CH708178A2

CH708178A2 - Bioreactor for the extraction of phytochemicals.

Info

Publication number: CH708178A2
Application number: CH10342013A
Authority: CH
Inventors: Alicia Idoux; Philipp Steiger; Jost Harr
Original assignee: Rootec Bioactives Ag
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2013-05-30
Publication date: 2014-12-15
Also published as: WO2014191947A1

Abstract

Es wird ein Bioreaktor 1 zur Gewinnung sekundärer Pflanzen-Inhaltsstoffe vorgestellt. Dieser besteht aus einer beutelförmigen, flexiblen Hülle 2, welche oben durch einen formstabilen Deckel 10 und unten durch einen formstabilen Boden 20 abgeschlossen ist. Im Innern, innerhalb der Hülle 2, ist mindestens eine feste Trägerplatte 30 mittels einer am Deckel (10) befestigten Aufhängung 31 frei hängend angeordnet. Der Bioreaktor 1 kann über Sprühdüsen 11 im Deckel 10 mit Nährstoffen und Gasen beaufschlagt werden. Ein Auslass 21 im Boden 20 ist für den Abfluss der verbleibenden Nährstoffflüssigkeit und dem gewünschten metabolischen Produkt vorgesehen. Der Bioreaktor 1 mit dem ganzen Inhalt ist zusammenlegbar.A bioreactor 1 for obtaining secondary plant ingredients is presented. This consists of a bag-shaped, flexible shell 2, which is closed at the top by a dimensionally stable cover 10 and below by a dimensionally stable bottom 20. Inside, inside the shell 2, at least one fixed support plate 30 is arranged freely suspended by means of a suspension 31 fastened to the cover (10). The bioreactor 1 can be acted upon by spray nozzles 11 in the lid 10 with nutrients and gases. An outlet 21 in the bottom 20 is provided for drainage of the remaining nutrient fluid and the desired metabolic product. The bioreactor 1 with the entire contents is collapsible.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bioreaktor zur Gewinnung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffen gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. [0001] The present invention relates to a bioreactor for obtaining secondary plant constituents according to the preamble of claim 1.

[0002] Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Vorrichtung nach dem in DE 10 016 554 A1 dargestellten Stand der Technik. Das Scale-up einer kleinen Anlage ist schwierig, da die inhomogenen und nicht zu durchmischenden Gewebekulturen in grösseren Anlagen die Versorgung mit Nährstofflösung erschweren. Aufwand und Risiko eines Scale-up sind sehr gross. Zudem ist man mit grösseren Anlagen nicht mehr flexibel. Deshalb wird das in WO 03 029 444 A2 detailliert beschriebene Verfahren mit Vorteil mittels einer Vielzahl relativ kleiner Bioreaktoren durchgeführt. The present invention is an improved device according to the prior art shown in DE 10 016 554 A1. The scale-up of a small system is difficult because the inhomogeneous tissue cultures that cannot be mixed in larger systems make the supply of nutrient solution more difficult. The effort and risk of a scale-up are very high. In addition, one is no longer flexible with larger systems. The method described in detail in WO 03 029 444 A2 is therefore advantageously carried out using a large number of relatively small bioreactors.

[0003] Die Praxis hat gezeigt, dass die Durchführung des Prozesses mit der in obiger Anmeldung vorgestellten Vorrichtung teuer ist und den gewünschten Prozess nicht effizient ablaufen lässt. So ist z.B. der Zeitaufwand nach jedem Einsatz sehr gross. Die Vorrichtung muss demontiert, gereinigt und in einem Autoklaven entkeimt werden, damit das Gerät für den erneuten Einsatz bereit ist. Da aus oben beschriebenen Gründen eine Vielzahl solcher Vorrichtungen im Einsatz sind, steht der Aufwand in keinem Verhältnis zum Ertrag. Das vorgestellte Verfahren wird mangels Wirtschaftlichkeit der bekannten Vorrichtung deshalb bis heute nicht eingesetzt. Practice has shown that the implementation of the process with the device presented in the above application is expensive and does not allow the desired process to run efficiently. E.g. the time required after each use is very large. The device must be dismantled, cleaned and sterilized in an autoclave so that the device is ready for use again. Since, for the reasons described above, a large number of such devices are in use, the effort is out of proportion to the yield. The method presented has therefore not been used to date due to the lack of economic efficiency of the known device.

