodenplatte sickern werden. Die extrahierte Substanz kann dann von der Bodenplatte gesammelt werden. Natürlich müssen die durchreichenden Löcher nicht auf die dazwischen liegenden Platten begrenzt sein. Zusätzlich kann die Anordnung der durchreichenden Löcher auf der Röhre von der oben beschriebenen abweichen, beispielsweise können die Löcher gegeneinander verschoben anstelle von gegenüberliegend liegen.
  • Wie auf dem Fachgebiet gut bekannt ist, können unter die Bodenplatte und über die oben liegende Platte konkave gewölbte Böden 21 angeordnet sein (siehe 4), um den Extrakt, welcher durch die durchgehenden Löcher in den kommunizierenden Kanälen in der oben liegenden und der unten liegenden Platte läuft, aufzunehmen. Obwohl diese gewölbten Böden für den Betrieb des Bioreaktors nicht unbedingt notwendig sind, stellen sie jedoch zusätzliche Sicherheit bereit, falls der Reaktor unter hohem Druck betrieben wird. Bei Geräten, die unter Druck betrieben werden, sind gewölbte Böden Standard, da sie fähig sind, dem Druck besser standzuhalten als flache Böden.
  • Wie oben ausgeführt, bilden die Röhren kommunizierende 11 und nicht kommunizierende Kanäle 12. Die nicht kommunizierenden Kanäle 12 sind mit den kommunizierenden Kanälen 11 alternierend angeordnet, und im Gegensatz zu den kommunizierenden Kanälen 11 weisen sie keine Bohrlöcher 13 auf. Die nicht kommunizierenden Kanäle 12 transportieren wärmende und kühlende Fluide durch die Basisplatte 2 und bewirken so die Kontrolle der Temperatur des Milieus innerhalb des Moduls 3 über Ableitung. Ein Beispiel für ein Fluid, welches verwendet werden kann, um Modul 3 zu erwärmen oder abzukühlen, ist Wasser. Alternativ hierzu kann jedes Fluid, welches das Modul 3 über Ableitung erwärmen oder abkühlen kann, erfindungsgemäß verwendet werden. Vorzugsweise wird die Temperatur innerhalb des Moduls 3 überwacht und geregelt, um den spezifischen Bedingungen entsprechend des durchgeführten Verfahrens einzustellen. In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Bioreaktor eine eingebaute Sonde auf, welche fähig ist, die Temperatur der Module zu überwachen. Erfindungsgemäß kann die Temperatur innerhalb des Moduls 3 in einem Bereich von Temperaturen eingestellt werden. Beispielsweise würde man im Falle der Sterilisation des Bioreaktors die Module 3 auf eine sehr hohe Temperatur erwärmen wollen. In einem anderen Beispiel, wenn Mikroorganismen gezüchtet werden, würde man die Temperatur in einem geeigneten Bereich für das Wachstum der ausgewählten Mikroorganismen einstellen wollen.
  • Die nicht kommunizierenden Kanäle 12 der vorliegenden Erfindung sind mit einem System von Kopfstücken 16 verbunden, die um die Peripherie von Modul 3 herum platziert sind, und ebenso zwischen die zwei Metallfolien 8 eingefügt sein können. Dieses Kopfstückarrangement 16 führt Fluide zu den nicht kommunizierenden Kanälen 12. Wie oben erwähnt können die Module 3 eine Vielzahl von Umrissen annehmen, und deswegen kann das Kopfstückarrangement 16 ebenso bezüglich des Umfangs variieren, um zu dem Modul 3, an welches es angefügt ist, zu passen. Falls das Modul 3 ein Quadrat ist, kann das Kopfstückarrangement 16 an der Seite des Moduls 3 angebracht sein. Falls das Modul 3 zirkulär ist, muss das Kopfstückarrangement 16 einen geeigneten Durchmesser und Konstruktion aufweisen, um Fluide an die nicht kommunizierenden Kanäle 12, welche von dem Äußeren nach innen auf das Zentrum des Moduls 3 gerichtet sind, abgeben zu können. Die entsprechende Variabilität bezüglich Größe und Konstruktion trifft ebenso auf den Sammelanschluss 17 zu. Bei einem quadratischen Modul 3 (siehe, 1) kann der Sammelanschluss 17 an der Seite des Moduls 3 platziert sein. Ist das Modul 3 (siehe, 3) zirkulär, verlassen Fluide die Basisplatte durch einen "Sammelring" 17, welcher mit dem oben beschriebenen Verteilungsring 15 konzentrisch ist, und gerade innerhalb des Verteilungsrings 15 liegt. Der Durchmesser des inneren Sammelrings 17 ist so gewählt, dass er größer ist als der Durchmesser des Verteilungsrings 15, wodurch die Fluide, welche von dem zirkulären Kopfstück an der Peripherie in die nicht kommunizierenden Kanäle 12 eintreten, über den Verteilungsring 15 austreten und durch den Sammelring 17 nach Innen oder Außen fließen können. Der Fachmann wird verstehen, dass die oben beschriebenen Konstruktionen nur als Beispiele verstanden werden können, und dass das Kopfstückarrangement 16 und der Sammelanschluss 17 in irgendeiner Weise konstruiert werden können, die sicherstellt, dass deren Funktionen aufrechterhalten werden.
  • Zusätzlich zu der Basisplatte 2 und dem Rahmen 1 kann jedes Modul auch eine Mischvorrichtung (4 18) aufweisen. Die Funktion der Mischvorrichtung 18 ist es, das feste Medium innerhalb des Moduls 6 zu rühren. Das Rühren kann beispielsweise ausgeführt werden, nachdem das Medium mit dem Mikroorganismus inokuliert wurde. Das Rühren kann auch ausgeführt werden während des Extrahierens von biologisch verwendbaren Produkten aus dem Mikroorganismus. Der Fachmann wird verstehen, dass das Rühren jederzeit während des Fermentationsverfahrens ausgeführt werden kann, falls das Rühren als notwendig angesehen wird, obwohl vorzugsweise ein intensives Mischen während des Fermentationsprozesses nicht auftritt, da ansonsten potentiell die Mikroorganismen geschädigt werden können, insbesondere Pilze.
  • In der vorliegenden Erfindung ist die Mischungsvorrichtung 18 vorzugsweise im Zentrum des Moduls 3 platziert. In einem Gesichtspunkt der Erfindung weist die Mischvorrichtung einen oder mehrerer Mischärme 22, vorzugsweise 2 Mischärme, auf. Die Mischärme können beispielsweise mit flachen Ruderblättern 25 (siehe 6) ausgestattet sein, können jedoch auch mit Zähnen oder mit irgendeiner anderen Ausgestaltung ausgestattet sein, die bei dem Mischen, welches für die ausgewählte Anwendung nötig ist, für die der Bioreaktor verwendet wird, hilfreich ist. Eine besonders bevorzugte Schaufelkonstruktion ist es, wenn kurze Schaufeln um den Durchmesser des Mischarms herum versetzt angeordnet sind, zwischen den kurzen Schaufeln jedoch keine Lücke Seite an Seite oder horizontale Überlappung existiert.
