生物反应器

摘要

一种间歇浸没式生物反应器(10)，其用于离体生产分化的植物生物质，包括：生长室(12)，其具有一个或多个透明侧壁(14)以及具有网眼底部(16)，网眼底部(16)限定多个孔眼(18)以接收植物材料。生物反应器(10)包括由透明材料形成的柔性袋(20)，柔性袋(20)具有可密封的开口并且尺寸设置成连同液体媒介(22)一起地接收生长室(12)。生物反应器(10)还包括具有一个或多个透明侧壁(26)的外室(24)，外室(24)形成为在形状上与生长室(12)对应，并且尺寸设置成接收柔性袋(20)以内的生长室(12)，从而生长室(12)的网眼底部(16)朝向外室(24)的底部(28)，该底部在使用中旨在搁置在支承表面上。生长室(12)在外室(24)内的运动被约束为沿着单一轴线的运动以使得生长室(12)的网眼底部(16)朝着和远离外室(24)的底部(28)运动。生物反应器(10)还包括驱动机构(30)，其设置成当生长室(12)和柔性袋(20)被接收在外室(24)中时选择性地驱动生长室(12)沿着单一轴线(A)的在第一位置与第二位置之间的运动，在所述第一位置，生长室(12)的网眼底部(16)位于或朝着外室(24)的底部(28)；在所述第二位置，生长室(12)的网眼底部(16)与外室(24)的底部(28)间隔开。

权利要求

1.一种间歇浸没式生物反应器，其用于离体生产分化的植物生物质，所述间歇浸没式生物反应器包括：

生长室，其具有一个或多个透明侧壁以及具有网眼底部，所述网眼底部限定多个孔眼以接收植物材料；

由透明材料形成的柔性袋，所述柔性袋具有可密封的开口以及尺寸设置成接收所述生长室连同液体媒介；

外室，其具有一个或多个透明侧壁，所述外室形成为形状与生长室对应并且尺寸设置成接收柔性袋以内的生长室，使得生长室的网眼底部面向外室的底部，该外室的底部在使用中旨在搁置于支承表面上，并且生长室在外室以内的运动被约束为沿单一轴线的运动，从而生长室的网眼底部朝着外室的底部以及远离外室的底部运动；以及驱动机构，所述驱动机构设置成当生长室和柔性袋被接收在所述外室中时选择性地驱动生长室沿着单一轴线在第一位置与第二位置之间的运动，在所述第一位置，生长室的网眼底部位于外室的底部或朝着外室的底部定位；在所述第二位置，生长室的网眼底部与外室的底部间隔开。

2.根据权利要求1所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述柔性袋还包括可密封的端口以通过该端口接收液体媒介和/或接种物。

3.根据权利要求1所述的间歇浸没式生物反应器，还包括空气泵，所述空气泵用于连接至所述柔性袋以便允许将气体输送通过所述柔性袋。

4.根据权利要求3所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述柔性袋包括至少三个端口，第一端口和第二端口配置成用于连接至所述空气泵以允许气体流入和流出所述柔性袋，并且第三端口配置成通过该第三端口接收液体媒介和/或接种物。

5.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括位于所述外室内的驱动臂，以便当生长室和柔性袋被接收在外室中时经由所述柔性袋与所述生长室的网眼底部的下侧接合，所述驱动臂可在沿着所述单一轴线向上的第一方向上从所述外室的底部运动至一伸展位置以便将所述生长室从所述第一位置推至所述第二位置，并且驱动臂可从所述伸展位置在沿着所述单一轴线的第二相反方向上运动以便对生长室从所述第二位置向下至所述第一位置的运动进行引导。

6.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括漂浮元件，所述漂浮元件安装成围绕所述生长室的网眼底部延伸，并且藉此当生长室和柔性袋被接收在外室中时允许生长室在容纳于柔性袋中的液体媒介上漂浮并藉此将生长室定位在所述第二位置，并且所述驱动机构还包括一个或多个驱动元件，所述一个或多个驱动元件设置在所述外室中以选择性地接合所述生长室以及对生长室从所述第二位置至所述第一位置的运动进行驱动。

7.根据权利要求6所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述漂浮元件具有至少5cm的深度，从而当生长室在液体媒介上漂浮时，所述生长室的网眼底部与所述液体媒介间隔至少

5cm。

8.根据权利要求7所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述漂浮元件具有10cm的深度。

9.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括位于外室内、朝着外室的底部定位的至少两个电磁体，以及位于生长室的外表面上、在生长室的网眼底部附近的至少两个电磁体，所述电磁体可选择性操作以便形成相对立的磁场并且藉此对生长室的在沿着所述单一轴线的第一方向上从所述第一位置至所述第二位置的运动进行驱动，并且所述驱动机构还包括一个或多个驱动元件，所述一个或多个驱动元件在所述外室中设置以选择性地与所述生长室接合以及对生长室的在沿着所述单一轴线的第二相反方向上从所述第二位置至所述第一位置的运动进行驱动。