[0004] Die in DE 10 016 554 A1 vorgestellte Vorrichtung ist die Basis der vorliegenden Erfindung, sie weist aber für die Effizienz des Verfahrens nachteilige Eigenschaften auf: Die Vertikal angeordneten Trägerplatten begünstigen den vertikalen Strom im Bioreaktor. Obwohl das Nährstofflösung/Gasgemisch horizontal eingebracht wird, gehen zu viele Teile der Nährstofflösung direkt nach unten, ohne die auf den Trägerplatten angesiedelten Organkulturen zu nähren. Dies hat zur Folge, dass viele Kreisläufe notwendig sind, um die Pflanzen mit Nährstoff zu versorgen. Die in den Zwischenadaptern zentral oder peripher angeordneten Sprühdüsen ermöglichen das Einbringen Nährstofflösung/Gasgemisch an gleichen Stellen und in gleicher Richtung. Die Organkulturen werden dadurch stellenweise übermässig benetzt, was das Wachstum derselben behindert. Ferner werden die auf den unteren Trägerplatten angesiedelten Organkulturen durch das Abtropfen von den oberen Trägerplatten massiv übernetzt, was deren Wachstum zusätzlich behindert.The device presented in DE 10 016 554 A1 is the basis of the present invention, but it has disadvantageous properties for the efficiency of the method: The vertically arranged carrier plates promote the vertical flow in the bioreactor. Although the nutrient solution / gas mixture is introduced horizontally, too many parts of the nutrient solution go directly downwards without nourishing the organ cultures that have settled on the carrier plates. As a result, many cycles are necessary to supply the plants with nutrients. The spray nozzles arranged centrally or peripherally in the intermediate adapters enable the nutrient solution / gas mixture to be introduced at the same points and in the same direction. The organ cultures are thereby excessively wetted in places, which hinders their growth. Furthermore, the organ cultures located on the lower carrier plates are massively over-wetted by the dripping from the upper carrier plates, which additionally hinders their growth.

[0005] Die vorliegende Erfindung stellt sich nunmehr die Aufgabe, einen Bioreaktor zur Gewinnung sekundärer Pflanzeninhaltsstoffen der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine gleichmässigere Verteilung der versprühten Nährstofflösung ein besseres Wachstum der Organkulturen ermöglicht und damit die Wirtschaftlichkeit verbessert. The present invention now has the task of improving a bioreactor for the extraction of secondary plant constituents of the type mentioned in such a way that a more even distribution of the sprayed nutrient solution enables better growth of the organ cultures and thus improves economy.

[0006] Diese Aufgabe löst ein Bioreaktor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere Merkmale und Ausführungsbeispiele gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor und deren Vorteile sind in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. This object is achieved by a bioreactor with the features of claim 1. Further features and exemplary embodiments emerge from the dependent claims and their advantages are explained in the following description.

[0007] In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 Bioreaktor Fig. 2 Boden, Trägerplatten und Deckel Fig. 3 Prinzipielle Seitenansicht Trägerplatte Fig. 4 Prinzipielle Aufsicht Trägerplatte Fig. 5 Aufsicht Trägerplatte a Fig. 6 Aufsicht Trägerplatte b Fig. 7 Aufsicht Trägerplatte c Fig. 8 Aufsicht Trägerplatte d Fig. 9 Aufsicht Trägerplatte x Fig. 10 Faltsystem am Bioreaktor Fig. 11 Faltlinien Fig. 12 FaltgeometrieThe drawing shows: Fig. 1 bioreactor Fig. 2 bottom, carrier plates and cover Fig. 3 Basic side view of carrier plate Fig. 4 Basic top view of carrier plate Fig. 5 Top view of carrier plate a Fig. 6 Top view of carrier plate b Fig. 7 Top view of carrier plate c Fig. 8 Top view of carrier plate d Fig. 9 Top view of carrier plate x Fig. 10 Folding system on the bioreactor Fig. 11 Fold lines Fig. 12 Fold geometry

[0008] Die Figuren stellen mögliche Ausführungsbeispiele dar, welche in der nachfolgenden Beschreibung erläutert werden. The figures represent possible exemplary embodiments, which are explained in the following description.