  • Unter einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung rotieren die Mischärme während sie sich um die Zentralachse des Moduls drehen. Diese Rotation während der Drehung kann durch zwei konzentrische Wellen 19 im Zentrum der Mischvorrichtung erreicht werden, welche von zwei unabhängigen Motoren 20 angetrieben werden. Die innere Welle kann die zwei Mischärme rotieren, während die äußere Welle die Ärme um die zentrale Achse des Moduls dreht. Die besondere Anordnung der Wellen und Motoren wie sie hier beschrieben sind, sollen die Erfindung nicht auf dieses eine Arrangement begrenzen. Jede Anordnung der Mischvorrichtung, welche das gleichzeitige Drehen und Rotieren sicherstellt, kann als innerhalb der Erfindung liegend angesehen werden. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung einen Motor mit einen Planetengetriebesystem verwenden.
  • Ein insbesondere bevorzugter Gesichtspunkt des Mischungsgesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist es, dass die Geschwindigkeit der Drehung des sich um die Zentralachse drehenden Arms auf einen präzisen Anteil der Geschwindigkeit der Rotation des Arms eingestellt werden kann. Dieser Gesichtspunkt betrifft das korrekte Mischen des Inhalts des Bioreaktors, um eine Bewegung der Inhalte des Bioreaktors in großen Gebinden zu verhindern. Um zu verhindern, dass die Inhalte des Bioreaktors in einer kreisförmigen Bewegung in einer Masse geschoben werden, dreht sich der Mischungsarm nur um eine Strecke, die gleich ist zu der, welche über die das vor dem rotierenden Arm liegende Medium anhebenden und es hinter dem rotierenden Arm ablagernden, rotierenden Schaufeln bewegt werden kann. Werden zwei getrennt Motoren verwendet, um die Mischungsvorrichtung zu kontrollieren, kann die Geschwindigkeit jedes Motors getrennt kontrolliert werden. Wird ein Motor verwendet, kann das Verhältnis der Umdrehung nur zur Rotation durch die Getriebewahl präzise eingestellt werden, so dass diese Bewegungen aufeinander abgestimmt werden, um eine effiziente Mischung und eine gleichförmige Wiederverteilung der Inhalte des Bioreaktors zu erreichen.
  • Wie schon erwähnt, ist der Bioreaktor so konstruiert, dass die präzise Kontrolle des Milieus im Innern des Bioreaktors 6 ermöglicht wird. Um dies zu ermöglichen kann es wünschenswert sein, den Bioreaktor mit Sonden auszustatten, die das Milieu im Innern des Bioreaktors überwachen können. Es können Sonden zur Überwachung der Temperatur, der Feuchtigkeit, der Sauerstoffkonzentration oder der Kohlenstoffdioxidkonzentration im Innern des Bioreaktors 6 nötig sein. Andere Sonden umfassen Analysevorrichtungen für das Abgas, Drucksensoren, Luftströmungssensoren und Gewichtssensoren. Darüber hinaus können bestimmte Betriebsabläufe des Bioreaktors automatisiert werden (z. B. das Durchströmen des Kühlwassers, von Dampf, von gefilterter kondensierter Luft, von Vakuumbetrieb, von Transfer des Inokulums, dem Zusatz von Wasser oder Nährstoffen, und der Kontrolle des Rohrgerüstes sowie dem An- und Abschalten von Motoren und Pumpen zu ausgewählten Zeiten). Ein solches wie oben aufgelistetes Hilfsequipment wird allgemein für die Automatisierung von Flüssigkulturen verwendet und ist jedem Fachmann bekannt.
  • Betrieb des Bioreaktors:
  • Wie oben ausgeführt, erlaubt der Bioreaktor der vorliegenden Erfindung es, alle Schritte der Festbettfermentation in einer einzigen Vorrichtung und in abgeschlossener Art und Weise auszuführen. Der Bioreaktor der vorliegenden Erfindung führt die Stufen 1) Sterilisieren der Kultivierungsvorrichtung und des Kultivierungsmediums, 2) Animpfen des Kultivierungsmedium mit den Mikroorganismen, 3) Kultivierung der Mikroorganismen, 4) Extraktion von biologischen Produkten aus den kultivierten Mikroorganismen und 5) Nachextraktionsverfahren durch, ohne die Materialien im Innern der Module des Bioreaktors der äußeren Umgebung auszusetzen. Der Bioreaktor der vorliegenden Erfindung reguliert darüber hinaus präzise die Wachstumsumgebung innerhalb des Bioreaktors. Diese Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung stellen eine große Erleichterung bereit, verglichen mit größeren Festbettfermentationsvorrichtungen, welche vielfache Eingriffe in jeder Stufe des Fermentationsverfahrens erforderlich machen, beispielsweise das Autoklavieren des Mediums außerhalb des Festbettfermentationsvorrichtung und dem dann folgenden Transferieren des Mediums in die Fermentationsvorrichtung.
  • Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren zur Verwendung des Bioreaktors für die Kultivierung von Mikroorganismen zunächst das Befüllen der gesäuberten Module 3 mit dem Fermentationsmedium 6. Jegliches Festbettfermentationsmedium kann erfindungsgemäß verwendet werden. Einige Beispiele für Festbettmedien sind Maiskleie, Mais, Weizen, Sojaschote, Sojabohnen, andere Cerealien, Mineralien (z. B. Vermikulit, Celit, Polyurethanschaum) oder jedes andere Trägermaterial, welches fähig ist, wässrige Lösungen zu absorbieren.
  • Nach dem Beladen des Bioreaktors mit dem Medium werden die Module 3 zusammengebaut, um den Stapel 4 zu bilden. Mehrere Stapel 4 können tandemweise betrieben werden. Erfindungsgemäß ist das Innere des Bioreaktors, sobald dieser zusammengefügt ist, von der äußeren Umgebung isoliert. Mehrere Stapel 4 können tandemweise betrieben werden, um eine Batchgröße so groß wie erforderlich zu ergeben. Sobald der Stapel 4 gesichert ist, werden durch die kommunizierenden Kanäle 11 sterilisierende Fluide, beispielsweise Dampf oder Gas, in das Modul geschickt, um die Matrix zu sterilisieren. Gleichzeitig wird Dampf durch die nicht kommunizierenden Kanäle geschickt, um den Bioreaktor auf eine Temperatur, die für die Sterilisation geeignet ist, zu erwärmen (121°C für Dampf, 50°C für Ethylenoxid). In manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Luft aus dem Bioreaktor durch Verbinden der kommunizierenden Kanäle 11 mit einer Vakuumquelle vor dem Bedampfen entfernt werden. Die sterilisierte Matrix im Innern der Module kann durch Beschicken mit Kühlwasser durch die nicht kommunizierenden Kanäle 12 und zusätzlich durch Führen von steriler kalter Luft durch die Module 3 des Reaktors abgekühlt werden. Während des Abkühlungsprozesses kann der Reaktor mit steriler Luft unter positivem Druck gehalten werden, bis die gewünschte Kultivierungstemperatur erreicht ist. Luft, welche innerhalb des Reaktors eingeschlossen ist, kann, falls erforderlich, durch die kommunizierenden Kanäle abgelassen werden. Vorzugsweise geschieht das Ablassen der Luft durch die Ventile alternierender Platten.