10.根据权利要求6所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括位于所述外室内的柱塞形式的一个或多个驱动元件，所述柱塞或每个柱塞具有接合构件以当生长室和柔性袋被接收在外室中时经由所述柔性袋与生长室的所述侧壁的或至少一个侧壁的上边缘接合，所述柱塞或每个柱塞可运动以对相应接合构件的从处于外室顶部的休息位置在沿着所述单一轴线的第一方向上朝向一伸展位置的运动进行驱动，并且藉此对生长室从所述第二位置至所述第一位置的运动进行驱动，并且所述柱塞或每个柱塞可运动以对相应接合构件从所述伸展位置在沿着所述单一轴线的第二相反方向上的运动进行驱动以便在所述漂浮元件或相对立电磁体的作用下对生长室从所述第一位置至所述第二位置的运动进行引导。

11.根据权利要求10所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括至少三个这样的柱塞，所述柱塞以围绕外室的内圆周等间距的方位定位在所述外室内。

12.根据权利要求6所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括至少两个驱动元件，所述驱动元件的形式为于所述外室内朝着外室的底部定位的至少两个电磁体，以及在生长室的外表面上于生长室的网眼底部附近定位的至少两个电磁体，所述电磁体可选择性地操作以便形成吸引式磁场并且藉此对生长室在沿着所述单一轴线的第二方向上从所述第二位置至所述第一位置的运动进行驱动。

13.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述驱动机构包括定时器以控制所述驱动机构的操作并且藉此在使用时控制所述生长室在所述第一位置与所述第二位置之间的运动。

14.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述柔性袋由柔性的热塑性聚合物形成。

15.根据权利要求14所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述柔性袋由聚丙烯、聚乙烯或聚氨酯形成。

16.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述生长室和所述外室在大致垂直于所述单一轴线的平面中的截面形状是相同的，所述截面形状选自圆形、椭圆形、方形、三角形或矩形。

17.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述生长室的网眼底部形成为限定孔眼，所述孔眼具有50至500μm范围的尺寸。

18.根据权利要求17所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述生长室的网眼底部形成为限定孔眼，所述孔眼具有100至200μm范围的尺寸。

19.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述生长室包括网眼区段，所述网眼区段位于所述侧壁或一个侧壁中、处于与网眼底部相对的边缘处或朝着该相对的边缘，所述网眼底部以及所述网眼区段由同一材料形成并且具有与生长室的网眼底部相同的孔眼尺寸。

20.根据权利要求1至4中任一所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述生长室被形成以便限定10至1000公升范围的内部容积。

21.根据权利要求20所述的间歇浸没式生物反应器，其中所述生长室被形成以便限定

30至150公升范围的内部容积。

说明书

生物反应器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生物反应器，其用于通过间歇浸没离体生产诸如芽或根的分化的植物生物质。

背景技术

[0002] 传统的用于生产分化的植物生物质的微体繁殖技术总体上是昂贵且费力的。因此已改进各种类型的容器用于植物的离体培养以便克服这些问题。这些容器中所使用的方法论可粗略分成四类：液相、气相、杂交式生物反应器以及间歇浸没式系统(TIS)。

[0003] 间歇浸没式系统是一种周期性半自动或全自动的培养系统，其基于如下的交替循环，即将培养的植物组织间歇浸没到液体媒介中之后将植物组织排出以及暴露于气态环境。通常浸没阶段相对较短，处于几分钟的范围，而空气暴露阶段被延长，处于几个小时的范围。通过对浸没以及暴露阶段的持续时间进行调节，可以形成针对最优湿度的条件以及在最小液体接触的情况下供应营养物，藉此可以显著地减少所培养植物组织的过度含水性。

[0004] 不但减少所培养植物组织的过度含水性，间歇浸没式系统还被认为是最佳用于生产分化的植物组织，是因为其每平方米生产更多的植物。间歇浸没式系统具有更高的增值率并且液体媒介的使用减少了琼脂成本。间歇浸没引起更高的营养物摄取以及吸收，并且强制通气增加了生长以及生物质产量。减少的操作量以及减少的劳动成本是另外的优点，同时带有改善的植物品质以及生产更高的鲜重和干重产量。

发明内容

[0005] 根据本发明的一个方面，提供一种间歇浸没式生物反应器，其用于离体生产分化的植物生物质，所述间歇浸没式生物反射器包括：

[0006] 生长室，其具有一个或多个透明侧壁以及具有网眼底部，所述网眼底部限定多个接收植物材料的孔眼；

[0007] 由透明材料形成的柔性袋，所述柔性袋具有可密封的开口以及尺寸设置成接收所述生长室连同液体媒介；

[0008] 外室，其具有一个或多个透明侧壁，所述外室形成为形状与生长室对应并且尺寸设置成接收柔性袋以内的生长室，使得生长室的网眼底部面向外室的底部并且生长室在外室以内的运动被约束为沿单一轴线的运动，从而生长室的网眼底部朝着外室的底部以及远离外室的底部运动；以及

