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CN106190836A - 包含硅酮涂层的生物反应器 - Google Patents

包含硅酮涂层的生物反应器 Download PDF

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CN106190836A
CN106190836A CN201610581685.2A CN201610581685A CN106190836A CN 106190836 A CN106190836 A CN 106190836A CN 201610581685 A CN201610581685 A CN 201610581685A CN 106190836 A CN106190836 A CN 106190836A
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silicone
bioreactor
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culture medium
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克里斯托弗·米勒-里斯
鲁珀特·普法勒
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Wacker Polymer Systems GmbH and Co KG
Original Assignee
Wacker Polymer Systems GmbH and Co KG
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Abstract

本发明涉及包含硅酮涂层的生物反应器。本发明涉及一种用于在水性培养介质中培养光养生物的生物反应器。与培养介质接触的反应器部件和/或反应器配件上全部或部分涂覆有硅酮层，其中所述硅酮层表面与水的接触角至少为100°。

Description

包含硅酮涂层的生物反应器
本申请是申请日为2010年8月6日的题为“包含硅酮涂层的生物反应器”的中国专利申请No.201080035083.8的分案申请。
技术领域
本发明涉及设置有防污涂层的生物反应器、提供具有防污涂层的生物反应器的方法，以及硅酮在为生物反应器提供防污涂层的用途。
背景技术
由于光供应、单菌(monoseptic)培养条件和按比例放大存在问题，因而光养微生物(微藻类、蓝细菌、紫细菌)工业规模的经济培养还没有得到解决。迄今为止，没有可用于大规模培养光养微生物的通用标准体系。数万种光养微生物代表物中，目前仅几十种是以相对大的量生产的，而且这些光养微生物一般在敞开系统中生产，敞开系统免不了被污染。迄今为止，在封闭反应器中以中试规模生产的光养微生物的培养条件无法保持恒定延长的时间，因为在培养阶段形成的光养微生物沉积在反应器壁上，导致供应给培养介质的光量发生波动，培养介质的混合发生改变。藻类沉积通常由培养期间的应力条件(例如，通过剪切)引起，其原因可能是微生物的生长条件(例如，敞开池和封闭反应器中的光、温度)、或者光养生物(例如，虾青素、β-叶红素)诱导有用的物质产生无法控制。
WO 2008/055190 A2中记载了培养藻类的封闭光生物反应器。所用的材料是玻璃或塑料如聚乙烯、PET、聚碳酸酯。DE 10 2005 025 118 A1中描述了通过超声从生物反应器表面除出微生物的方法。在US 2003/0073231 A1和US 2007/0048848 A1中，沉积物是通过机械方式例如擦拭除去的。这些都是比较费力的方法，不能任意放大。在DE 44 16 069 A1中，建议提供用于照射具有光滑表面的生物反应器的光导纤维。US2008/0311649 A1提出增大含藻类介质在管状生物反应器中的流速从而阻止藻类沉积的方法。这种方法具有这样的缺点，即，与流速有关的培养参数不再能够独立设置。