  • Nach der Sterilisierung kann ein flüssiges Inokulum des zu kultivierenden Mikroorganismus in die Module 3 des Bioreaktorstapels 4 durch die kommunizierenden Kanäle 11 gepumpt werden. Die in dem erfindungsgemäßen Bioreaktor kultivierten Mikroorganismen können Bakterien, Hefen oder Pilze sein. Der Zweck der Kultivierung dieser Organismen kann die Nahrungsmittelproduktion oder die industrielle Produktion von bevorzugten Verbindungen wie biologisch aktiven Molekülen sein. Sobald die geeignete Menge von Mikroorganismen dem Modul zugefügt wurde und der Feuchtigkeitsgehalt eingestellt wurde, kann die Mischvorrichtung 18 für eine Zeitdauer eingeschaltet werden, um das Inokulum mit der festen Matrix zu vermischen. Die Mischvorrichtung 18 wird dann gestoppt und es wird den Mikroorganismen ermöglicht, die Matrix zu besiedeln. Das Mischen des Inokulums mit der Matrix vor der Fermentation erlaubt, verglichen mit dem Mischen während des Fermentationsverfahrens, die homogene Verteilung des Inokulums, bevor der Mikroorganismus eine Chance hat zu wachsen.
  • Während der Wachstumsperiode wird das Milieu innerhalb des Bioreaktors beispielsweise durch eine Sonde überwacht und sorgfältig aufrechterhalten. Wie vorher schon beschrieben, wird sterile Luft durch die kommunizierenden Kanäle 11 in den Bioreaktor beschickt, um den Sauerstoff, welcher für den Wachstum der Mikroorganismen notwendig ist, zu liefern. Der Feuchtigkeitsgehalt des Bioreaktors kann durch Beschicken des Bioreaktors mit Fluid ebenso durch die kommunizierenden Kanäle 11 eingestellt werden. Vorzugsweise wird der Fluidgehalt vor dem Mischen eingestellt, so dass die Feuchtigkeit gleichförmig über die Matrix verteilt wird. Die Temperatur des Moduls 3 wird durch Beschicken mit Wasser durch die nicht kommunizierenden Kanäle 12 kontrolliert. Die Sterilisierungs-, Inokulations-, Temperaturkontroll-, Extraktions- und Nachextraktionsabläufe können unter Verwendung von auf dem Fachgebiet bekannten und verwendeten Technologien automatisiert werden.
  • Das Verfahren zur Fermentation von Mikroorganismen generiert Wärme. Die Bildung von Wärme im Inneren des Bioreaktors kann für das Fermentationsverfahren problematisch sein. Eine Möglichkeit, erfindungsgemäß Wärme zu entfernen ist es, ein Verdunstungskühlen durchzuführen. Verdunstungskühlen kann die bevorzugte Methode zur Entfernung von Wärme sein, wenn es wünschenswert ist, Wasser aus dem Bioreaktor zu entfernen (z. B. falls das Medium zu viel Feuchtigkeit enthält). Eine Verdunstungskühlung kann durch Beschicken von Luft durch die 23 Platten in die kommunizierenden Kanäle und Auslassen der Luft durch die Sammelplatten 24 erreicht werden. Falls es nicht wünschenswert ist, Wasser aus dem Bioreaktor zu entfernen, wird es bevorzugt, dass in der vorliegenden Erfindung das Verfahren der Ableitung als Wärmeentfernung verwendet wird. Das Verfahren der Wärmeentfernung über Ableitung, wie hierin beschrieben, erfordert die Passage von kühlenden Fluiden durch die nicht kommunizierenden Kanäle 12.
  • Es gibt zwei Vorteile, falls die während der Fermentation gebildete Wärme über Ableitung entfernt wird. Ein Vorteil ist es, dass nur die für das zur Verfügung stellen des Sauerstoffbedarfs nötige Anteil an Luft in das Modul 3 beschickt werden muss. Die Unabhängigkeit von Abkühlungserfordernissen erleichtert es außerdem, eine bestimmte Atmosphäre innerhalb des Bioreaktors aufrecht zu erhalten, welche für die Kultivierung bestimmter Mikroorganismen nötig sein kann. Beispielsweise kann es sein, dass ein bestimmter Mikroorganismus eine hohe Kohlenstoffdioxidkonzentration benötigt.
  • Ein zweiter Vorteil des Entfernens der Wärme über Ableitung und nicht durch Verdunsten von Feuchtigkeit aus dem Bett ist es, dass über die Ableitung kein Wasser aus dem Fermentationsmedium entfernt wird. Verdunstungskühlung resultiert in Wasserverlust aus dem Fermentationsmedium. Wird das Fermentationsmedium zu trocken, kann diese Trockenheit das Fermentationswachstum der Mikroorganismen negativ beeinflussen. Um die verlorene Feuchtigkeit auszugleichen, muss die verdunstete Feuchtigkeit berechnet werden, und dem Fermentationsmedium wieder zugefügt werden.
  • Nach dem Ersatz der Feuchtigkeit kann es sein, dass das Bett erneut sorgfältig gemischt werden muss, um Inhomogenitäten des Feuchtigkeitsgehalts des Betts zu verhindern, nachdem die geeignete Temperatur erreicht wurde. Das Mischen von filamentösen Mikroorganismen, wie beispielsweise Pilzen, resultiert jedoch in einem Brechen des Myzels und in vielen Fällen, insbesondere bei der Fermentation von nicht septierten Pilzgattungen wie beispielsweise Rhizhomucor, resultiert daraus eine Abnahme der Menge des gebildeten Produkt, weshalb es bevorzugt ist, dass das Mischen zu Beginn des Fermentationsverfahrens durchgeführt wird, und auf ein Minimum beschränkt wird, sobald die Fermentation begonnen hat.
  • Obwohl potentiell für bestimmte Mikroorganismen gefährlich, kann das Mischen überschießende Feuchtigkeitsdruckabfälle durch das Bett aufgrund von verfilzten Myzelien, insbesondere im Fall von Pilzfermentationen verhindern. Selbst wenn nur ein geringer Luftstrom aufrechterhalten wird, kann der Fluidsverlust nie eliminiert werden und über eine Periode von mehreren Tagen kann sich ein Feuchtigkeitsgradient einstellen (z. B. kann der Bioreaktor am Boden trocken und an der Spitze feucht sein). Diese Gradienten werden praktisch eliminiert, wenn die Richtung des Luftstroms im Abstand von wenigen Stunden regelmäßig umgekehrt wird. Das Zeitregime dieser Umkehrung des Luftstroms kann automatisiert werden, so dass die Luftstromrichtung im Abstand weniger Stunden umgekehrt wird (z. B. alle 4 Stunden). Unter Verwendung dieses Verfahrens kann eine Homogenität des Feuchtigkeitsgehalts über den ganzen Bioreaktor hinweg aufrechterhalten werden.
  • Eine Entfernung von Wärme wurde auch teilweise durch Mischen des fermentierenden Mediums während des Fermentationsverfahrens ermöglicht. Neben intensivem Aufbrechen und Beschädigen der Myzelmasse kann auch eine signifikante Aggregation auftreten, die ebenso vom Verfilzen des Myzeliums und einer reduzierten Produktqualität und Ausbeute resultiert. Die Entfernung von Wärme über Ableitung vermeidet die Notwendigkeit, die Wärme durch Mischen während der Fermentation zu entfernen.
