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CN109477059B - 生物质膜接触器 - Google Patents

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CN109477059B CN201780035085.9A CN201780035085A CN109477059B CN 109477059 B CN109477059 B CN 109477059B CN 201780035085 A CN201780035085 A CN 201780035085A CN 109477059 B CN109477059 B CN 109477059B
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Abstract

组件(10)包括壳体(11)，壳体具有第一层(111)和与第一层相对置的第二层(112)。第一层和第二层间隔开以限定受限的内部空间(110)。半渗透膜(12)附接到第一层，半渗透膜覆盖第一层的多孔区域部分。出口端口(101)和入口端口(102)与内部空间流体连通。该组件包括用于在出口端口和入口端口之间循环第一流体的第一装置(20)以及用于沿着半渗透膜的外表面循环第二流体的第二装置(13)。第二装置包括附接到壳体或集成在壳体内的流体管道(13)。流体管道与内部空间隔离，并且是多孔的以提供流体通向半渗透膜的外表面的通路。半渗透膜形成允许化合物穿过膜进行交换的屏障。

Description

生物质膜接触器
技术领域
本发明涉及在生物技术应用中使用的膜组件，所述膜组件限定了用于包封细胞(cell)的封闭空间，所述生物技术应用例如是但不限于从含有大量抑制性(inhibitory)化合物的发酵液中进行产物生产和回收。
背景技术
膜生物反应器(MBR)被认为用于生物技术应用中，用于从复杂的生物质进料中生产和回收所需要的化合物。在这些应用中利用膜生物反应器获得不同的益处，除了别的以外，由膜的高分离效率导致产物回收容易，由于高的细胞浓度、低的能量需求和易于在连续模式下操作使得产物产量高并且生物转化率高。然而，传统的MBR显示出对某些进料流(feed stream)的生物转化的限制。尤其是，处理含有高浓度抑制性化合物或含有多种不同基质(substrate)的进料源是效率低下的。此外，具有高悬浮固体(SS)含量的进料存在问题，因为它们对细胞/培养基(medium)分离造成负面影响。
为了解决上述缺点，使用膜将细胞和/或酶包封在所谓的膜袋或囊内侧。通过细胞包封，在膜袋内侧提供高的局部细胞浓度，其通过合成的半渗透膜保持与主生物反应器培养基分离。该微环境使细胞具有耐受高抑制剂含量的能力，并且还共同利用进料中的通过膜通过扩散到达细胞的不同基质。实验表明，通过膜的细胞包封允许提高生物转化效率。上述包封的细胞应用被称为反向MBR，因为生物反应发生在膜袋内侧而进料在外侧。
从南佛罗里达大学2016年4月21日公开的WO2016/060892中已知一种藻类培养系统，其包括具有可在其中培养藻类的内部空间的被动膜光生物反应器容器和将生长培养基与内部空间分离的多孔膜。生长培养基内含有的水、二氧化碳和营养物可以穿过膜并且进入内部空间，而微生物污染物则不能。提供了经由容器出口和容器入口与内部空间流体连通的再循环系统。再循环系统包括用于从内部空间抽取藻类的泵机构和用于使藻类脱水的脱水机构，使得浓缩的藻类泥可以从系统输出并被收集。然后，再循环系统将剩余的藻类和水泵送回内部空间，用于进一步培养藻类。光生物反应器容器可包括设置在内部空间内的多个横向延伸的挡板，这些挡板迫使藻类培养物通过容器从入口到出口行进蛇形路径。这改善了混合，防止了内部生物淤积，并且潜在地增加了生长培养基和藻类培养物之间的浓度梯度，因为它防止了导致藻类没有足够的时间生长的短路。