[0009] Die Kultivierung von Zellen zur Herstellung von Zellmaterial, insbesondere von metabolischen Produkten dieser Zellen gewinnt an Bedeutung. Die chemische Synthese solcher Produkte ist häufig unwirtschaftlich, schwierig oder gar unmöglich. Für pflanzliche Organkulturen [transformierte Wurzelhaar- (Hairy root), Wurzel- oder Sprosskulturen (shooty teratomas)] bedarf es spezieller Vorrichtungen. Die Grundlagen für solche Geräte sind in DE 10 016 554 A1 offenbart. The cultivation of cells for the production of cell material, in particular metabolic products of these cells, is becoming increasingly important. The chemical synthesis of such products is often uneconomical, difficult or even impossible. For plant organ cultures [transformed hairy root, root or shoot cultures (shooty teratomas)], special devices are required. The principles for such devices are disclosed in DE 10 016 554 A1.

[0010] Um den Prozess im Bioreaktor 1 (Fig. 1 ) effizienter und damit wirtschaftlicher zu machen, wurde die vorgestellte Erfindung entwickelt. Sie unterscheidet sich massgeblich von bekannten Konstruktionen. Form und Anordnung der Trägerplatten 30 wurden im Zusammenhang mit dem Einsprühwinkel der Nährstoff/Gasmischung über die Sprühdüsen 11 mittels numerischer Strömungssimulation (CFD computational fluid dynamics) ausgelegt, um eine möglichst gleichmässige Versorgung aller im Bioreaktor angesiedelten Organkulturen zu gewährleisten. In order to make the process in the bioreactor 1 (Fig. 1) more efficient and thus more economical, the invention presented was developed. It differs significantly from known constructions. The shape and arrangement of the carrier plates 30 were designed in connection with the spray angle of the nutrient / gas mixture via the spray nozzles 11 by means of numerical flow simulation (CFD computational fluid dynamics) in order to ensure the most even possible supply of all organ cultures located in the bioreactor.

[0011] Im Laborversuch und in den Berechnungen wurden fünf Trägerplatten 30a-x eingesetzt, weshalb beispielhaft die Anordnung mit fünf Trägerplatten 30a-x beschrieben wird. Je nach Anwendung können jedoch weniger oder mehr Trägerplatten eingesetzt werden. In the laboratory test and in the calculations, five carrier plates 30a-x were used, which is why the arrangement with five carrier plates 30a-x is described as an example. However, depending on the application, fewer or more carrier plates can be used.

[0012] Der formstabile Deckel 10 bildet zusammen mit der flexiblen Hülle 2 und dem formstabilen Boden 20 das Gefäss. Die Trägerplatten 30a-30x sind innerhalb dieses Gefässes mittels einer Aufhängung 31 am Deckel 10 eingehängt. Die Aufhängung 31 besteht aus mindestens drei flexiblen Fäden genügender Festigkeit an welchen die Trägerplatten 30a-30x befestigt sind. Das Volumen dieses Bioraktors 1, kann mit allem Inhalt durch Verwindung und Einbeulung auf mindestens einen Fünftel reduziert werden (Fig. 10 - 12 , «Twist Bückling Principe» nach Hunt,G. and Ario,I (2004) «Twist buckling and the foldable cylinder: an exercise in Origami». International Journal of Non-Linear Mechanics, 40(6), p.833-843). In Fig. 10 wird das Faltprinzip am Bioreaktor 1 gezeigt. In Fig. 11 zeigt im Detail das Prinzip, wonach die im Faltbereich die ausgezogenen Striche die nach aussen gefalteten und die unterbrochenen Striche die nach innen gefalteten Linien zeigen. Die Fig. 12 zeigt das geometrische Prinzip der Faltung, welche nach dieser Formel vor sich geht. The dimensionally stable cover 10 together with the flexible shell 2 and the dimensionally stable base 20 forms the vessel. The carrier plates 30a-30x are suspended within this vessel by means of a suspension 31 on the cover 10. The suspension 31 consists of at least three flexible threads of sufficient strength to which the carrier plates 30a-30x are attached. The volume of this bioreactor 1, with all its contents, can be reduced to at least a fifth by twisting and indentation (Fig. 10-12, "Twist Bückling Principe" according to Hunt, G. and Ario, I (2004) "Twist buckling and the foldable cylinder: an exercise in origami ". International Journal of Non-Linear Mechanics, 40 (6), pp. 833-843). The folding principle on the bioreactor 1 is shown in FIG. 11 shows in detail the principle according to which the lines drawn out in the folding area show the lines folded outwards and the broken lines show the lines folded inwards. Fig. 12 shows the geometric principle of the folding, which takes place according to this formula.