  • Oft werden Mikroorganismen kultiviert, da sie die Fähigkeit haben, bioaktive Produkte extrazellulär zu produzieren, beispielsweise sekretieren viele Mikroorganismen Antibiotika. Manche Mikroorganismen stellen natürlicherweise ein bioaktives Produkt her, welches in biotechnologischen Anwendungen nützlich ist. Es ist im Fachgebiet gut bekannt, dass Gene von Mikroorganismen genetisch verändert werden können, um ein bioaktives Produkt besonderen Interesses herzustellen. (Siehe Ausubel et al., supra, hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen) Daher kann es nach Abschluss der Kultivierungsperiode wünschenswert sein, die bioaktiven Moleküle aus den Mikroorganismen zu extrahieren. Extraktionsfluide, beispielsweise ein organisches Lösungsmittel, können durch die Emitterplatten 23 in die kommunizierenden Kanäle 11 beschickt werden, um die interessierenden Metabolite zu extrahieren. Das Extraktionsfluid ist jedes geeignete Fluid, welches das interessierende Produkt lösen kann, und es aus dem Reaktor zur Sammelplatte 24 bringen kann, so dass das Produkt gewonnen werden kann. Alternativ hierzu kann das Extraktionsverfahren durch Ultraschall oder Beschallung für den Bruch der Zellen erleichtert werden. Während der Dauer des Extraktionsverfahrens kann die Temperatur des Bioreaktors auf jeden gewünschten Level durch Beschicken von erwärmenden oder kühlenden Fluiden durch die nicht kommunizierenden Kanäle 12 kontrolliert werden. Die Fähigkeit, dieselbe Vorrichtung sowohl für die Fermentation als auch für die Extraktion verwenden zu können, ist ein besonderer Vorteil, welcher durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird.
  • In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Sammelplatte 24 direkt mit einem zusätzlichen Apparat oder zusätzlichen Apparaten (z. B. Ultrafiltrationsvorrichtung, Mikrofiltrationsvorrichtungen oder Chromatographiesäulen) für die Reinigung des gewünschten Produkts verbunden.
  • Die Verbindung wird so ausgeführt, dass ein steriles und abgeschlossenes Milieu beibehalten wird. Von der Inokulation bis Sammeln des Endproduktes gibt es keinen Zeitpunkt an dem eine Kontamination auftreten kann. Daher eliminiert dieser Apparat die Chance, dass das Produkt kontaminiert wird, durch die äußere Umgebung, verglichen mit den Verfahren, die früher verfügbar waren. Zusätzlich stellt eine Probe des Bioreaktorinhalts eine genaue Wiedergabe des Bioreaktors dar, da das innere Milieu des Bioreaktors abgeschlossen und homogen ist. Außerdem kann eine Probe zur Bewertung ob eine Kontamination des Bioreaktors vorgekommen ist stattfinden, ohne die Sterilität zu brechen. Eine Probe, die negativ auf eine Kontamination hingetestet wurde, garantiert es, dass der gesamte Inhalt des Bioreaktors steril ist. Diese Eigenschaft ist auch dann von Vorteil, wenn das interessierende Produkt toxisch ist (z. B. das Immunosupressant Cyclosporin). Der Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass das Extraktionsverfahren optional ist und nicht bei jeder Fermentation auftreten muss.
  • Die Automatisierung des Reinigungsverfahrens erlaubt es, alle Parameter des gesamten Produktionsverfahrens präzise zu kontrollieren. Insgesamt stellt der Bioreaktor der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Zucht von Mikroorganismen und zum Extrahieren von Produkten daraus bereit, insbesondere hinsichtlich der Gesichtspunkte Sicherheit und Handling der Mikroorganismen. Diese Eigenschaften machen dem Bioreaktor der vorliegenden Erfindung eine sehr attraktive Option zur Zucht von genetisch modifizierten Mikroorganismen, die auf einem festen Substrat wachsen. Eine besondere Verwendung für die für einen solchen Bioreaktor, ist die Zucht von Mikroorganismen, welche ein Produkt herstellen, das die Sterilitätsstandards für die FDA-Zulassung einhalten muss.
  • Nach Abschluss des Extraktionsverfahrens kann das innerhalb des Bioreaktors verbleibende Material auf irgendeine geeignete Weise behandelt werden, während es noch immer im Bioreaktor ist. Beispielsweise kann das Material einer Wärmebehandlung (z. B. Sterilisierung), einer Abkühlung oder einer Reaktion des Materials mit einer geeigneten Lösung unterzogen werden. Etliche Arten der Behandlung, die das Material für die Entsorgung geeignet machen, kann bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bevor die Vorrichtung abgebaut wird. Sobald der Stapel abgebaut ist, werden die verbleibenden Materialien verworfen und der Bioreaktor kann gewaschen und für eine weitere Fermentation wieder verwendet werden.
  • Beispiele
  • Die vorliegende Erfindung kann durch Studium der folgenden nicht limitierenden Beispiele noch weiter verstanden werden.
  • Beispiel 1:
  • Verwendung des Bioreaktors zur Produktion und Extraktion eines extrazellularen Metabolits (z. B. eines Lebensmittelprodukt)
  • 3 Kilogramm Weizenkleie wurden in die Module des Bioreaktors mit einer gesamten Plattenfläche von etwa 2.500 cm2 geladen. Der Bioreaktor wurde zusammengefügt und die Luft wurde aus dem Bioreaktor evakuiert durch Anlegen eines Vakuums an die kommunizierenden Kanäle. Darauf folgend wurde gleichzeitig Dampf durch die kommunizierenden und die nicht kommunizierenden Kanäle beschickt, um den Bioreaktor und dessen Inhalte auf einer Temperatur von 121 °C zu erwärmen. Der Bioreaktor wurde bei dieser Temperatur 45 Minuten belassen, wobei der Dampfdruck freigesetzt wurde. Gleichzeitig wurde sterile Luft in die kommunizierenden Kanäle beschickt, während Kühlungswasser von etwa 25°C in die nicht kommunizierenden Kanäle beschickt wurde. Sobald der Bioreaktor auf 37°C abgekühlt war, wurde er mit einem gut gewachsenen Inokulum des Stammes Rihzhomucor pusillus inokuliert, welcher eine Protease Art produziert, welche Milch-Gerinnungs-Enzym genannt wird (auch bekannt als mikrobielles Rennin). Dieses Enzym wird in der Käseindustrie verwendet. Die beimpfte Kleie wurde für eine Dauer von 4 Tagen bei einer Temperatur von 37°C inkubiert, um dem Pilz zu erlauben, die Substrathöhe komplett zu besiedeln. Während dieser Dauer wurde die Temperatur der Kleie durch Durchströmen von warmem oder kaltem Wasser durch die nicht kommunizierenden Kanäle kontrolliert. Gleichzeitig wurde der Bioreaktor mit steriler Luft in einer Strömungsrate von 7 Litern/Minute durch die kommunizierenden Kanäle von benachbarten Platten beschickt, und die Luft wurde durch die kommunizierenden Kanäle der Sammelplatten abgelassen. Die Richtung des Luftstroms wurde im Abstand weniger Stunden umgekehrt, um Feuchtigkeitsgradienten im Bett zu verhindern.