发明内容
由于化合物通过膜的交换主要基于扩散，因此希望能够更好地控制通过膜的扩散过程。还希望促进或改善化合物(例如基质、营养物和代谢物产物)通过膜的交换或扩散。
因此，根据本公开内容的多个方面，提供了一种如所附权利要求中所说明的组件。该组件通常可包括或称为膜盒，并且有利地适用于在反向膜生物反应器和/或其它膜接触器应用中使用。
该组件包括壳体和至少一个半渗透膜。壳体包括第一层和与第一层相对置的第二层，其中，第一层和第二层间隔开以限定受限的内部空间。半渗透膜附接到第一层并覆盖第一层的区域部分(称为膜区域部分)。第一层在膜区域部分上是多孔的。半渗透膜形成屏障，从而允许化合物穿过半渗透膜进行交换，例如包括在内部空间中的流体与在膜外侧处的流体之间进行交换。
根据第一方面，组件包括与内部空间流体连通的第一出口端口和第一入口端口。该组件包括用于在第一出口端口和第一入口端口之间(再)循环第一流体的第一装置。第一装置有利地是气体再循环系统，其可包括气泵机构。替代地，它可以包括液体泵，或气泵和液体泵的组合。
根据第二方面，其能够是任选的，或者能够与第一方面组合设置或替代第一方面设置，该组件包括用于沿着半渗透膜的与内部空间相对置的表面(例如在外表面处)循环第二流体的第二装置。第二装置有利地至少部分地集成在组件的壳体中，可能在半渗透膜下方。第二装置有利地是气体鼓泡系统，有利地为半渗透膜的外表面提供粗鼓泡。壳体有利地包括与第二装置流体连通的流体供应端口。第二装置有利地包括流体管道或隔室，该流体管道或隔室包括用于气体鼓泡的通孔，该流体隔室有利地与内部空间竖直对齐并且有利地附接到壳体或集成在壳体中。流体管道有利地通过布置在内部空间和流体管道之间的(气体)不可渗透的分隔壁或屏障与内部空间隔离。流体管道朝向壳体的外侧是多孔的，以提供流体通向半渗透膜的外表面的通路。
在上述类型的组件中组合设置第一方面和第二方面，允许在半渗透膜的两侧处同时更新液体/流体，这极大地改善了通过半渗透膜的扩散，并且允许在与生物技术过程相联合的反向膜生物反应器和/或膜接触器应用中更好地操作控制和更一致地操作这样的组件。这对于化合物从膜的外侧到组件的内部空间的扩散是属实的，并且对于产物从组件的内部空间到外侧的任何扩散也是有利地属实的，在该外侧处可以根据可能已知的技术可以收集/获取产物。此外，由此可以独立控制(外部)进料和(内部)包封的生物质的操作条件。
在单个组件中集成第一方面和第二方面的又一个优点是这降低了生物反应器的总体复杂性和所占空间。
根据本公开内容的其它多个方面，如所附权利要求中所说明的那样，提供了一种用于通过转化第二化合物来回收第一化合物的设备。该设备包括布置在器皿中的至少一个如本文所公开的组件。该设备还包括用于第二化合物的供应装置。第二化合物可以例如以液体进料来提供。用于第二化合物的供应装置可以布置用于在器皿中、在组件的外部处或直接在组件的内部空间中、例如通过合适的供应端口来供应第二化合物。第一生物质(有利地至少部分为液体并且有利地包括能够将第二化合物转化为第一化合物的微生物(例如细胞)和/或酶)布置在至少一个组件的内部空间中。至少一个组件布置在器皿中，并且有利地至少部分地浸没在器皿中所包含的液体中。该设备还包括连接到至少一个组件的流体供应端口的流体供应装置。所述至少一个组件的用于循环第一流体的第一装置和用于循环第二流体的第二装置允许使第二化合物和/或第一化合物与半渗透膜的表面接触。半渗透膜所具有的特征使得它允许第一化合物和/或第二化合物通过合适的传输机制传输穿过膜，所述传输机制例如是但不限于扩散。方便注意到，器皿中所包含的液体可以包括第二生物质，该第二生物质布置在至少一个组件的外部处。有利地，第一生物质或第二生物质或第一生物质和第二生物质无法通过半渗透膜。第二生物质例如能够将第一化合物(例如在将第一化合物从内部空间传输穿过半渗透膜之后)转化为第三化合物。