在WO 2008/132196 A1中，推荐将可交联的聚有机硅氧烷-聚氧化烯共聚物作为海洋区域中的防污涂层，特别是用于涂覆金属或混凝土，例如，船体、浮标、钻探设备的防污涂层。后来这篇公开讨论了GB 1307001和US 3702778，GB 1307001描述了具有用于阻止结垢的硅酮树脂的船体涂层，US 3702778描述了具有硅酮橡胶的船体涂层。从WO 2008/132196A1中可以看出，在这两种情况下，船体上结垢的有效阻止都仅在相对高的流速下实现。为了阻止水下结构物结垢，WO 01/94487 A2建议施加基于硅醇封端的硅酮和烷氧基官能化的硅氧烷的玻璃状互穿聚合物网络，连同两种分离的试剂，其中的至少一种接枝到该玻璃基体上。硅酮涂层在这篇文献中被描述为在海洋环境下是不稳定的，具有必须频繁更新涂层的缺点。Biofouling,2007,23(1),55-62建议在船体，特别是在图案上施加基于硅酮的防污涂膜。仅含有硅酮的涂料被描述成不具有内在防污性。在WO 2008/145719 A1中，透明LED塑料模塑物被用于照射光反应器。对此，优选使用其中LED埋置在硅酮模制品中的模塑物。
在这种背景下，要解决的问题是改进培养微生物的生物反应器，以便在很大程度上防止与培养介质接触的生物反应器部件上的微生物结垢，以及廉价地除去确实形成的任何污垢。该解决方案不应对产品质量产生负面影响，它应当是可以放大的，并应当能够普遍适用，而不取决于培养所需的工艺参数。
发明内容
本发明涉及用于在水性培养介质中培养光养生物的生物反应器，其中与培养介质接触的反应器部件和/或反应器配件全部或部分涂覆有硅酮层，其中该硅酮层表面与水的接触角至少为100°。
该生物反应器适合于培养光养大生物(巨生物，macroorganisms)或微生物。光养生物是指生长需要光和二氧化碳，或可选地还需要另一种碳源的那些生物。光养大生物的实例为大型藻类、植物、苔藓、植物细胞培养物。光养微生物的实例为光养细菌诸如紫细菌(purple bacteria)，和包括蓝细菌(cyanobacteria)在内的光养微藻类(microalgae)。该生物反应器优选用于培养光养微生物，尤其优选用于培养光养微藻类。
该生物反应器在各种情况下均可以为具有期望形状的封闭反应器或敞开反应器。例如，在敞开反应器的情况下，可以使用罐或所谓的“敞开池”或“水道池(racewayponds)”。优选封闭的反应器作为生物反应器。该封闭的生物反应器可以是，例如板型生物反应器、管状生物反应器、(气泡)柱状生物反应器或软管型生物反应器(hose-typebioreactor)。板型生物反应器由垂直或倾斜的砖形板组成，许多板联接在一起从而形成相对大的反应器系统。管状反应器由管系统组成，该管系统可以垂直或水平或以介乎其间的任何角度设置，并且该管系统可以非常长，优选长达数百千米。然后通过该管系统，优选借助泵或通过气升原理运送培养介质。柱状生物反应器由封闭的圆柱形容器组成，该圆柱形容器填充有培养介质。在这类生物反应器中，引入空气和二氧化碳的混合物或者还引入二氧化碳，上升的气泡柱使培养介质混合。软管型反应器包括由任何长度的单个软管或任何长度的许多软管组成的反应器系统。
该生物反应器优选由透明或半透明材料制成。透明材料是可以使400nm～1000nm光谱范围内的至少80％的光通过的那些材料。半透明材料是可以使400nm～1000nm光谱范围内的至少50％的光通过的那些材料，例如玻璃或塑料如聚甲基丙烯酸甲酯(Plexiglas)、聚酯如PET、聚碳酸酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。对于不透明光生物反应器，可以使用前述塑料，但也可以使用钢或特种钢。可以选择任何尺寸的反应器容积。
反应器部件是指反应器壁(包括反应器底部和反应器盖)和培养介质中的结构形成元件，如挡板。在管状、板型和软管型反应器中，管、板和软管相当于反应器壁。
该生物反应器配备有反应器配件，例如，配备有用于填充和供应营养物的进料管路，和用于产品分离和排放的排放管路。对于冷却和加热，该生物反应器可选地配备有加热/冷却装置如热交换器。而且，该生物反应器也可以包含用于混合的搅拌装置和泵。生物反应器还通常配备有用于人工照射的装置。反应器装置的进一步实例为用于监测操作的测量和控制仪器。