[0009] 驱动机构，所述驱动机构设置成当生长室和柔性袋被接收在所述外室中时选择性地驱动生长室沿着单一轴线在第一位置与第二位置之间的运动，在所述第一位置，生长室的网眼底部位于外室的底部或朝着外室的底部定位；在所述第二位置，生长室的网眼底部与外室的底部间隔开。

[0010] 应理解的是，在使用中，外室的底部旨在搁置于支承表面上。

[0011] 当容纳液体媒介以及生长室的柔性袋位于外室中时，所述液体媒介将不可避免地邻近于生长室的底部地在柔性袋的底部处聚集。相应地设置驱动机构以选择性地驱动生长室沿着所述单一轴线在外室中第一位置与第二位置之间的运动允许生长室在所述液体媒介中的间歇浸没。

[0012] 使用驱动机构以实现生长室的间歇浸没是有利的，原因在于其易于允许生物反应器按比例扩大从而以相对较大的规模操作。

[0013] 在使用中，所述生长室的网眼底部的第一位置必须充分靠近于外室的底部以便将网眼的孔眼浸没在于外室底部处容纳在柔性袋中的液体媒介中。因此将理解的是在该第一位置，网眼底部不必刚好位于外室的底部处。网眼底部可与外室的底部间隔开。

[0014] 在第二位置，网眼底部必须运动离开外室的底部以便将生长室的网眼底部提升出所述液体媒介以外。第一位置和第二位置的准确方位因此将取决于在外室的底部处于柔性袋中聚集的液体媒介的深度。然而将理解的是网眼底部在第二位置时将相比于其位于第一位置时距外室的底部进一步间隔开。

[0015] 生长室的网眼底部易于允许随着生长室运动至所述第一位置并浸没在液体媒介中而使液体媒介进入生长室中。类似地，所述网眼底部允许随着生长室运动至所述第二位置并从液体媒介移除而使液体媒介从生长室排出。相应地，使用网眼底部允许液体媒介高效地流入和流出所述孔眼。

[0016] 在使用间歇浸没的传统生物反应器中，液体媒介运动到植物材料上以便浸没所述植物材料。液体媒介或是机械地运动或是例如使用空气压缩机而通过空气压力运动。这种方法不仅导致了液体媒介从对植物材料进行保持的支承件溢出的风险以及藉此导致植物材料被冲洗出所述支承件的风险，而且在这种方法中使液体媒介循环所需的相对高的压力、高能量要求致使按比例扩大生物反应器的尺寸和容量是不切实际的。相应地，使用间歇浸没的传统生物反应器仅能以实验室规模操作(通常受限于10公升的最大容积)，并且不允许以商用规模使用间歇浸没以生产分化的植物生物质。

[0017] 相反地，申请人已发现对相对较轻生长室的运动进行驱动以便使容纳在生长室中的植物材料浸没在液体媒介中需要显著更少的能量并且因而允许生物反应器的尺寸和容量按比例扩大至范围在10至1000公升的最大容积，并且优选是扩大至范围在30至150公升的最大容积。

[0018] 使用柔性袋以可密封地容纳生长室以及在使用中容纳液体媒介不仅防止污染物侵入液体媒介而且还进一步有助于按比例扩大生物反应器。使用柔性袋例如可允许将生物反应器的容量按比例扩大至2000公升。使用透明材料以形成生长室、柔性袋和外室允许光穿透并且到达位于所述生长室的网眼底部的孔眼中的植物材料。

[0019] 生长室和外室各自具有至少一个透明壁以便允许光穿透进入生长室和外室。在本发明的实施例中，可设想的是所述室的其它壁可由实心或不透明材料形成以便控制能够穿透进入生长室和外室的光的量。然而在尤其优选的实施例中，生长室和外室的所有壁由透明材料形成以便允许最大量的光穿透进入生长室和外室。

[0020] 生长室和外室的壁的数量当然将取决于所述室的形状。在所述室的形状为圆形或椭圆形的情况下，将仅需要一个壁。为了产生具有其它形状的室，所述室可具有两个、三个、四个、五个或更多互连的壁。

[0021] 设置外室以接收在柔性袋中连同液体媒介一起密封的生长室减少了液体媒介中的空隙并且限制了生长室的运动以便仅允许使用中沿着所述单一轴线进入和离开液体媒介的运动。

[0022] 在本发明尤其优选的实施例中，生长室运动进入和离开液体媒介所沿着的单一轴线将大致是竖直的。然而在其它实施例中可设想的是该单一轴线会相对于竖直方向以一角度延伸，仅有的要求在于生长室沿着该轴线的运动使得生长室的网眼底部朝着和远离外室的底部运动。

