TW201043691A - Biological reactor and method for producing microbial cellulose product - Google Patents

Description

201043691 六、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明關於一種用於生產微生物纖維素體的生物反應 器及方法，尤其有關一種可同時生產管狀微生物纖維素體 及片狀微生物纖維素體的生物反應器及方法。 先前技術

某些細菌尤其是Acetobacter可以被培養以生產細菌纖 、准素在氧氣及糖的存在下Acetobacter細胞間 (eXtraCellUlar〗y)地合成纖維素，其以纖維形式附著在細胞 上。培養於靜止的培養液中的細胞所生產的纖維互相交纏 而形成一親水性網狀物，稱之為膜（peUicle)。膜（penile) 形成在靜止及未受打擾的培養液的空氣/培養液體的介 面。微生物纖維素膜在除去細胞後具有多種用途例如傷口 敷料、造紙、化妝保養品及音響振動膜等。 傳統上利用靜置培養的方式來進行細菌纖維素膜的生 產，但疋靜置培養需要耗費大量的人力和時間成本。美國 專利US 6,071，727揭示一種轉盤生物反應器以用於生產一 種膜狀微生物纖維素（Pellicular micr〇bial cellul〇se),該反 應器包含一容器，其底部盛裝有一微生物培養液態媒體； 一轉軸；被安裝於該轉軸的多片平行的圓盤，其中每一圓 盤的一外緣部份被浸於該液態媒體的水平面下，及該圓盤 具有合適的網目以允許微生物附著於其上並生產細胞間 (extracellular)微生物纖維素；及一連結於該轉軸以驅動該 201043691 多片圓盤的旋轉裝置’於是當該旋轉裝置被啟動時，該圓 盤的外緣部份被輪流地浸於該液態媒體的水平面下。 在某些特殊用途例如人造血管，管狀微生物纖維素膜 被生產。W0 2()()7/()93445 A1揭示_種中空模具’包括兩 根玻璃半管（half-tubes);—玻璃圓枉；及兩。形環，其中 該兩根玻璃半管間隔著該兩〇形環將該玻璃圓柱夾住以在 它們中間形成一環形空，且在該兩根玻璃半管之間形成 一上狹缝及—下狹縫，該上狹縫、下狹縫及環形空間彼此 流體相通。該下狹縫被接觸生長於_微生物培養液態媒體 的水平面上的微生物纖維素膜，於是該微生物纖維素膜從 該下狹縫開始生長並進入該環形空間直到該上狹縫於是 形成一管狀微生物纖維素膜。wo 2007/093445 A1的實施 例1顯示微生物培養液態媒體的水平面上的微生物纖維素 膜的成長而要7天’另需要2-3星期才能生成管狀微生物 纖維素膜（内徑3 mm，外徑4.5 mm)。 美國專利US 5,246,854揭示-種附著生長生物反應 器，包括一水平安裝的堅固圓柱體，其具有一足夠粗糙的 外表面以允許纖維性菌（fUament〇us fung〇附著於其上並生 長，該圓柱體可繞其一長軸心旋轉；一位於該圓柱體下方 的槽，其含有一培養媒體並且該圓柱體的至少一部份被浸 於其中；一水平安裝並且平行於該圓柱體的到刀，該刮刀 可被帶接觸該圓柱體以到除該圓柱體表面上的物質；及連 接於該圓柱體以驅動其旋轉的旋轉裝置。此生物反應器可 連續地生產纖維性菌，但其圓柱體不適於生產管狀微生物 201043691 纖維素膜。 參考方式被併入本案說明 以上所介紹的專利内容藉由 書0 雖然以上所介紹的專利 卞心1f匕有方法及杈具用於生產管 狀微生物纖維素膜’但其生產效率及所使用的模具都可以 被進纟文善尤其，當管狀微生物纖維素膜的尺寸越大 時，例如應用作為含物m 腸衣（特別是素食腸衣，因為微生物 纖维素亦屬於素食的—種）， ;匕知方法的生產效率及模具均 不能滿足業界的需求。 