根据本公开内容的其它方面，如所附权利要求中所说明的那样，提供了如本文中所公开的组件的用途和/或本文中所公开的设备的用途，所述用途为从发酵液中回收化合物。
本文还描述了制造和操作上述类型的组件的方法。
附图说明
现在将参考附图更详细地描述本发明的各个方面，附图是图示性的，并且在附图中相同的附图标记示出相同或相似的特征，其中：
图1表示根据本文中所公开的多个方面的组件的壳体和附接的膜的透视图；
图2表示包括图1的壳体和膜的组件的竖直剖视图；
图3表示根据本文中所公开的多个方面的另一组件的竖直剖视图；
图4表示根据图1的组件的剖面线A-A的剖视图，示出了壳体的可行的内部结构；
图5表示反向膜生物反应器，其中设置有图1和/或图3的多个组件，并且包括用于在生物反应器内使进料鼓泡的空气供应系统；
图6表示根据本文中所公开的多个方面的组件的另一壳体和附接的膜的透视图；
图7表示包括图6的壳体和膜的组件的竖直剖视图；
图8表示根据本文中所公开的多个方面的另一组件的竖直剖视图；
图9表示其中可以使用根据本文中所描述的多个方面的膜组件的生物反应器设施的方案。
具体实施方式
参见图1和图2，组件10(在下文中称为膜组件)的有利的实例包括类似容器的壳体11，壳体11具有置于壳体11的前外层111和后外层112之间的内部空间110。前外层111和后外层112有利地是平面并且形成沿着层111和112的边缘关闭的壳体11的外壳。
半渗透膜12附接到前层111，有利地在层111的外表面上。另一个半渗透膜可附接到后层112(未示出)，以便有利地相对于壳体11的平行于层111和112的竖直(中间)平面形成对称盒。半渗透膜12覆盖前层111的称为膜区域部分的区域部分。前层111的其它区域部分(例如在边缘处的区域部分)可以不被半渗透膜12所覆盖。
壳体11的外壳，并且尤其前层111和后层112有利地由不可渗透的或无孔的材料制成。合适的材料是热塑性材料，例如聚氯乙烯(PVC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)等。层111的材料的不可渗透性可以根据0.1巴压力差、或许1巴液体压力差下、或许5巴压力差下的水进行评估。层111的材料的无孔性(non-porosity)指的是不存在提供从层111的一个表面到相对置表面的流体路径的互相连接的孔。在前层111、及可能还有后层112的称为膜区域部分的区域部分中，相应的前层111或后层112是多孔的，例如，通过使层111的不可渗透材料穿孔有通过开口113。
通过开口113在内部空间110和半渗透膜12之间提供流体路径，使得化合物(compound)可以通过膜12扩散并在盒10的内部空间110和外部之间交换。在这方面，半渗透膜12用作控制哪些化合物将扩散并且哪些化合物将保留在膜12的任一侧处的屏障。
如本说明书中所提及的半渗透膜(简称膜)指的是固态的、连续且有利地多孔的材料的层或板，其具有允许一种或多种化合物选择性地通过膜传输的结构/组成(composition)，并且因此能够从进料分离一种或多种化合物，所述进料可以是液态的或气态的。因此，膜的特征是对于一种或多种化合物的确定的可渗透性。选择渗透性可以通过任何种类的分离机制来确定，所述分离机制例如是但不限于下述中的一种或它们的组合：膜的特征化孔径(例如微孔膜或纳米孔膜)、特定电荷类型的特征化吸引力(例如离子交换膜)、选择性吸附和溶液扩散特性。膜有利地具有在0.001μ.与10μ0之间的特征化孔径。