适合于为生物反应器提供防污涂层的硅酮为，例如缩合-交联硅酮(硅酮橡胶)、加成-交联硅酮(硅酮橡胶)、硅酮杂化聚合物(silicone hybrid polymer)、硅酮树脂和/或硅酮凝胶，条件是其膜表面与水的接触角至少为100°。优选透明或半透明硅酮。透明硅酮应理解为这样的硅酮，其作为层厚度为10μm的涂层的膜可以使400nm～1000nm光谱范围内的至少80％的光通过。半透明硅酮应理解为这些硅酮，其作为层厚度为10μm的涂层的膜可以使400nm～1000nm光谱范围内的至少50％的光通过。
缩合-交联硅酮橡胶体系包含
a)具有可缩合端基的有机聚硅氧烷，
b)每个分子可选地包含至少3个具有硅键合可水解基团的有机硅化合物，和
c)缩合催化剂。
通过缩合反应交联的合适的交联硅酮橡胶可以为，室温交联的单组分(1-组分)体系(room-temperature crosslinking 1-component systems)，所谓的RTC-1硅酮橡胶。RTC-1硅酮橡胶为具有可缩合端基的有机聚硅氧烷，其在室温下在催化剂的存在下通过缩合交联。常见的是具有R3SiO[-SiR2O]n-SiR3结构的二烷基聚硅氧烷，链长n>2。该烷基残基R可以相同或不同，一般具有1～4个碳原子并可以可选被取代。该烷基残基R也可以部分地用其它残基替代，优选用可选被取代的芳基残基替代，并且其中该烷基(芳基)R部分地与能够缩合交联的基团，例如醇(烷氧基体系)、醋酸酯(醋酸体系)、胺(胺体系)或肟残基(肟体系)交换。交联可以利用合适的催化剂催化，例如锡或钛催化剂。
通过缩合反应交联的合适的交联硅酮橡胶也可以为，室温交联的二组分(2-组分)体系(room-temperature crosslinking 2-component systems)，所谓的RTC-2硅酮橡胶。RTC-2硅酮橡胶通过使羟基多取代的有机聚硅氧烷在硅酸酯的存在下缩合交联获得。作为交联剂，也可以使用具有烷氧基(烷氧基体系)、肟(肟体系)、胺(胺体系)或醋酸酯基团(醋酸体系)的烷基硅烷，其在合适的缩合催化剂例如锡或钛催化剂的存在下与羟基封端的聚二烷基硅氧烷交联。
包含在RTC-1和RTC-2硅酮橡胶中的聚二烷基硅氧烷实例为具有式(OH)R2SiO[-SiR2O]n-SiR2(OH)、链长n>2的那些，其中烷基残基R可以相同或不同，并且该R残基具有上面给出的含义。优选该聚二烷基硅氧烷包含末端OH基团，其在室温下与硅酸酯或烷基硅烷/锡(钛)催化剂体系交联。
包含在RTC-1和RTC-2硅酮橡胶中的烷基硅烷(具有可水解基团)的实例为具有式RaSi(OX)4-a的那些，其中a＝1～3(优选1)，X表示R’(烷氧基体系)、C(O)R'(醋酸体系)、N＝CR'2(肟体系)或NR'2(胺体系)，其中R’表示具有1～6个碳原子的单价烃残基。
加成-交联硅酮橡胶体系包含
a)具有带有脂肪族碳-碳多重键的残基的有机硅化合物，
b)可选地带有Si-键合氢原子的有机硅化合物，或者代替a)和b)
c)具有带有脂肪族碳-碳多重键和Si-键合氢原子的残基的有机硅化合物，
d)对于促使脂肪族多重键形成的Si-键合氢加成的催化剂，和
e)可选地对于延缓室温下脂肪族多重键形成的Si-键合氢加成的试剂。
合适的加成-交联硅酮橡胶是室温交联的单组分(1-组分)体系(room-temperature crosslinking 1-component systems)，所谓的加成-交联的RTC-1硅酮橡胶，室温交联的二组分(2-组分)体系，所谓的加成-交联的RTC-2硅酮橡胶，或者也可以是室温交联的多组分体系。该交联反应可以是阳离子引发的，借助于相应催化剂，或者是自由基引发的，借助于过氧化物，或者是通过辐射，特别是UV辐射引发的，或加热引发的。
加成-交联的RTC-2硅酮橡胶通过由多烯键不饱和基团，优选乙烯基，取代的有机聚硅氧烷，与Si-H基团多取代的有机聚硅氧烷在铂催化剂的存在下的Pt-催化剂催化的交联获得。
优选其中一种组分由具有R3SiO[-SiR2O]n-SiR3结构的二烷基聚硅氧烷组成，n≥0，其中R残基具有上面给出的含义。一般地，R为具有1～4个碳原子的烷基残基，其中该烷基残基可以完全或部分地用芳基残基如苯基残基取代，并在其中一个末端R残基的一端或两端用可聚合基团如乙烯基替代。硅氧烷链中的R残基，以及端基的R残基，也可以部分地用可聚合基团替代。优选使用具有(CH2＝CH2)R2SiO[-SiR2O]n-SiR2(CH2＝CH2)结构的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。