發明内容 本發明的一主要目的Α担 的在&供一種新穎的模具以生產管 狀微生物纖維素膜。 本發明的另一目的在提供一種管狀微生物纖維素膜的 生產方法。 本發明的另一目的在接征 ^ 任徒供一種同時生產不同管徑大小 的管狀微生物纖維素膜的模具。 本發明的另' ^目的A辟/i£ ϋ ^ i、一種同時生產不同管徑大小 的管狀微生物纖維素膜的方法。 本發明的又一目的在接投 . 在徒供一種同時生產管狀微生物纖 維素膜及片狀微生物纖維素膜的方法。 本心月具有可生長大官#的管狀微生物纖維素膜及生 產效率高的優點。本發明的另—優點包括可同時生產不同 管徑大小的管狀微生物纖維素膜。本發明的又一優點包括 201043691 在生產管狀微生物纖維素膜的同時亦生產片狀微生物纖維 素膜。 實施方式 依本發明的較佳具體實施例之一所完成的三根中空管 套合的水平模具組10被示於圖1及圖2。該水平模具組1〇 包3 一根中空官U，12，及13，其直徑分別為30 mm, 40 ，及50 mm，其管壁均為j .〇 mm ;及一對間隔體。 每一個間隔體2〇具有__個+ 开’個十子形截面21及一支轉軸22 〇 該十字形截面的-端具有3組間隔5匪繞著該十字形中 心點設置的4個承接缝23，第—组4個承接縫距該十字形 中:點^酿，其用於承接第一根中空管^ (練扣叫 的H第：組4個承接縫距該十字形中心點随， 其用於承接弟二根中介答I,,古^ 1 很T工s 12 (直徑40 mm)的一末端；及第 二組4個承接縫距該十字 丁子办干〜點25 mm，其用於承接第 三根中空管1 3 (言；^ ς π 、a ^ I罝杈50 mm)的一末端。當將該三根中空管 11，12’及13的—端被如上述般此間隔5mm的承接於第 一個間隔體2 0的3細7?<拉α , μ 、、且承接縫23後，重覆相同的步驟將該 三根中空管11,12 η 1 Τ λα 〇 ，及13的另一端以第二個間隔體2〇彼 此間隔5 mm地加予面中 卞固疋。如此組合後即可得到具有水平 伸出的一對轉軸2 2 nr剩 ±丄a + (δ亥對轉軸具有一相同的水平旋轉軸 心）’及彼此間卩南地套人的沾1拍占A » %备口的的3根中空管n，12，及u的永 平模具組1 0。 w & 該三根中空營η 1〇 π ^ ，，及1 3的每一根具有一粗糙的外 6 201043691 表面及一光滑的内表面。較佳的，該粗糙的外表面具有一 規則的紋路1 4 (texture)以利於微生物附著於該外表面上並 且均勻地在其上生長。 很顯然的’圖1及圖2的水平模具組10亦可以使用圖 3所示的具有丫字形截面21A的間隔體20A來完成組裝。 該間隔體20A與圖1及圖2所示的間隔體20,除了前者具 有丫字形戴面21A而後者具有十字形截面21外，具有相 0 同的轉軸22及承接縫23。 圖2除了示出該水平模具組1〇外，亦示出一盛裝有一 . 微生物培養液態媒體40的容器30。該水平模具組1〇及容 器30為構成本發明的一種生產微生物纖維素體的生物反 應器的主要元件，其中該容器30的一對侧邊的上緣被設有 一對半圓形凹陷31，以承接該水平模具組1〇的該對轉轴 22,於是該水平模具組1〇被水平旋轉地安裝在該容器， 使侍5亥二根中空管！ 1-13的每一根的每一部份輪流的浸入 Ο於被盛裝於該容器内的液態媒體40及曝露於該液態媒體 的水平面上。