本说明书中提及的膜有利地配置用于通过下述中的一种或多种交换或扩散化合物：膜生物反应器、反向膜生物反应器、酶反应器、膜接触器、原位产物回收(in-situproduct recovery)、共培养(coculture)生物转化过程。膜可以是非常开放的膜，如微滤、超滤、膜蒸馏，但也可以是致密膜，如纳米过滤、反渗透、渗透蒸发或离子交换膜。
组件10有利地旨在用于反向膜生物反应器应用中。参考图5，包括微生物和/或酶的生物质被布置到盒10的内部空间中，在该内部空间中，这些微生物和/或酶保持被包封。将盒10浸入生物反应器器皿62中，所述生物反应器器皿62包括与膜12接触的基质(substrate)或进料620。膜12允许用于微生物和/或酶的进料化合物从周围基质620转移至内部空间110，在该内部空间中，进料化合物将被微生物和/或酶所使用以便产生所希望的产物。可以允许所希望的产物通过膜12转移到盒10周围的进料620中，或者从盒中直接获取。
方便注意到，在本说明书中构思出其它配置。举例来说，生物质可以布置在组件10的外部处，并且诸如营养物的进料化合物可以通过膜从内部空间掺入(dose)到外部。替代地，不同种类的生物质(称为共培养物)可以布置在膜的相对侧处(一个在内部空间中，另一个在外部处)。
本说明书中所称的生物质可包括下述或由下述构成：细菌、酵母、真菌、野生型或(基因)改良的菌株、单一培养物、共培养物或混合培养物。生物质可包括酶或由酶构成，所述酶例如是固定化酶、游离酶、CLEA-交联酶聚集体、修饰酶(modified enzyme)、单纯酶或酶组合。
如上所述，这种细胞包封(cell encapsulation)的技术在具有含相对高浓度抑制性化合物的复杂进料的生物技术应用中特别有利。在这些应用中，化合物通过半渗透膜12的转移主要是扩散控制的。有利地，保持穿过膜12时无实际的压力差，这将反向膜生物反应器应用与传统的膜生物反应器应用区分开。
方便注意到，即使理论上希望穿过膜时无压力差，但由于技术原因、诸如由于组件10的结构或构造，可能无法避免轻微的压力差。在操作中，穿过膜12时的这种压力差有利地不超过1巴、有利地不超过0.5巴、有利地不超过0.3巴、有利地不超过0.15巴、有利地不超过0.08巴。
通过更新存在于膜12的一侧或两侧处的化合物，可以改善化合物通过膜12的扩散。为此，并且参考图2，提供了用于在内部空间110内再循环流体(包括生物质的液体)的再循环系统20。壳体11包括与内部空间110流体连通并且连接到再循环系统20的出口端口101和入口端口102。再循环系统20可包括与壳体11的出口端口101和入口端口102通过合适的管道系统22流体连通的泵机构21。泵机构21运行以保持从出口端口101到入口端口102的流体流动。
每个组件10可以包括其适当的再循环系统20，该再循环系统20可以集成在壳体11内。替代地，再循环系统20在多个壳体之间可以是共有的。在后一种情况下，管道系统22包括分别连接多个壳体11的出口端口101和入口端口102的收集和分配歧管(未示出)以及歧管之间的单个泵机构21。
泵机构21可以是液体泵，以便将包含在内部空间110内的液体从出口端口101泵送到入口端口102。在这种情况下，微生物和/或酶可以流动通过泵机构21。
壳体11有利地包括在内部空间110内横向延伸的挡板114，所述挡板114迫使存在于内部空间内的液体(生物质)通过内部空间从入口端口102到出口端口101行进蛇形路径。挡板114有利地在前层111和后层112之间延伸。挡板114可以在任何合适的方向上(诸如如图2中所示的水平方向，或者倾斜或竖直方向)横向延伸通过内部空间110。