  • Nach 4 Tagen wurden 15 Liter Wasser in die kommunizierenden Kanäle der oben liegenden Platte beschickt, und durch die Löcher in den kommunizierenden Kanälen der Platten des Stapels nach unten sickern gelassen. Der wässrige Extrakt, welcher das Enzym enthielt, wurde am Boden des Stapels gesammelt. Danach wurde durch die oben liegende Platte Luft beschickt, um die maximale Menge verbleibenden Extrakts, welcher im Bett gefangen war, auszublasen. Dann wurde Dampf durch die kommunizierenden und die nicht kommunizierenden Kanäle geschickt, um die extrahierte Pilzkleie zu sterilisieren. Diese sterilisierte, verbrauchte Kleie wurde dann verworfen. Der wässrige Extrakt enthält das Enzym, wie denn konzentriert durch Ultrafiltration.
  • Beispiel 2:
  • Verwendung des Bioreaktors zur Produktion eines intrazellulären Metabolits (z. B. eines pharmazeutischen Produkts).
  • 20 Kilo Weizenkleie wurden in einen Bioreaktor von etwa 22.600 cm2 Fläche geladen. Der Bioreaktor wurde wie in Beispiel 1 beschrieben sterilisiert. Nach der Sterilisierung wurde der Bioreaktor auf 30°C abgekühlt und mit einem gut gewachsenen Inokulum eines Stammes von Fusarium solanii, welcher intrazellulär ein Immunosupressant namens Cyclosporin produziert, inokuliert. Cyclosporin wird verwendet, um die Abstoßung transplantierter Organe zu verhindern. Das Inokulum wurde gewissenhaft mit der sterilisierten Kleie unter Verwendung der Mischärme für eine Dauer von 1 Stunde vermischt. Die inokulierte Kleie wurde dann 120 Stunden inkubiert.
  • Der Bioreaktor wurde kontinuierlich mit steriler Luft bei einer Fließrate von 75 Liter/Minute beschickt. Die Temperatur des Bioreaktors wurde für die ersten 24 Stunden auf 29°C, für die nächsten 48 Stunden auf 32°C und für die letzten 48 Stunden auf 29°C eingestellt.
  • Danach wurde der Bioreaktor mit 120 Litern Methanol folgendermaßen extrahiert: Zunächst wurden 60 Liter Methanol durch die oben liegende Platte eingeführt, und in den Bioreaktor einsickern und mit der kultivierten Kleie in Kontakt kommen gelassen. Diese Methanol wurde 24 Stunden in dem Biorektor belassen um die Diffusion des intrazellulären Cyclosporins aus den Pilzzellen in das Methanol zu ermöglichen. Diese "erste Tränkung" wurde dann durch die Bodenplatte drainiert und mit dem nächsten Anteil an 60 Liter ersetzt, welcher mit der Kleie für die Dauer von 6 Stunden in Kontakt gelassen wurde. Der zweite Anteil wurde drainiert und der verbleibende Extrakt wurde aus dem Bett mit Luft ausgespült. Unter Verwendung dieses Verfahrens konnte eine effiziente Extraktion von Cyclosporin durchgeführt werden.
  • Die verbrauchte Kleie im Bioreaktor wurde mit Wasser gewaschen, um Spuren von verbleibendem Methanol zu entfernen. Dann wurde der Bioreaktor geöffnet und die verbrauchte Kleie wurde als Abfall entsorgt. Es gab keine Notwendigkeit, den Bioreaktor vor Öffnung zu sterilisieren, da dass Methanol aufgrund seiner Natur schon jedes lebende Material in dem Bioreaktor getötet hatte. Der Methanolextrakt, welcher das Cyclosporin enthielt, wurde unter Vakuum getrocknet, und unter Verwendung von Säulenchromatographie weiter gereinigt.
  • Beispiel 3
  • Verwendung des Bioreaktors zur Produktion eines teilweise intrazellulären Metabolits und teilweise extrazellulären Metabolits (z. B. eines pharmazeutischen Produkts).
  • 15 Kilo Weizenkleie wurden in einen Bioreaktor von etwa 14.500 cm2 Fläche geladen. Der Bioreaktor wurde wie unten beschrieben sterilisiert: Der Bioreaktor wurde zusammengefügt und dann wurden gleichzeitig die kommunizierenden und die nicht kommunizierenden Kanäle alternierender Emitterplatten mit Dampf beschickt, um den Bioreaktor und dessen Inhalte zu erwärmen. Gleichzeitig wurden Luft und Dampf über die kommunizierenden und die nicht kommunizierenden Kanälen der zwischenliegenden Sammelplatten (siehe 5) abgelassen. Das Mischungssystem wurde auch eingeschaltet, und die Inhalte des Reaktors wurden kontinuierlich aufgebrochen, um alle Lufttaschen zu entleeren, während das Belüften in Gange war. Sobald die Temperatur des Bioreaktors 100°C erreichte, wurde das Belüften mit Dampf gestoppt. Das Mischen wurde auch gestoppt. Der Reaktor wurde weiter auf eine Temperatur von 120°C erhitzt. Der Bioreaktor wurde bei dieser Temperatur 60 Minuten belassen, wonach der Dampfdruck freigesetzt wurde. Gleichzeitig wurde sterile Luft in die kommunizierenden Kanäle und Kühlungswasser von etwa 25°C in die nicht kommunizierenden Kanäle beschickt.
  • Nach der Sterilisierung wurde der Bioreaktor auf 30°C abgekühlt und mit einem gut gewachsenen Inokulum des Stammes Aspergillus flavipes inokuliert, welcher Mevinolinsäure produziert. Ein Teil der produzierten Mevinolinsäure wird in das Medium sekretiert, während ein anderer Teil in dem Pilzmyzelium eingeschlossen bleibt. Mevinolinsäure wird verwendet, um die Verbindung Lovastatin herzustellen, welche bei der Behandlung von Hypercholesteremia verwendet wird. Das Inokulum wurde sorgfältig mit der sterilisierten Kleie vermischt, unter Verwendung der Mischärme, für eine Dauer von 1 Stunde. Die beimpfte Kleie wurde dann für eine Dauer von 120 Stunden inkubiert. Sterile Luft wurde mit einer Flussrate von 50 Lit pro Minute kontinuierlich in den Bioreaktor beschickt. Die Temperatur des Bioreaktors wurde während der gesamten Inkubationsdauer bei 30°C kontrolliert. Die Richtung des Luftstroms wurde im Abstand von 1 Stunde unter Verwendung von automatischen Kontrollventilen verändert.
  • Nach dem Wachstum wurden die Mischärme 20 Minuten angeschalten, um die Pilzkleie aufzubrechen und für die Extraktion bereitzumachen. Der Bioreaktor wurde mit 90 Litern Azeton auf folgender Weise extrahiert. Zunächst wurden 45 Liter Methanol durch die oben liegende Platte eingeführt, und in den Bioreaktor einsickern und mit der kultivierten Kleie in Kontakt kommen gelassen. Dieses Azeton wurde dann in den Bioreaktor für eine Dauer von 16 Stunden belassen. Diese "erste Tränkung" wurde dann durch die Bodenplatte drainiert und mit dem nächsten Anteil an 45 Liter ersetzt, welcher mit der Kleie für die Dauer von 6 Stunden in Kontakt gelassen wurde. Der zweite Anteil wurde drainiert und die bleibende Extrakt wurde aus dem Bett mit Luft ausgespült.