該對轉軸22中的一支其末端被進一步有一狹 縫24,該狹縫24可嚙合設於一傳動軸上的一字形對應凸 (未示於圖中）’於是該傳動軸被一馬達所驅動旋轉時， 圖2中的水平模具組丨〇即水平地轉動。 本發明的生物反應器可以有其它的變化，例如圖1及 圖2中的一組水平模具組1〇可以被增加為兩組及/或該水 平模具組1 G的二根中空管可以被減少或增加—根或兩根。 圖4不出依本發明的另一較佳具體實施例所完成的生 201043691 物反應器’其中除了使用二根平行分開的管徑50 mm的中 空管外均相同於圖2所示的生物反應器，其中類似於圖2 的元件以類似標號表示。 本發明的生物反應器可進一步設置一蓋子蓋於該容器 30上’以降低空氣中落下之雜菌污染液態媒體4〇之機會， 此時該容器30之週邊容器壁的高度必須被增加至高於該 水平模具組10的突出，以蓋上該蓋子。選擇性地，本發明 的生物反應器可置於一雜菌污染的環境令進行微生物培 養。 適合用於本發明之微生物纖維素體生產方法 物爲酷後锓（Gluconacetobacterxylinus) 本發明的生產微生物纖維素體的方法包含使用前述本 1明的生物反應器依習知技藝（例如本案說明書先前技術 所介紹的專利）的條件進行微生物的培養，於是該微生物在 °亥夕根中空管11-13的每一根的外表面上形成管狀微生物 纖維素體及在該容器30内未為該多根中空管所擾動的液 態媒體水平面部份形成片狀微生物纖維素體。從該容器移 =該水平杈具組10 ’並且拆卸該水平模具組。在分開該 、成根中工g 11-13日夺’因其外表面為粗糙面而内表面為光 所以微生物所形成的微生物纖維素體附著在該粗輪 面，於是該多根中空管很容易被分離而得到外表面上具有 :層微生物纖維素體的多根中空而不會有最外面的第 —根中空管13的内表面與中間的第二根中空管12的外表 面的細菌纖維素體黏附，而造成它們分離不易及該細菌纖 8 201043691 維素體的構造被破壞的情形。接著從該中空管的外表面剝 離該層微生物纖維素體，去除其上的微生物，即可得到一 管狀微生物纖維素體產品。選擇性的，該管狀微生物纖維 素體可進一步被烘乾及復水。在從容器30移出該水平模具 組10後，本發明方法進一 #包含從該容器内的液態媒體 4〇取出片狀微生物纖維素體，去除其上的微生物，即可得 到-片狀微生物纖維素體產品。選擇性的，該片狀微生物 0 纖維素體可進一步被烘乾及復水 本發明的生物反應器不只能形成不同管徑大小的管狀 微生物纖維素體，更可縮短培養時間，增進單位時間/空間 生物纖維素體的產量。 本發明的生物反應器不只能用於產菌絲的微生物，例 如真菌或放線菌，或者特定產固態產物的微生物，對於厭 ^培養的微生物可給予培養基擾動均勻混合的效果，而提 昇培養基的利用效率。 D 本發明的生物反應器除了用於食物包裝膜（腸衣）的生 產，也可進一步利用在管生醫材料的生產。 本發明藉由下列實施例被進_步了解，其等僅作為說 明之用，而非用於限制本發明範圍。 實施例1 :單組三根套合的中空管 本實施例使用圖丨及圖2所示的生物反應器，其中容 器30具有長33 cm χ寬23⑽χ高4⑽的尺寸，該三 根中空管11-13的長度為30 cm。-馬達傳動地驅動該轉軸 201043691 22轉動’其速度為1〇rpm，亦即水平模具 的速度水平地轉動。 《以lOrpm 該生物反應器被置於-無雜菌污染之環境進行微生物 培養’其中該容器3G内微生物培養液態媒體4()的古声為 35:m，培養溫度為30t。該培養液態媒體*。為預：；備 之前置振盪培養液。該前置振盪培養液係以含下表所列成 分及菌體濃度5%之液態媒體於無雜菌污染狀態下以 rpm及於3代環境下培養兩天所得到之充滿醋酸菌的液態 媒體。 