第二组分包含Si-H-官能交联剂。经常采用的聚烷基氢硅氧烷(polyalkylhydrogensiloxanes)为二烷基聚硅氧烷和通式为R"3SiO[-SiR2O]n-[SiHRO]m-SiR"3的聚烷基氢硅氧烷(polyalkylhydrogensiloxanes)的共聚物，其中m≥0，n≥0，条件是必须存在至少两个SiH基团，其中R"可以具有H或R的含义。因此存在具有侧基和末端SiH基团的交联剂，而R”＝H的硅氧烷仅具有末端SiH基团，仍然可以用于链延长。包含少量有机铂化合物作为交联催化剂。
而且，特定硅酮橡胶最近也可以商购获得，其是通过所述的加成反应交联的，其中通过加热和/或光化学来活化特定铂络合物或铂/抑制剂体系，从而催化该交联反应。
合适的材料也包括硅酮杂化聚合物。硅酮杂化聚合物是有机聚合物嵌段例如聚氨酯、聚脲或聚乙烯酯，和通常基于前面详述的聚二烷基硅氧烷的硅酮嵌段的共聚物或接枝共聚物。例如，热塑性硅酮杂化聚合物描述在EP 1412416B1和EP 1489129B1中，其相关公开也应是本申请的主题。这类硅酮杂化聚合物是指热塑性硅酮弹性体(TPSE)，可以商购获得。其它合适的材料为(缩合或辐射)可交联的硅酮杂化材料，如WO2006/058656中描述的，关于它的相关信息通过引用合并在本申请中。
硅酮树脂也是适合于生产透明或半透明涂层的材料。该硅酮树脂一般包含具有通式Rb(RO)cSiO(4-b-c)/2的单元，其中b等于0、1、2或3，c是0、1、2或3，条件是b+c≤3，并且R具有上面给出的含义，其形成高度交联的有机硅酮网络结构。所用的硅酮树脂可以是无溶剂的、含溶剂的，或可以用作水性体系。此外，也可以使用官能化硅酮树脂，例如，用环氧基或氨基官能化的那些。
硅酮凝胶(Silicone gel)也是适合于生产透明或半透明涂层的材料。硅酮凝胶由两种在室温下在催化剂的存在下交联的可浇铸组分制成。其中一种组分一般由具有R3SiO[-SiR2O]n-SiR3结构的二烷基聚硅氧烷组成，其中n≥0，烷基残基中的R具有上面给出的含义，一般具有1～4个碳原子，其中该烷基残基可以完全或部分地用芳基残基如苯基残基替代，并在其中一个末端R残基的一端或两端用可聚合基团如乙烯基替代。而且，硅氧烷链中的R残基，以及端基的R残基，也可以部分地用可聚合基团替代。优选使用具有(CH2＝CH2)R2SiO[-SiR2O]n-SiR2(CH2＝CH2)结构的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷。
第二组分包含Si-H-官能交联剂。经常采用的聚烷基氢硅氧烷(polyalkylhydrogensiloxanes)为二烷基聚硅氧烷和通式为R"3SiO[-SiR2O]n-[SiHRO]m-SiR"3的聚烷基氢硅氧烷的共聚物，其中m≥0，n≥0，条件是必须存在至少两个SiH基团，其中R"可以具有H或R的含义。因此存在具有侧基和末端SiH基团的交联剂，而R”＝H的硅氧烷仅具有末端SiH基团，仍然可以用于链延长。包含少量有机铂化合物作为交联催化剂。通过混合组分来引发交联反应，形成凝胶。可以通过加热作用和/或通过电磁辐射，优选UV辐射加速这种交联反应。
对硅酮、它们的化学性质、调配和应用特性的详细综述例如描述在Winnacker/Küchler,"Chemische Technik:Prozesse und Produkte,Vol.5:OrganischeZwischenverbindungen,Polymere",p.1095-1213,Wiley-VCH Weinheim(2005)。
具体实施方式