[0023] 气体可被在柔性袋中密封，从而当生长室运动至所述第二位置并从液体媒介移除时，生长室中容纳的植物材料暴露于所述气体。

[0024] 优选地，所述柔性袋包括可密封的端口以接收液体媒介和/或接种物。将理解的是所述液体媒介和接种物可取决于情况同时地或分开地经由所述可密封的端口引入生物反应器。因此并非必要的是液体媒介和接种物在同一时间经由可密封的端口引入生物反应器。

[0025] 设置可密封的端口(通常具有范围在0.5至5cm的直径)易于允许根据需要将液体媒介和接种物引入柔性袋。这还允许将污染的风险最小化同时允许按比例扩大生物反应器的尺寸和容量。这是因为在将液体媒介和/或接种物引入柔性袋期间，与整个生物反应器形成对照，仅仅可密封的端口需要位于无菌环境中。

[0026] 将理解的是污染会浪费容纳在生物反应器中的任何植物材料。相应地，当考虑到按比例扩大生物反应器的尺寸和容量时高效防止污染物侵入的能力是尤其重要的。生物反应器的容量越大，在污染情况下会被浪费的植物材料的量就越大。

[0027] 在缺乏引入液体媒介和/或接种物的端口的情况下，有必要再次打开柔性袋可密封的开口以便引入和补充液体媒介和/或引入接种物。相应地，为了避免污染，对于至少整个开口以及非常可能是整个生物反应器而言有必要将其定位于无菌环境中。所述无菌环境通常通过使用层流净化罩(laminar flow hood)来提供。因此将理解的是，以这样的设置，层流净化罩的尺寸会限制生物反应器的最大尺寸和容量。

[0028] 当设置可密封的端口以引入液体媒介和/或接种物时不会出现这样的限制。这是因为，一旦在初始设定生物反应器时将生长室定位在柔性袋以内，则不必再次打开柔性袋可密封的开口。相应地，如以上所概述的，仅仅可密封的端口需要定位在无菌环境中以防止在将液体媒介和/或接种物引入生物反应器时污染物的侵入，并且生物反应器的剩余部分可定位于无菌环境以外。

[0029] 在优选实施例中，生物反应器还可包括空气泵，其用于连接至柔性袋以便允许气体被传输通过所述柔性袋。在使用中，产生通过柔性袋的气体流改善了当生长室从液体媒介移除时定位于生长室的网眼底部的孔眼中的植物材料的通气。

[0030] 在这样的实施例中，柔性袋优选包括至少三个端口，第一端口和第二端口配置成连接至空气泵以允许气体流入和流出柔性袋，而第三端口配置成通过该第三端口接收液体媒介和接种物。

[0031] 被设置成对生长室的运动进行驱动的驱动机构可包括驱动臂，其位于外室内以便当生长室和柔性袋被接收在外室中时经由所述柔性袋与生长室的网眼底部的下侧接合。在这样的实施例中驱动臂可在沿着所述单一轴线向上的第一方向上从外室的底部运动至伸展位置以便将生长室从第一位置推到第二位置。驱动臂从该伸展位置可在沿着所述单一轴线相反的第二方向上运动以便对生长室从第二位置向下至第一位置的运动进行引导。

[0032] 将理解的是在这样的实施例中，驱动臂并不与生长室的网眼底部的整个下侧接合以便允许，随着驱动臂朝着伸展位置向上运动以驱动生长室从第一位置至第二位置的运动，液体媒介从生长室被排放到于柔性袋中形成在驱动臂相反两侧上的口袋部中。

[0033] 在驱动臂向下运动时，驱动臂每一侧上柔性袋中的口袋部在深度上减少，直至生长室达到处于外室底部的第一位置并且浸没在液体媒介中，所述液体媒介在驱动臂上方越过外室整个宽度地聚集于柔性袋中。

[0034] 虽然真空泵可用于对驱动臂的运动进行驱动，但是在按比例扩大生物反应器时真空泵是能量密集型的且极大地增加了功耗。因此在优选实施例中，使用一个或多个电机对驱动臂的运动进行驱动以及藉此对生长室的运动进行驱动。

[0035] 在其它实施例中，驱动机构可包括漂浮元件，所述漂浮元件安装成围绕生长室的网眼底部延伸并且藉此允许当生长室和柔性袋被接收在外室中时将生长室漂浮在于柔性袋中容纳的液体媒介上，并且藉此将生长室定位在所述第二位置。

[0036] 为了当需要时将生长室浸没在液体媒介中，这样实施例中的驱动机构还包括一个或多个驱动元件，所述一个或多个驱动元件设置在外室中以选择性地接合生长室以及对生长室从第二位置向下至第一位置的运动进行驱动。