蔗糖（Sucrose) ~~ . 5% 酵素萃取物（Yeast extract；) 0.5% (nh4)2so4 0.5% KH2P〇4 0.3 % MgS04.7H20 0.00 5% 培養條件係在室溫及大氣環境下進行七天。 本實施例在未擾動部份得到丨.62 g/L的片狀細菌纖維 素體’而水平模具組部份得到共1.425 g/L的三條管狀細菌 纖維素體，總產量為3.045 g/L。 實施例2 ··單組二根套合的中空管 本實施例重覆實施例1的夕驟及所使用的生物反應 器，除了該二根中空管的第二根中空管（管徑40 mm)不使用 10 201043691 外0 本實施例在未擾動部份得到1 745 g/w片狀細菌纖維 素體’而水平模具組部份得到共i 8i5g/L的二條管狀細菌 纖維素體’總產量為3 56 g/L。 實施例3 :單根中空管 本實施例重覆實施例1的步驟及所使料生物反應 G器'，除了該三根中空管的第一根中空管（管徑30 mm)及第二 根中空管（管徑40 mm)不使用外。 本實^例在未擾動部份得到1.745 g/L的片狀細菌纖維 素體，而水平模具組部份得到共〇 77心的一條管狀細菌 纖維素體，總產量為2 515 g/：L。 實施例4 :二根分開的中空管 本實施例重覆實施例3的步驟及所使用的生物反應 器’除了使用二根平行分開的管徑5g_的中空管外。該 二根平行分開的中空管的最近距離為65匪。 人 本實施例在未擾動部份得到215g/L的片狀細菌纖維 素體’而水平模具組部份得到共2.255 g/L的二條管狀細菌 纖維素體，總產量為4.4〇5 g/L。 201043691 g/L 三根套合中空管 二根套合中空管 單根中空管 —根分開中空 (50 mm + 40 mm + 30 mm) (50 mm + 30 mm) (50 mm) 管 (2 X 5〇 πιιπ) 管狀 1.425 1.815 0.77 ~~——.— 2.255 片狀 1.62 1.745 1.745 2.15 總量 3.045 3.56 2.515 4.405 上表列出了實施例1_4的產量，表中的結果顯示二根 分開的單根中空管具有最高的產量。I明人認為可能的^ 因是二根分開的單根中空管具有較好的擾動效果，使得容 器中的微生物培養液態媒體更均勻，及其利用效率更高。 令人出乎意料的實施例4 (二根分開中空管）的管狀細菌纖 維素體的單位產量是實施例3 (單根中空管）的管狀細菌纖 、隹素體的單位產量的3倍左右’而不是預測的2倍左右。 圖式簡單說明 圖1為依本發明的一較佳具體實施例所完成的三根中 二e套〇的水平模具組的示意透視圖。 圖2為依本發明的一較佳具體實施例所完成的生物反 應器的示意側視圖，其中容器30為透明。 圖3為依本發明的另一較佳具體實施例所完成的間隔 體的示意側視圖。 圖4為依本發明的另一較佳具體實施例所完成的生物 12 201043691 反應器的示意側視圖，其中容器30為透明。 主要元件之符號說明 10..水平模具組；11、12、13·.中空管；14..紋路； 20、20A..間隔體；21..十字形截面；21 A..Y字形截面； 22.. 轉軸；23..承接缝；24..狹縫；30.·容器； 31.. 半圓形凹陷；40..液態媒體

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Claims (1)