替代地，参考图3，示出了包括再循环系统40的组件30。再循环系统40与图2的再循环系统20的不同之处在于，泵机构41被配置为气泵机构，以便将气体通过入口端口102泵送到内部空间110中。该气体在出口端口101处被收集并再循环。作为与组件10的进一步的不同，组件30可包括气体管道315，该气体管道315与入口端口102流体连通，并且通过喷嘴316与内部空间110连通，喷嘴316构造成用于将通过再循环系统40泵送的气体以气泡的形式喷射到内部空间110中。气泡设置用于使内部空间110内存在的液体(生物质)粗鼓泡(coarsebubbling)。在这种情况下，挡板114有利地定向成允许气泡向上流动，随后这些气泡被收集在气体收集器317中，该气体收集器317设置在壳体31顶端处并与出口端口101流体连通。挡板可以竖直或倾斜地定向。被携带以与气泡一起在向上流动隔室318中向上流动的液体(生物质)通过提供一个或多个向下流动隔室319而在内部空间110中再循环，所述向下流动隔室319可通过挡板114与隔室318分离。结果，使气体通过再循环系统40再循环还允许使包含在内部空间110中的液体(生物质)再循环，另外可迫使这些液体(生物质)在内部空间110中行进蛇形路径。
再循环的气体有利地是内部空间110的生物质中的微生物和/或酶的副产物。在好氧过程/发酵的情况下，气体可以是空气、氧气、氢气、二氧化碳或其组合。在厌氧过程/发酵的情况下，气体可以是甲烷、二氧化碳、氢气、氮气或其组合。可以在再循环系统40中设置通气口43，用于排出/收集任何多余的气体。方便注意到，由内部空间110内的生物质产生的任何气体通常将不能穿透膜12，因为内部空间处的压力通常低于膜12的起泡点压力(bubblepoint pressure)。
再循环系统40相对于再循环系统20的一个优点是，与再循环系统20相比，包封在内部空间110内的有用微生物和/或酶经历低得多的剪切(因为它们不需要穿过泵机构)，同时在膜12的内表面处保持高液体更新率。另一个优点是气体鼓泡可以在膜的内表面处提供洗擦效果，从而保持表面清洁。又一个优点是，与液体再循环系统20相比，气体再循环系统40的操作成本通常较低。
再循环系统20和40都允许使包含在内部空间110内的液体(生物质)再循环，并且因此更新与膜12的内侧接触的液体。这防止在内侧处形成生物膜，并且改善了化合物通过膜12的扩散交换。
为了避免内部空间110中的任何停滞区域，层111和可能的层112有利地由致密或无孔的热塑性聚合物板制成，热塑性聚合物板允许内部空间110具有光滑壁。提供壳体11和31的有利方式是通过使用所谓的多壁板材或面板。用于壳体的合适结构例如是双壁聚碳酸酯板或多壁聚碳酸酯板，例如
Figure GDA0002368953370000071
多UV板(德国拜耳)。图4中展示了示出上述类型的双壁板的壳体11或31的剖视图。双壁板50包括相对置的外层51和52，外层51和52间隔开并通过连续的腹板构件53连接。腹板构件53间隔开以在外层51和52之间以及连续的腹板构件53之间限定通道54。很容易看出，面板50有利地用在组件10和30中，其中外层51和52形成前层111和后层112并且腹板构件53形成挡板114，外层51和52可以穿孔以提供通孔113。其它合适的示例是EP 1543945中描述的
Figure GDA0002368953370000072