[0037] 所述漂浮元件可具有至少5cm的深度，以使得所述漂浮元件在生长室的网眼底部下方突伸至少5cm，从而当生长室在液体媒介上漂浮时，生长室的网眼底部与液体媒介的表面间隔至少5cm。当生长室处于第二位置时将网眼底部与液体媒介的表面间隔开是有利的，在于其减少了植物根部或芽部伸到保持浸没在液体媒介中的网眼底部以下的风险。

[0038] 在尤其优选的实施例中，所述漂浮元件具有10cm的深度。

[0039] 在其它实施例中，所述驱动机构可包括至少两个电磁体已将生长室定位在所述第二位置。在这样的实施例中，至少两个电磁体可朝着外室的底部地定位于该外室内，并且至少两个电磁体在生长室的网眼底部附近地定位在生长室的外表面上。在这样的实施例中，电磁体可选择性操作以产生相对立的磁场。相对立磁场的产生用于对生长室在沿着所述单一轴线的第一方向上从第一位置向上至第二位置的运动进行驱动。

[0040] 与其中驱动机构包括漂浮构件的实施例一样，这种实施例中的驱动机构还包括一个或多个驱动元件，所述一个或多个驱动元件设置在外室中以选择性地接合所述生长室，以及当需要将生长室浸没在液体媒介中时对生长室从第二位置向下至第一位置的运动进行驱动。

[0041] 在驱动机构包括漂浮构件或相对立的电磁体以将生长室保持在第二位置的实施例中，被设置成在需要浸没在液体媒介中时对生长室的向下运动进行驱动的所述驱动构件或每个驱动构件可设置成位于外室内的柱塞的形式。所述柱塞或每个柱塞具有接合构件以在生长室和柔性袋被接收在外室中时经由所述柔性袋与生长室的那个侧壁或至少一个侧壁的上边缘接合。所述柱塞或每个柱塞可运动以对相应接合构件从外室的顶部沿着所述单一轴线向下从休息位置至伸展位置的运动进行驱动，以及藉此对生长室从第二位置至第一位置的运动进行驱动。所述柱塞或每个柱塞可运动以对相应接合构件从该伸展位置在沿着所述单一轴线的第二相反方向上的运动进行驱动，以便在所述漂浮构件或相对立电磁体的作用下对生长室从所述第一位置向上至所述第二位置的运动进行引导。

[0042] 优选地，在这样的实施例中，驱动机构包括至少三个这样的柱塞，所述柱塞以关于外室的内周边等间距的方位定位在外室内。这样的布置允许驱动机构在关于生长室间隔的方位处等同地施加向下的驱动力，以及藉此减少了回转力施加至生长室的风险，所述回转力否则将防止生长室在外室内平滑的向下运动。

[0043] 在这样的实施例中，每个柱塞可容置在密封的柱塞壳体内并且通过容纳在壳体内的流体的压力改变而被驱动，以便对柱塞端部作用，并且藉此在压力增加时对柱塞离开壳体的运动进行驱动以及在压力降低时引起柱塞的收缩。

[0044] 在其它这样的实施例中，每个柱塞可借助于电机驱动。

[0045] 在驱动机构包括漂浮构件以将生长室维持在第二位置的其它实施例中，驱动机构还可包括电磁体以当需要浸没在液体媒介中时对生长室的向下运动进行驱动。在这样的实施例中，至少两个电磁体可朝着外室的底部地位于该外室内，并且至少两个电磁体在生长室的网眼底部附近地定位在生长室的外表面上。所述电磁体可选择性操作以便产生吸引的磁场并且藉此对生长室在沿着所述单一轴线的第二方向上从第二位置向下至第一位置的运动进行驱动。通过关掉电磁体，在移除吸引的磁场时，漂浮构件引起生长室从第一位置至第二位置的向上运动。

[0046] 将理解的是，在以上参照的每个实施例中，驱动机构优选包括定时器以控制驱动臂、电磁体和/或柱塞(一个或多个)的启用和停用，并且藉此在使用中对生长室在第一位置与第二位置之间的运动进行驱动。通过合适地设定定时器，可以针对位于生长室的网眼底部的孔眼中的特定植物材料根据需要设定具体的浸没和通气周期。

[0047] 为了确保高效的操作，柔性袋优选由诸如例如聚丙烯、聚乙烯和聚氨酯的柔性热塑性聚合物形成。还可设想的是，也可使用适于形成柔性材料透明片材的其它聚合材料以形成所述柔性袋。

[0048] 可通过将透明塑性材料模制或成型为其最终形式而制造所述生长室和外室，所述塑性材料选择自合成的或天然的聚合物。在其它实施例中，可使用3D打印机由透明树脂制造所述生长室和外室。

[0049] 可设想的是可使用其它材料以制作生物反应器的其中一个组成部件或全部的组成部件。例如，为了改善生物反应器的环境友善性，可使用适合的可生物降解的或可再循环的材料。