1. 201043691 七、申請專利範圍： 1. 一種生產微生物纖維素體的生物反應器，該微生物 纖維素體包含管狀微生物纖維素體，該反應器包含： —容器’其用於盛裝一微生物培養液態媒體；及 水平模具組，其具有彼此間隔地套合的或分開的多 根中空管，該水平模具組被水平旋轉地安裝在該容器，使 ;4夕根中空管的每一根的每一部份輪流的浸入於被盛裝 於该容器内的液態媒體及曝露於該液態媒體的水平面上。 2.如申請專利範圍第1項的生物反應器，其中該多根 中二官的每一根具有一粗糙的外表面及一光滑的内表面。 、 士申明專利範圍第2項的生物反應器，其中該粗糙 的外表面具有一規則的紋路（texture)。 中办如申明專利範圍第3項的生物反應器，其中該多根 <管為2-5根的圓形管。 中外如申请專利範圍第4項的生物反應器，其中該多根 g為彼此間隔地套合的，且最内一根具有1 _5公分的 息H ，且母相鄰兩根中空管的間距為0.5-2公分。 极 申月專利耗圍第5項的生物反應器，其中該水平 名且進 ___ 女 j V八有位於該套合的多根中空管的兩末踹的— 14 201043691 對間隔體’該對間隔體將該套合的多根中空管彼此間隔地 加予固疋’及從該對間隔體遠離該套合的多根中空管的向 水平伸出的一對轉軸，其中該對轉軸具有一相同的水平旋 轉轴〜’並且該對轉軸被可旋轉地承接於該容器，於是該 套合的多根中空管可以繞著該水平旋轉軸心在該容器内旋 轉。 0 7.如申請專利範圍第6項的生物反應器，其中該對間 隔體的每一個具有十字形截面，該十字形截面的一端具有 多組等距繞著該十字形中心點設置的4個承接縫，每一組 4個承接縫承接該套合的多根中空管的一根的一末端；及 該十字形截面的另一端的十字形中心點被設有該轉軸。 8 ·如申請專利範圍第6項的生物反應器’其中該對間 隔體的每一個具有γ字形截面，該γ字形截面的一端具有 〇 多組等距繞著該丫字形中心點設置的3個承接縫，每一組 3個承接縫承接該套合的多根中空管的一根的一末端；及 該丫字形截面的另一端的十字形中心點被設有該轉轴。 9·如申請專利範圍第3項的生物反應器’其中該多根 中空管為彼此分開的。 1 〇 ·如申請專利範圍第9項的生物反應器，其中該彼 此分開的多根中空管的每，根具有2_2〇公分的直徑。 15 201043691 η. 一種生產微生物纖維素體的方法，包含於―容哭 内準備-微生物培養液態媒體，丨内含有生產纖維素㈣ 生物；將彼此間隔地套合的或分開的多根中空管水平旋 轉，以使得該多根中空管的每一根的每一部份輪流的浸入 於該液態媒體及曝露於該液態媒體的水平面上，於是該微 生物在該多根中空管的每一根的外表面上形成微生物纖維 素體及在該容器内未為該多根中空f所擾動的液態媒體$ 平面部份形成片狀微生物纖維素體；及從該多根中空管的 每一根的外表面上移除該微生物纖維素體，而獲得管狀微 生物纖維素體，其中該多根中空管的每一根具有一粗糙的 外表面及一光滑的内表面。 12. 如申請專利範圍第丨丨項的方法，其令該微生物為 13. 如申請專利範圍第U項的方法，其中該粗糙的外 表面具有一規則的紋路（texture)。 14. 如申請專利範圍第丨丨項的方法，其中該多根中空 管為2-5根的圓形管。 15·如申請專利範圍第14項的方法，其中該多根中空 管為彼此間隔地套合的，且最内一根具有1 _5公分的直徑， 16 201043691 且每相鄰兩根中空管的間距為0.5-2公分。 16. 如申請專利範圍第11項的方法，其中該多根中空 管為彼此分開的。 17. 如申請專利範圍第16項的方法，其中該彼此分開 的多根中空管的每一根具有2-20公分的直徑。 〇 " 18.如申請專利範圍第11項的方法，其進一步包含從 該容器内的液態媒體取出該片狀微生物纖維素體。 17