  • Unter Verwendung dieses Verfahrens konnte eine effiziente Extraktion von Mevinolinsäure durchgeführt werden. Die verbrauchte Kleie im Bioreaktor wurde mit Wasser gewaschen, um Spuren von verbleibendem Azeton zu entfernen. Dann wurde der Bioreaktor geöffnet und die verbrauchte Kleie wurde als Abfall entsorgt. Es gab keine Notwendigkeit, den Bioreaktor zu sterilisieren vor Öffnung, da dass Azeton schon jedes lebende Material in dem Bioreaktor getötet hatte. Der Azetonextrakt, welcher die Mevinolinsäure enthielt, wurde getrocknet und mit Ethylazetat reextrahiert. Der Ehtylazetatextrakt wurde unter Vakuum getrocknet, um die Mevinolinsäure zu Lovastatin zu lakonisieren.
  • Das Lovastatin wurde aus dem Ethylazetatkonzentrat auskristallisiert und über Rekristallisation im Methanol und Azeton gereinigt.
  • Beispiel 4:
  • Verwendung des Bioreaktors zur Herstellung eines bakteriellen Enzyms, welches für die Brauindustrie nützlich ist.
  • 1,5 kg Maltodextrin und 15 kg Weizenkleie wurden in einen Bioreaktor von etwa 14.500 cm2 Fläche geladen. Die Inhalte des Bioreaktors wurden wie in Beispiel 3 erklärt sterilisiert. Nach dem Abkühlen des Reaktors wurden 10 Liter eines Inokulums des gewählten Stammes Bacillus subtilis in den Bioreaktor überführt und unter Verwendung der Mischärme sorgfältig gemischt. Dieser Stamm von Bacillus produziert ein Gemisch von neutralen bakteriellen Proteasen, beta-Glukanasen und Amylasen, die verwendet werden, um höhere Ausbeuten an Extrakt aus gemälzter Gerste in der Brauindustrie herzustellen.
  • Die Temperatur der Kultivierung wurde auf 32°C eingestellt. Die Kultivierungsdauer war 72 Stunden. Nach der Fermentation wurde der Bioreaktor auf 15°C durch Zirkulieren von gekühltem Wasser von 10°C durch die nicht kommunizierenden Kanäle abgekühlt. Dann wurden 60 Liter Wasser in den Bioreaktor in einer Flussrate von 15 Litern pro Stunde beschickt, um das Enzym in 4 Stunden komplett zu extrahieren. Die Extraktion unter kalten Bedingungen half dabei, die Denaturierung dieser temperatursensitiven Protease zu minimieren. Nach der Extraktion wurde der Reaktor mit Dampf sterilisiert und der Extrakt wurde unter Verwendung von Mikrofiltration und Ultrafiltration verarbeitet, um das Endprodukt zu erhalten.
  • Beispiel 5:
  • Verwendung des Bioreaktors zur Herstellung wohlschmeckenden Aromastoffen unter Verwendung von Sojabohnen.
  • Der in den Beispielen 3 und 4 beschriebene Bioreaktor wurde mit 10 kg Sojabohnen beladen und sterilisiert. Dies wurde dann nach dem Abkühlen mit einem Stamm von Aspergillus oryzae inokuliert und bei 30°C 2 Tage wachsen gelassen. Nach der Fermentation wurde der Bioreaktor mit Wasser, welches 5 Natriumchlorid (Salz) enthielt beschickt, und die Temperatur wurde auf 50°C erhöht, indem heißes Wasser durch die nicht kommunizierenden Kanäle beschickt wurde. Die Mischungsärme wurden in periodischen Abständen für 20 Minuten alle 6 Stunden angeschaltet. Diese Bedingung wurde eine Woche aufrechterhalten, während dessen der größte Anteil des Proteins der Sojabohnen hydrolisiert wurde. Der Inhalt des Reaktors wurde sterilisiert und die Fluid wurde trainiert. Diese Fluid wurde gefiltert und früh getrocknet, um ein wohlschmeckendes aromatisiertes Proteinhydrolisat zu erhalten.
  • Beispiel 6:
  • Verwendung von Ethylenoxid für die Sterilisierung des Bioreaktors.
  • 15 kg rohe Weizenkleie mit etwa 10 % Anfangsfeuchtigkeit wurden in einem Bioreaktor von etwa 14.500 cm2 Fläche geladen, nachdem der Reaktor vollständig zusammengebaut wurde. Er war mit einer Vakuumquelle verbunden und ein Vakuum von etwa 28 Inch Quecksilber wurde angelegt. Gleichzeitig wurde in dem Rohrgeflecht heißes Wasser zirkuliert, um die Temperatur des Bioreaktors auf 50°C zu bringen. Ein Gemisch aus Ethylenoxid und Kohlenstoffdioxid im Verhältnis von 90:10 wurde dann in den Bioreaktor beschickt. Die Menge des Gases wurde so berechnet, dass eine Konzentration von etwa 760 ppm Ethylenoxid erhalten wurde. Das Ethylenoxid wurde dann für eine Dauer von ungefähr 6 Stunden im Bioreaktor belassen, wonach ein Vakuum erneut auf einen Spiegel von etwa 28 Inch gezogen wurde. Das Vakuum wurde dann durch Beschicken mit Kohlenstoffdioxid über 0,45 Mikronsterilfilter gebrochen. Das Kohlendioxid wurde durch sterile Luft ausgespült.
  • Der Reaktor wurde dann auf 30°C abgekühlt und mit einem gut gewachsenen Inokulum der Art Rhizhopus delemar inokuliert, welcher ein Rohstärke hydrolysierendes Enzym produziert. Aus vorhergehenden Untersuchungen war bekannt, dass das Rohstärke hydrolysierendes Enzym effizienter auf steriler Rohkleie hergestellt werden kann, welche durch eine Ethylenoxidbehandlung sterilisiert wurde (wobei die Stärke nicht gelatinisiert wurde), verglichen mit Kleie welche durch Dampf bei 121 °C sterilisiert wurde (wobei die Stärke der Kleie gelatinisiert wird). Die Aktivität der Rohstärke Hydrolysierung wird für eine Reihe von Anwendungen in der Nahrungsmittelindustrie einschließlich der Herstellung von Alkohol verwendet.
  • Die Kultur wurde 96 Stunden bei 30°C wachsen gelassen. Nach dieser Inkubation wurde die Kultur mit Wasser extrahiert und der Extrakt wurde unter Verwendung von Mikrofiltration gefolgt von Ultrafiltration konzentriert. Der Reaktor wurde dann mit Dampf vor dem Verwerfen der Inhalte sterilisiert.

Claims (79)

  1. Bioreaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen auf einem festen Medium auf solche Weise, dass der Bioreaktor alle Stufen für die Kultivierung der Mikroorganismen in einer geschlossenen Umgebung durchführt, worin der Bioreaktor umfasst: Eine Vielzahl von Modulen, wobei die Module aufeinander gestapelt sind, um die geschlossene Umgebung zu bilden, wobei jedes Modul umfasst: Eine Basisplatte enthaltend kommunizierende und nicht kommunizierende Kanäle; und ein an der Basisplatte des Moduls angebrachter Rahmen; und eine Mischungsanordnung, die innerhalb jedes Moduls platziert ist.