[0050] 为了允许在使用中外室对生长室的运动高效地引导，生长室和外室在大致垂直于所述单一轴线的平面中的截面形状是相同的。假设两个室的截面形状是相同的，所述室可被形成以限定任何的截面形状，例如包括圆形、椭圆形、方形、三角形或矩形。

[0051] 将理解的是，在生长室和外室限定圆形截面的实施例中，所述生长室和外室中的每一个将包括单一连续的侧壁。

[0052] 生长室的网眼底部可由塑性材料或金属材料形成，所述网眼优选形成为限定孔眼，所述孔眼具有50至500μm范围的尺寸并且更优选具有100至200μm范围的尺寸。

[0053] 为了防止在位于生长室的网眼底部的孔眼中的植物材料已生长至堵塞孔眼的情形下液体媒介从生长室溢出，并且藉此防止液体媒介经由所述孔眼的排放，生长室可包括网眼区段，其位于所述侧壁或一个侧壁中。所述网眼区段优选由与生长室的网眼底部相同的材料形成并且具有与生长室的网眼底部相同的孔眼尺寸，并且所述网眼区段优选位于所述侧壁的与网眼底部间隔开的边缘处或是朝着该边缘定位。

[0054] 为了允许使用所述生物反应器以在商用规模上生产植物生物质，所述生长室优选形成为限定10至1000公升范围的内部容积，并且更优选是限定30至150公升范围的容积。

附图说明

[0055] 现在将借助非限制性示例参照所附附图描述本发明的优选实施例，其中：

[0056] 图1和图2示出了根据本发明第一实施例的间歇浸没式生物反应器的示意图；

[0057] 图3示出图1和图2的生物反应器的驱动臂；

[0058] 图4a和图4b示出图1和图2的生物反应器的生长室；

[0059] 图5a和图5b示出图1和图2的生物反应器的生长室和柔性袋；

[0060] 图6a和图6b示出图1和图2的生物反应器的生长室、柔性袋和外室；

[0061] 图7和图8示出根据本发明第二实施例的间歇浸没式生物反应器的示意图；

[0062] 图9图示了使用图1和图2的生物反应器的多叶生物质的生长率；以及[0063] 图10示出使用图1和图2的生物反应器生产的烟草的多叶生物质。

具体实施方式

[0064] 根据本发明实施例的用于离体生产分化的植物生物质的间歇浸没式生物反应器10在图1和图2中示出。

[0065] 生物反应器10包括生长室12(图4a和图4b)，其具有多个透明侧壁14以及网眼底部16，所述网眼底部限定多个孔眼18以接收植物材料或接种物。可以设想的是所述植物材料或接种物可包括叶或根块、细胞悬液或胼胝体。

[0066] 生长室12位于由透明材料形成的柔性袋20(图5a和图5b)中。柔性袋20包括可密封的开口(未示出)并且尺寸设置成接收所述生长室12连同液体媒介22。

[0067] 柔性袋20连同生长室12以及液体媒介22一起地位于外室24中(图6a和图6b)。外室24具有多个透明侧壁26以及一底部28，该底部在使用时旨在搁置于支承表面上。

[0068] 生物反应器10还包括形式为驱动臂30(图1和图2)的驱动机构，所述驱动臂朝着外室24的底部28定位。驱动臂30经由柔性袋20接合生长室12的网眼底部16的下侧。

[0069] 优选地，驱动臂30配置成具有相对平滑的接合部分31(图3)，该接合部分经由柔性袋20接合生长室12的网眼底部16的下侧。设置不具有尖锐边缘或凸起的相对平滑的接合部分31降低了驱动臂30使柔性袋20撕裂或以其它方式破裂的风险。

[0070] 如图1和图2所示，驱动臂30并不与生长室12的网眼底部16的整个下侧接合。驱动臂30接合网眼底部16的下侧的相对较小比例，在该点处柔性袋20被截留在驱动臂30与网眼底部16之间。因此，在驱动臂30的任一侧上形成两个口袋部32、34，液体媒介22流入所述两个口袋部中。

[0071] 生长室12、柔性袋20和外室24各自由透明材料形成，以便允许光穿透并到达位于生长室12的网眼底部16的孔眼18中的任何植物材料。

[0072] 优选地，柔性袋20由一次性材料形成以便允许在使用后弃置所述袋20。

[0073] 在图1和图2所示的实施例中，柔性袋20由聚丙烯形成。在其它实施例中，柔性袋20可由诸如聚乙烯或聚氨酯的另一柔性热塑性聚合物形成。

[0074] 如图1和图2所示，将容纳生长室12以及液体媒介22的柔性袋20定位在外室24中允许液体媒介22在柔性袋20以内地下沉到外室24的底部处。该设置方式消除了在液体媒介22中形成的空隙。