硅酮涂层表面的形态对于抑制或防止微生物结垢很重要。该表面形态由所述表面与水的接触角确定。可以通过选择根据本发明的硅酮材料来调节根据本发明的接触角。优选忽略增大接触角，例如粗加工(roughening)该表面(例如，从而模拟所谓的荷叶效应)的进一步措施。实际上，此种粗加工可能会妨碍光养微生物的培养。优选表面的接触角在100°和120°之间，尤其优选表面的接触角在100°和115°之间，更尤其优选表面的接触角在100°和113°之间。硅酮涂层表面与水的接触角可以通过本领域技术人员已知的方法测定，例如根据DIN 55660-2使用可商购获得的测定接触角的测量仪器，例如从Krüss公司获得的接触角测量系统测定。
与培养介质接触的反应器部件，特别是反应器壁内表面全部或部分，优选全部涂覆有前述硅酮。在优选实施例中，反应器配件也全部或部分涂覆有硅酮。该硅酮是以液体形式，作为纯物质、作为溶液或以水性乳液形式施加的。待施加用于涂覆的液体粘度优选为10mPas～300 000mPas。
与海洋防污系统中通常的那样，不在硅酮中添加涂层可以释放的添加剂。可以通过常见技术施加，优选刷涂、喷射、浸渍、刮刀涂覆、浇铸。尤其优选浸渍和喷射。然而，对于涂覆管，也可以使用其它方法，例如，海绵施加、甩胶(spinning)、挤出或十字头挤出，并且对于水平面，另外还可以通过滚涂、辊涂，或通过舐液辊(Lick roll)工艺施加。
优选直接在反应器部件或反应器配件上施加，无需施加底涂层。该涂层的厚度一般为10nm～1000μm，优选1μm～100μm。可选地，为了提高硅酮的粘连性，可以对待涂覆反应器部件进行预处理，例如通过电晕处理进行。可选地，该硅酮可以包含促进粘附性的常见添加剂，或改进机械特性的常见填料。优选使用最大量的这些添加剂，以便硅酮涂层保持透明或半透明。
粘附到涂覆表面上的任何生物都可以在培养循环之间，通过喷射例如水、乙醇或H2O2除去，无需进一步的机械处理。
涂覆有根据本发明的硅酮的光生物反应器将形成的光养生物的沉积减到最少，使得培养介质的流动条件保持恒定，而且理想的生长用光输入量依然可以使待培养生物生长最多。而且，将在各个培养循环之间清洁的费用，和更换待培养光养生物的费用减到最少。由于停工期较短，清洁费用较低，因此这具有巨大的经济优势。
与例如涂覆船体的常规含硅酮的污损物释放涂料相比，根据本发明使用的硅酮的特征在于无需从涂层释放的释放物质(例如，硅酮油)。此外，无需施加中间层(底胶)来改善粘连性和污损物释放涂料中使用的制品的机械特性。通过采用适当的硅酮材料，使得与水的接触角值为至少100°，一方面降低了水在硅酮表面上的积聚，另一方面还使得溶解在水中的，例如在藻类培养期间由应力刺激形成的物质远离该表面。

Claims (8)

1.一种用于在水性培养介质中培养光养生物的生物反应器，其中与所述培养介质接触的反应器部件上全部或部分涂覆有硅酮层，其中所述硅酮层表面与水的接触角至少为100°并且所述硅酮层包含选自以下的一种或多种硅酮：缩合-交联硅酮弹性体、加成-交联硅酮弹性体和硅酮树脂。
2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述生物反应器是封闭反应器。
3.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于所述生物反应器是板型生物反应器、管状生物反应器、柱状生物反应器或软管型生物反应器。
4.根据权利要求3所述的生物反应器，其特征在于所述柱状生物反应器是气泡柱状生物反应器。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物反应器，其特征在于所述生物反应器由透明或半透明材料制成。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的生物反应器，其特征在于所述反应器部件涂覆有透明或半透明硅酮层。
7.一种为生物反应器提供防污涂层的方法，其中所述生物反应器在与培养介质接触的反应器部件上全部或部分涂覆有硅酮层，并且所述硅酮层表面与水的接触角至少为100°并且所述硅酮层包含选自以下的一种或多种硅酮：缩合-交联硅酮弹性体、加成-交联硅酮弹性体和硅酮树脂。
8.施加成膜的整个表面与水的接触角至少为100°的硅酮在提供具有防污涂层的生物反应器中的用途，其中所述硅酮是缩合-交联硅酮弹性体、加成-交联硅酮弹性体和硅酮树脂。
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