  2. Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei der Bioreaktor weiterhin ein Mittel zum Einschließen der Mikroorganismen innerhalb des Bioreaktors umfasst, um den Kontakt der Mikroorganismen mit einer außen liegenden Umgebung während des Betriebes des Bioreaktors zu verhindern.
  3. Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei der Bioreaktor weiterhin ein Mittel zur Kontrolle der Umgebung eines jeden Moduls umfasst.
  4. Bioreaktor nach Anspruch 1, wobei der Bioreaktor aus rostfreiem Stahl oder Polykarbonat hergestellt ist.
  5. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin ein in jedem Modul verteiltes Festbettmedium umfasst.
  6. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin das Feststoff Medium ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Maiskleie, Getreide, Weizen, Sojaschoten, Sojabohnen, Cerealien, Vermikulite, Celite und Polyurethanschaum.
  7. Bioreaktor nach Anspruch 5, worin das Festbett jedes Trägermaterial sein kann welches fähig ist, wässrige Lösungen aufzunehmen.
  8. Bioreaktor nach Anspruch 7, worin die wässrige Lösung ein Nährmedium ist.
  9. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin Mikroorganismen umfasst, die in jedem Modul verteilt sind.
  10. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Mikroorganismen genetisch modifiziert sind.
  11. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Mikroorganismen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Bakterien, Hefen und Pilzen.
  12. Bioreaktor nach Anspruch 11, worin die Pilze aseptisch, septisch, intrazellulär septisch oder extrazellulär septisch sind.
  13. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Module so angebracht sind, dass eine Leckage vom Innerhalb der Module zu der äußeren Umgebung verhindert wird.
  14. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Module so angebracht sind, dass Kontaminationen aus dem Inneren der Module nicht in die äußere Umgebung gelangen können.
  15. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Module über eine Abdichtung mit Gummiringen verbunden sind.
  16. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Dimensionen des Moduls und die Größe des Stapels angepasst werden können.
  17. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin eine Vielzahl von Modulstapeln parallel betrieben werden.
  18. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Module eine Vielzahl von Formen annehmen.
  19. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Module eine rechteckige Form annehmen.
  20. Bioreaktor nach Anspruch 16, worin die kommunizierenden und die nicht kommunizierenden Kanäle aufeinander abfolgend angeordnet sind.
  21. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Module kreisförmige Form aufweisen.
  22. Bioreaktor nach Anspruch 15, worin die kommunizierenden und nicht kommunizierenden Kanäle radial angeordnet worden sind.
  23. Bioreaktor nach Anspruch 15, worin die kommunizierenden Kanäle verzweigt sind für die gleichförmige Verteilung der Flüssigkeiten an das Modul.
  24. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die kommunizierenden Kanäle Röhren sind, in die Löcher gebohrt sind, um Flüssigkeiten zu ermöglichen, das Innere der Module zu erreichen.
  25. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die nicht kommunizierenden Kanäle Röhren zum Transport von Flüssigkeiten sind.
  26. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die nicht kommunizierenden Röhren durch Aussparungen zwischen den Röhren, die die kommunizierenden Kanäle zum Transport von Flüssigkeiten bilden, gebildet sind.
  27. Bioreaktor nach 25 oder 26, worin die nicht kommunizierenden wärmenden oder kühlenden Flüssigkeiten als Mittel für die Kontrolle der Temperatur der Module über Durchleitung tragen.
  28. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die kommunizierenden Kanäle eine Flüssigkeit leiten.
  29. Bioreaktor nach Anspruch 28, worin die von den kommunizierenden Kanälen geleitete Flüssigkeit ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Dampf, Luft, Wasser, Inokulum oder organisches Lösungsmittel.
  30. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die nicht kommunizierenden Kanäle eine Flüssigkeit tragen, die fähig ist, Wärme zu leiten.
  31. Bioreaktor nach Anspruch 30, wobei die von den nicht kommunizierenden Kanälen transportierte Flüssigkeit Dampf, Luft oder Wasser ist.
  32. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Basisplatte zwei Metallbleche umfasst, die die kommunizierenden und nicht kommunizierenden Kanäle einkleiden.
  33. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Basisplatte zwei Metallbleche nicht aufweist, die die kommunizierenden und die nicht kommunizierenden Kanäle einkleiden.
  34. Bioreaktor nach Anspruch 32, worin die zwei Metallbleche eine Vielzahl von darin eingebohrten Löchern aufweisen.
  35. Bioreaktor nach Anspruch 34, worin die Löcher mit den in den kommunizierenden Kanälen befindlichen Bohrlöchern korrespondieren, so dass Flüssigkeiten aus den kommunizierenden Kanälen das Innere des Moduls erreichen können.
  36. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der an der Basisplatte montierte Rahmen ein Behältnis für das Festbett bildet, so dass das Festbett in Kontakt mit der Basisplatte sich befindet.
  37. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin Wärme aus dem Reaktor während der Kultivierung durch Fortgleiten entfernt wird.
  38. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Rahmenhöhe einstellbar ist.
  39. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Rahmenhöhe 4-8 cm beträgt.
  40. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Mischungsanordnung in der Mitte des Moduls für die Mischung des Festbettes angeordnet ist.
  41. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Mischungsanordnung mindestens zwei Mischärme umfasst.
  42. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin die Mischungsanordnung einen Mischungsarm umfasst.
  43. Bioreaktor nach Anspruch 42, worin die Mischungsärme mit Schaufeln ausgestattet sind.
  44. Bioreaktor nach Anspruch 42, worin die Mischungsärme rotieren können.
  45. Bioreaktor nach Anspruch 42, worin die Mischungsärme fähig sind, um die Zentralachse des Moduls zu rotieren.
  46. Bioreaktor nach an den Ansprüchen 44 oder 45, worin das Rotieren und Drehen über zwei unabhängige Wellen durchgeführt wird.
  47. Bioreaktor nach Ansprüchen 44 oder 45, worin das Verhältnis der Geschwindigkeit der Rotation zu der Geschwindigkeit des Drehens fest ist, um eine gleichgläubige Wiederverteilung des Inhalts des Bioreaktors zu gewährleisten.
  48. Bioreaktor nach Anspruch 46, wobei die zwei unabhängigen Wellen über mindestens einen unabhängigen Motor angetrieben werden, oder worin die beiden unabhängigen Wellen von zwei unabhängigen Motoren angetrieben werden.
  49. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin eine zentrale Verteilungsöffnung aufweist.
  50. Bioreaktor nach Anspruch 49, worin die zentrale Verteilungsöffnung mit den kommunizierenden Kanälen verbunden ist als Mittel zur Bereitstellung von Flüssigkeiten an die kommunizierenden Kanäle.
  51. Bioreaktor nach Anspruch 50, worin die zentrale Verteilungsöffnung ein Ring ist.
  52. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin eine Sammelanordnung umfasst.
  53. Bioreaktor nach Anspruch 52, worin die Sammelanordnung mit den nicht kommunizierten Kanälen verbunden ist, um Flüssigkeit in die nicht kommunizierenden Kanäle zu führen.
  54. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin eine Sammelöffnung umfasst.