[0075] 生长室12和外室24二者都由透明的聚乙烯塑料模制而成，以便在大致垂直于轴线A的平面中限定一矩形截面。

[0076] 在其它实施例中，生长室12和外室24可由有机玻璃、玻璃或其它能经受通过化学、高压釜或伽马辐射灭菌的透明材料形成。

[0077] 可设想的是在其它实施例中，生长室12和外室24可被形成以便在大致垂直于轴线A的平面中限定不同的截面形状。所述截面形状可例如为圆形、椭圆形、三角形或方形。

[0078] 图1和图2中所示的生物反应器10的生长室12尺寸设置成具有25cm的高度Ya，60cm的宽度Xa以及40cm的深度Za(图3a中示出X-Y-Z轴线)。这导致生长室12具有60公升的内部容积。

[0079] 可设想的是在其它实施例中生长室12的宽度X和深度Z可变化以改变生长室12的最大内部容积。然而申请人已发现如果充足的光打算到达植物材料或接种物的话，则生长室的高度Y应优选不超过25cm。

[0080] 外室24尺寸设置成具有60cm的高度Yb、70cm的宽度Xb以及50cm的深度Xb(图6a)。这些尺度允许当生长室12和柔性袋20如图1和图2所示地位于外室24中时在生长室12的沿宽度X和深度Z方向的每侧上5cm的间隙。

[0081] 生长室12与外室24的对应形状、以及室12、26沿宽度X和深度Z方向上的相对尺度意味着生长室12紧贴地配合在外室24的侧壁28以内，藉此将生长室12在外室24内的运动约束为沿着单一轴线A的运动，该轴线大致平行于两个室12、26的高度Ya、Yb方向。

[0082] 图1和图2中所示的生物反应器10包括气体泵(未示出)，所述气体泵在使用中产生通过柔性袋20内部容积的气体流。为了有助于空气泵的连接，柔性袋20包括第一端口38和第二端口40，所述第一端口和第二端口配置成限定用于连接至空气泵的入口和出口，以便允许气体流入和流出柔性袋20。

[0083] 在使用中，空气泵可被启用以在生物反应过程开始时将空气吹入密封的柔性袋20。空气泵然后可用于以范围从每1小时至每6小时的时间间隔更换柔性袋20中的空气，所述时间间隔取决于植物品种，并且优选是每1至2小时。

[0084] 被泵入柔性袋20的空气的体积在每分钟2公升至每分钟20公升之间，并且每次空气被泵送1分钟至60分钟之间的任何时间。

[0085] 柔性袋还包括第三端口42，其被配置成接收液体媒介，藉此提供用于将液体媒介22引入柔性袋20的措施。第三端口42然后可用于将植物材料或接种物引入柔性袋20。优选地，被引入柔性袋20的接种物的量处于生长室12的内部容积的每公升1g至10g的范围。

[0086] 设置第三端口42是有利的，在于其意味着构造生物反应器10时不必连同液体媒介22或植物材料或接种物一起在柔性袋20中对生长室12进行密封。液体媒介22和植物材料或接种物的引入可被推延，直至生物反应器被完全构造好并准备使用为止。

[0087] 这继而意味着在将液体媒介22和/或植物材料或接种物引入生物反应器10期间仅需将第三端口42定位在无菌环境中。不必将整个生物反应器10定位在无菌环境中并且相应地无菌环境的尺寸不会对生物反应器10的最大尺寸和容量造成限制。

[0088] 生长室12的网眼底部16由不锈钢制成以限定尺寸在50至200μm范围、优选是100μm的孔眼18以便使得其能够保持最小的细胞。

[0089] 生长室12还包括网眼区段36，其沿着侧壁14的上边缘定位。网眼区段36也由不锈钢制成并且形成为限定孔眼(未示出)，所述孔眼在尺寸上与在生长室12的网眼底部16中形成的孔眼18相对应。

[0090] 在使用中，驱动臂30可在休息位置沿着轴线A向上运动至伸展位置，在所述休息位置，可运动臂处于与外室24的底部28相邻(图2)；在所述伸展位置，可运动臂与外室24的底部28间隔开(图1)。因此，驱动臂30对生长室12沿着轴线A从第一位置朝着第二位置的运动进行驱动，在所述第一位置，网眼底部16朝着外室24的底部28定位(图2)；在所述第二位置，网眼底部16与外室28的底部26间隔开(图1)。

[0091] 在驱动臂30的运动期间，在驱动臂30的任一侧上于柔性袋20中形成的口袋部32、34在深度上增加并且液体媒介22从生长室12排到那些口袋部32、34中。

[0092] 在柔性袋20中所提供的液体媒介22的量被选择成使得当生长室12位于第一位置时，位于生长室12的网眼底部16的孔眼18中的任何植物材料被浸没在液体媒介22中。