[0013] Der Sinn dieses reglementierten Faltprozesses ist der Erhalt der Dichtheit der Hülle, auch nach dem für Lagerung und Transport wichtigen Falten und vor allem nach dem Entfalten. In zusammengefalteter Form werden die Bioreaktoren 1 nämlich steril geliefert und gelagert, bis sie für den Einsatz entfaltet werden. The purpose of this regulated folding process is to maintain the tightness of the envelope, even after the folding, which is important for storage and transport, and especially after unfolding. In the collapsed form, the bioreactors 1 are namely delivered sterile and stored until they are unfolded for use.

[0014] Die Trägerplatten 30 (Fig. 3 - 7 ) haben denselben Aussendurchmesser 34. Von diesem Aussendurchmesser 34 zu den Zentralbohrungen 33a-33x sind sie konisch (Fig. 3 ), so dass die Zentralbohrungen 33a-33x immer tiefer liegen, als die Aussendurchmesser 34. Grund dafür ist der gewollte Ablauf der Flüssigkeit über die Kreissegmente 32a-32x hin zum Zentrum. Im Zentrum tropft die Flüssigkeit dann durch die Zentralbohrungen 33a-33x ab. Die Zentralbohrung 33b der Trägerplatte 30b grösser als die Zentralbohrung 33a der darüber liegenden Trägerplatte 30a. Diese Gesetzmässigkeit setzt sich fort bis zur Zentralbohrung 33x der Trägerplatte 30x, welche den grössten Durchmesser aufweist. Daher tropft die den Nährstoff und das erwünschte metabolische Produkt tragende Flüssigkeit ab, ohne die auf der darunter liegenden Trägerplatte angesiedelten Organkulturen zu benetzen oder darauf zu tropfen. The carrier plates 30 (Fig. 3 - 7) have the same outer diameter 34. From this outer diameter 34 to the central bores 33a-33x they are conical (Fig. 3), so that the central bores 33a-33x are always deeper than the Outside diameter 34. The reason for this is the intended drainage of the liquid over the circle segments 32a-32x towards the center. In the center, the liquid then drips off through the central bores 33a-33x. The central bore 33b of the carrier plate 30b is larger than the central bore 33a of the carrier plate 30a located above it. This regularity continues up to the central bore 33x of the carrier plate 30x, which has the largest diameter. Therefore, the liquid carrying the nutrient and the desired metabolic product drips off without wetting or dripping onto the organ cultures located on the carrier plate below.

[0015] Die Trägerplatten 30a-30x weisen alle denselben Aussendurchmesser 34 auf. Alle Trägerplatten 30a-30x sind an mindestens drei Punkten mit der Aufhängung 31 verbunden. Diese Aufhängung 31 besteht aus flexiblen Fäden angemessener Festigkeit und ist am formstabilen Deckel 10 befestigt. Die Trägerplatten 30a-30x hängen in den Bioreaktor, wobei die unterste Trägerplatte 30x den formstabilen Boden 20 nicht berührt. The carrier plates 30a-30x all have the same external diameter 34. All support plates 30a-30x are connected to the suspension 31 at at least three points. This suspension 31 consists of flexible threads of adequate strength and is attached to the dimensionally stable cover 10. The carrier plates 30a-30x hang in the bioreactor, the lowermost carrier plate 30x not touching the dimensionally stable base 20.