  55. Bioreaktor nach Anspruch 54, worin die Sammelöffnung mit den nicht kommunizierenden Kanälen verbunden ist, um Flüssigkeiten zu sammeln, die die nicht kommunizierenden Kanäle innerhalb der Basisplatte verlassen.
  56. Bioreaktor nach Anspruch 54, worin die Sammelöffnung ein Ring ist, welcher konzentrisch ist mit dem Verteilungsring und genau innerhalb der zentralen Verteilungsöffnung liegt.
  57. Bioreaktor nach Anspruch 56, worin der Durchmesser des inneren Sammelrings größer ist als der Durchmesser des Verteilungsrings, wodurch es den Flüssigkeiten ermöglicht wird, in die nicht kommunizierenden Kanäle von der kreisförmigen Sammelvorrichtung an der Peripherie zu gelangen, um über den Verteilungsring zu fließen, und in der Sammelöffnung zu fließen und aus dem Modul heraus durch den Sammelring.
  58. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin wechselseitig angeordnete Auslass- und Sammelplatten umfasst, die an jedes Modul des Bioreaktors angefügt sind.
  59. Bioreaktor nach Anspruch 58, worin die Flüssigkeiten die Module durch die Auslassplatten betreten
  60. Bioreaktor nach Anspruch 58, worin die Flüssigkeiten die Module durch die Sammelplatten verlassen.
  61. Bioreaktor nach Anspruch 58, worin die ganz oben liegende Auslass- oder Sammelplatte Löcher nur im Boden des kommunizierenden Kanals aufweist, und die ganz unten liegende Auslass- oder Sammelplatte Löcher nur in der Decke des kommunizierenden Kanals aufweist.
  62. Bioreaktor nach Anspruch 58, worin die Auslassplatten und die Sammelplatten Ventile aufweisen, die geschlossen werden können, so dass die Flüssigkeiten in den Bioreaktor zurückgehalten werden.
  63. Bioreaktor nach Anspruch 58, wobei die Auslassplatten und Sammelplatten Ventile aufweisen, die geschlossen werden können, so dass der Druck innerhalb des Bioreaktors ansteigt.
  64. Bioreaktor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend über die oben liegende und über die unten liegende Platte angeordneten gewölbte Böden umfasst.
  65. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin Hilfseinrichtungen für den Betrieb des Bioreaktors umfasst.
  66. Bioreaktor nach Anspruch 1, worin der Bioreaktor weiterhin eine Vorrichtung zur Reinigung eines extrahierten Produkts umfasst.
  67. Verfahren für die Kultivierung von Mikroorganismen und das Extrahieren von Produkten in einem Bioreaktor nach Anspruch 1, welcher in einem geschlossenen Verfahren betrieben wird umfassend die Stufen: Durchführung der Stufen: Sterilisieren eines Festbettes; Inokulieren des Festbettes mit Mikroorganismen; Kultivieren der Mikroorganismen; Extrahieren von zellulären Produkten aus den Mikroorganismen; und Sterilisieren der extrahierten Zellen und des verwendeten Festbettes; in einer einzigen Fermentationsvorrichtung, die auf geschlossener Weise betrieben wird.
  68. Verfahren nach Anspruch 67, worin der Prozess weiterhin die Stufe des Zusammenbaus des Bioreaktors vor der Sterilisierung umfasst, so dass das Innere des Bioreaktors von der äußeren Umgebung isoliert ist, oder worin das Verfahren weiterhin die Stufe des Füllens des Bioreaktors mit dem Festbett vor der Sterilisierung der Module umfasst.
  69. Verfahren nach Anspruch 67, worin die Sterilisierung erfolgt a) durch Beschicken des Reaktors mit Heizflüssigkeiten, wobei die Heizflüssigkeit gegebenenfalls Dampf, Wasser, Luft oder irgendeine andere Flüssigkeit umfasst, auftritt, b) worin die Sterilisierung durch Erhöhen des Drucks innerhalb des Bioreaktors erfolgt; c) worin die Sterilisierung durch Beschicken des Bioreaktors mit einem sterilisierenden Gas erfolgt, wobei das sterilisierende Gas gegebenenfalls ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethylenoxiden und Ozon; oder d) worin die Sterilisierung durch Beschicken des Bioreaktors mit sterilisierenden Chemikalien erfolgt, worin die sterilisierenden Chemikalien gegebenenfalls ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus beta-Propiolacton, Wasserstoffperoxid und Pyrocarbonsäurediethylester.
  70. Verfahren nach Anspruch 67, worin die Kultivierung weiterhin die Kontrolle der Bioreaktortemperatur umfasst.
  71. Verfahren nach Anspruch 67, worin die Kontrolle der Bioreaktortemperatur es umfasst, kühlende und erhitzende Flüssigkeiten durch den Bioreaktor auf solche Weise hindurchzuführen, dass die erhitzende und kühlende Flüssigkeit das Festbett innerhalb des Bioreaktors nicht in Berührung tritt.
  72. Das Verfahren nach Anspruch 67, worin die Kultivierung weiterhin die Kontrolle des Sauerstoffgehaltes des Bioreaktors umfasst, oder worin die Kultivierung weiterhin die Kontrolle des Dampfdrucks im Bioreaktor umfasst.
  73. Verfahren nach Anspruch 67, worin das Verfahren weiterhin die Mischung des Festbettes umfasst, nachdem das Festbett mit Mikroorganismen inokuliert wurde.
  74. Verfahren nach Anspruch 67, worin die Kultivierung der Mikroorganismen weiterhin die Kontrolle ausgewählter Bedingungen umfasst.
  75. Verfahren nach Anspruch 74, worin die Kontrolle ausgewählter Bedingungen entweder umfasst: a) Einstellen des Feuchtigkeitsgehaltes innerhalb des Bioreaktors durch Einspeisen von Flüssigkeit in den Bioreaktor; b) Einstellen des Sauerstoffgehalts im Inneren des Bioreaktors durch Einspeisen von Sauerstoff in den Bioreaktor; c) Einstellen der Temperatur des Bioreaktors, oder d) Hinzufügen von Substanzen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Chemikalien und Nährstoffen zu dem Bioreaktor während des Betriebs des Bioreaktors.
  76. Verfahren nach Anspruch 67, worin die Extraktion durch Einspeisen einer Extraktionsflüssigkeit in den Bioreaktor auftritt, gegebenenfalls, worin die Extraktionsflüssigkeit organische Lösungsmittel umfasst.
  77. Verfahren nach Anspruch 67, worin das sterilisierend weiter das Auseinanderbauen des Bioreaktors nach der Sterilisierung des Mediums, welches nach der Extraktion im Bioreaktor verbleibt, umfasst.
  78. Verfahren nach Anspruch 67, worin die Stufe des Sterilisierens der extrahierten Zellen und des verwendeten Festbettes weiterhin die Beseitigung der sterilisierten extrahierten Zellen und des verwendeten Festbettes umfasst.
  79. System zur Festbettfermentation in einem Bioreaktor für die Kultivierung von Mikroorganismen in einer geschlossenen Umgebung, worin das System einen Bioreaktor nach einem der Ansprüche 1, 6 bis 12, 29 oder 31 und ein Festbettmedium, welches in jedem Modul verteilt ist, umfasst.
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