[0093] 在柔性袋20中所提供的液体媒介22的量以及驱动臂30的伸展位置优选被选择成使得当生长室12位于第二位置时，生长室12的网眼底部16与液体媒介22的上表面间隔距离Δ(图1)。这确保了液体媒介22从生长室12排走。其还确保了从网眼底部的下侧突伸的任何植物芽部或根部不会保持浸没在液体媒介22中。

[0094] 在特别优选的实施例中，柔性袋20中所提供的液体媒介22的量以及驱动臂30的伸展位置被选择成使得网眼底部16与液体媒介22的上表面间隔至少5cm的距离Δ(图1)、并且优选是间隔10cm的距离。

[0095] 驱动臂30的操作借助于定时器控制，所述定时器连接至驱动电机33，所述驱动电机设置成对驱动臂30的运动进行驱动(图3)。所述定时器在使用时控制生长室12在所述第一位置和第二位置之间的运动并且藉此控制植物材料或接种物在液体媒介22中的浸没。通过对定时器进行适当设置，可以根据需要为位于生长室12的网眼底部16的孔眼18中的特定植物材料设定浸没和通气的具体周期。

[0096] 在图6和图7中示出根据本发明第二实施例的生物反应器110。

[0097] 生物反应器110的结构非常类似于图1和图2中所示生物反应器10的结构。两个实施例所共同的那些特征使用相同的附图标记表示并且不再详细描述。

[0098] 图7和图8中所示的生物反应器110与图1和图2所示的生物反应器10不同之处在于，其省略了对生长室12从第一位置到第二位置的运动进行驱动的驱动臂30。

[0099] 在图7和图8所示的实施例中，生长室12包括漂浮元件112，所述漂浮元件安装成绕着生长室12的网眼底部16延伸。

[0100] 漂浮元件112允许生长室12在使用时于容纳在柔性袋20中的液体媒介上漂浮，并且藉此将生长室12定位在网眼底部16与外室24的底部28间隔开的第二位置(图7)。

[0101] 在图7和图8所示的实施例中，漂浮元件112具有10cm的深度，从而当生长室12在液体媒介22上漂浮时，生长室12的网眼底部16与液体媒介22的表面间隔10cm的距离Δ。

[0102] 为了当需要时将生长室12浸没在液体媒介22中，生物反应器110包括位于外室24中的四个柱塞114。柱塞114设置成使得在柱塞114上设置的接合构件116与生长室12的上边缘接合。

[0103] 在使用中，每个柱塞114可操作以选择性地驱动相应的接合构件116从休息位置沿着轴线A向下至伸展位置，以便对生长室12从第二位置至第一位置(其中生长室12的网眼底部浸没在液体媒介22中)的运动进行驱动(图8)。

[0104] 将生长室12的网眼底部16浸没在液体媒介22中之后，柱塞114中的每个柱塞可操作以选择性地驱动相应的接合构件116从伸展位置沿着轴线A向上至休息位置，并且藉此在漂浮构件112的作用下对生长室12从第一位置向上至第二位置的运动进行引导。

[0105] 柱塞114的操作借助于定时器控制，以便在使用中对生长室12于第一位置和第二位置之间的运动进行控制并且藉此控制植物材料或接种物在液体媒介22中的浸没。通过对定时器进行适当设置，可以根据需要为位于生长室12的网眼底部16的孔眼18中的特定植物材料设定浸没和通气的具体周期。

[0106] 在对图1和图2中所示的生物反应器10或者对图7和图8中所示的生物反应器110进行操作的一个特别方法中，生物反应器10、110处于如下的受控环境：25℃、16小时/8小时的日/夜循环以及袋高度处50μMolm-2s-1的光强度。

[0107] 接种物经由第三端口42被引入柔性袋20中。此后50公升的液体媒介22被引入柔性袋20中，以使得当生长室12浸没在柔性袋20内的液体媒介22中时，液体媒介22覆盖生长室12的80％。

[0108] 生物反应过程以生长室12处于与外室24的底部28间隔开的第二位置开始，液体媒介22流过生长室12的网眼底部16以便在外室24以内地聚集在柔性袋20的底部处。

[0109] 空气泵连接至第一端口38以将环境空气以每分钟15公升的速率每个小时持续10分钟时间段地泵入柔性袋20中。在其它实施例中，所述空气可富含高达1％的二氧化碳。

[0110] 定时器设定成每6小时将生长室12浸没在液体媒介22中持续4分钟的时间段。

[0111] 跟随该操作模式，在3周的延迟阶段之后生物质以指数级生长(如图9中所图示)直至其50天后达到平稳。最大生物质产量预估大约300g f.w./L(每公升鲜重)。

[0112] 烟草的多叶生物质通过生物质150的图示性示例示出，所述生物质可通过依照以上概述的方法使用生物反应器10而生产。