[0016] Grösse, Ausgestaltung und Orientierung der Kreissegmente 32a-32x und der Einlasswinkel der Sprühdüsen 11 wurden mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) festgelegt. Eine der gefundenen Anordnungen ist in Fig. 2 sichtbar. Versuche haben gezeigt, dass die erfindungsgemässe Auslegung viel effizienter arbeitet und dadurch die Ausbeute (yield) höher wird, wenn das Nährstoff/Gasgemisch in einer Art Spiralnebel in den Bioreaktor 1 eingesprüht wird. Es hat sich auch gezeigt, dass der Einlass über drei Sprühdüsen 11 im Winkel von 30-60°, vorzugsweise 40-50° Grad optimal ist. The size, configuration and orientation of the circle segments 32a-32x and the inlet angle of the spray nozzles 11 were determined by means of numerical flow simulation (CFD). One of the arrangements found is visible in FIG. Tests have shown that the design according to the invention works much more efficiently and thus the yield is higher if the nutrient / gas mixture is sprayed into the bioreactor 1 in a type of spiral mist. It has also been shown that the inlet via three spray nozzles 11 at an angle of 30-60 °, preferably 40-50 ° degrees is optimal.

[0017] Die Kreissegmente 32a der obersten Trägerplatte 30a nehmen den kleinsten und die Kreissegmente 32x der Trägerplatte 30x den grössten Anteil der Kreisfläche ein. Die Erkenntnisse aus Entwicklungs-Versuchen haben gezeigt: Wenn der Anteil der Fläche, welche den Organkulturen zu Beginn des Prozesses Halt geben in der obersten Trägerplatte 30a klein gehalten wird und sich über die darunter liegenden Trägerplatten 30b - 30d bis zur untersten Trägerplatte 30x vergrössert, wird die beste Ausbeute erzielt. The circular segments 32a of the uppermost carrier plate 30a occupy the smallest and the circular segments 32x of the carrier plate 30x the largest portion of the circular area. The findings from development experiments have shown: If the proportion of the area that gives hold to the organ cultures at the beginning of the process in the uppermost carrier plate 30a is kept small and increases over the carrier plates 30b-30d below to the lowest carrier plate 30x achieved the best yield.

[0018] Der Boden 20 ist zum Auslass 21 hin geneigt, so dass sich die Flüssigkeit immer in der Nähe des Auslasses 21 sammelt. The bottom 20 is inclined towards the outlet 21, so that the liquid always collects in the vicinity of the outlet 21.

Claims

1. bioreactor (1) for obtaining secondary plant ingredients, consisting of a bag-shaped flexible sheath (2), which is closed at the top by a dimensionally stable cover (10), wherein within the sheath (2) at least one solid support plate (30) in a suspension (31) fastened to the cover (10) and the device thus formed has inlets and outlets for liquid nutrients and gases, characterized in that the bioreactor (1) has a dimensionally stable base (20) at the bottom and covers (10), shell (2) and bottom (20), with the horizontally disposed support plates (30) and their suspension (31) forming a collapsible device, wherein sheath (2), lid (10) and bottom (20) form only through openings and outlets openwork, dense vessel.

2. Device according to claim 1, characterized in that all support plates (30a-30x) in the center central bores (33a-33x) of different dimensions, but outer diameter (34) have the same dimension.

3. A device according to claim 2, characterized in that the central bores (33a-33x) are at least 5mm lower than the outer diameter (34) of the carrier plates (30a-30x).

4. The device according to claim 2, characterized in that the central bore (33 a) of the uppermost support plate (30 a) is smallest, and the central bores (33 a- 33 x) in diameter are larger, so that the central bore (33 x) of the support plate (30x ) has the largest diameter.

5. The device according to claim 1, characterized in that all carrier plates (30a-30x) have at least three circumferentially uniformly distributed circular segments (32a-32e) with net-like structure.

6. The device according to claim 5, characterized in that the claimed surface of the circle segment (32 a) of the uppermost support plate (30 a) is smallest and the surfaces of the circle segments (32 a- 32 x) are larger, so that the lowermost support plate (30 x) the has the largest area.

7. The device according to claim 1, characterized in that the bottom (20) and the bottom support plate (30x) do not touch.

Device according to claim 1, characterized in that the bottom (20) has an outlet (21), the bottom (20) being inclined downwards towards this outlet (21) and the outlet (21) at the lowest point of the Floor is arranged.