聚碳酸酯面板(瑞士Politec PolimeriTecnici SA)和聚丙烯KIBO X-面板以及KIBO M-面板(德国KIBO Kunststoffe GmbH)。层压面板，诸如通过将两个板层压到双侧肋板上制成的三层板，或者诸如双层板(两个层压的肋板)也是合适的。如图1中所示，合适的歧管状边缘盖14、15可以附接到面板50的边缘以获得组件10和30。流体端口101、102、103可以容易地集成到边缘盖14、15中。替代地，层111和112可以有利地由热塑性聚合物板形成，所述热塑性聚合物板包括限定内部空间110和如下所描述的任何额外的流体隔室的凸起。层111和层112沿着凸起的边缘结合以密封隔室。在2017年6月2日提交的PCT申请号PCT/EP2017/063544中描述了这些壳体。前层111和后层112之间的距离(即内部空间110的厚度)有利地在3mm和20mm之间、有利地为至少5mm。
再次参见图1-3，膜组件10和30有利地包括用于在膜12的外侧处携带液体基质流或进料流的装置，该装置有利地集成到组件中。为此，壳体11、31包括与内部空间110隔离或分离的管道系统13。管道系统13包括设置有通孔132的流体隔室131，用于在膜12的外侧处产生空气或另一种合适气体的粗鼓泡。通孔132有利地设置成贯穿前外层111和/或后外层112，而流体隔室131有利地布置在外层111和112之间。通孔132有利地不被膜层12覆盖，并且通孔132直接通向膜12的外侧。流体隔室131有利地布置在内部空间110的底部边缘115处。举例来说，流体隔室131可以具有平行于内部空间的底部边缘115和/或平行于外层111和112中的任何一个的纵向轴线。流体隔室131有利地与内部空间110竖直对齐。供应管道133可以将空气或另一种合适的气体从供应端口103供给到流体隔室131。
出口端口101和入口端口102以及供应端口103有利地布置在壳体11/内部空间110的顶部边缘116处。在这种情况下，供应管道133可以沿着内部空间的两个对置的侧部边缘117和118中的一个或两个延伸，并且可以通过无孔壁119与两个对置的侧部边缘117和118中的一个或两个分离。
如图5中所示，在操作中，供应端口103可以连接到生物反应器60的空气或气体供应系统61，其可以在安装有多个膜组件10或30的生物反应器器皿62内再循环空气或气体或可以不在安装有多个膜组件10或30的生物反应器器皿62内再循环空气或气体。方便注意到，膜组件10、30可以以任何合适的取向布置在生物反应器60中，该取向可以偏离竖直放置。气体供应系统与孔132流体连通，这些孔132设置用于使器皿62内的再循环气体形成气体鼓泡。挡板621可布置在器皿62内，以将气泡600和进料620向上流动的通道622与进料620的向下流动的通道623(也称为下导管)分开。
内部再循环系统和外部(再)循环系统结合设置到膜组件，允许在半渗透膜12的两侧处同时更新液体，这极大地改善了通过膜的扩散，并且允许更好地控制这样的膜组件以及更均衡地操作这样的膜组件。这例如对于化合物从膜的外侧向组件的内部空间的扩散而言是属实的，并且对于产物从组件的内部空间到外侧的任何扩散而言也有利地是属实的，在所述外侧可以根据可能已知的技术收集产物。此外，独立控制外侧(进料部件)和内侧(包封的生物质)的操作条件变为可行。
将管道系统13、尤其通气孔132集成到膜组件的壳体11中的另一个优点是可以获得液态基质或进料在每个膜12的外部上更均匀的更新。这对于包括堆叠的大量膜组件的生物反应器以及允许为堆叠中的所有组件提供一致的操作特别有用。
又一个优点是管道系统13可以成本有效地集成到本文所描述的膜组件中，从而允许降低生物反应器的总体复杂性和所占空间。
在制造膜组件之后，可以将包括微生物和/或酶的生物质填充到组件中，并将组件安装在生物反应器中。液体(例如用于包封在组件内部空间中的生物质的进料)被供应到生物反应器。膜组件至少部分地浸没在液体中。然后，营养物和其它有用的化合物可以从液体穿过膜进入膜组件的内部空间中，在那里它们被微生物和/或酶所使用或转化以产生所期望的产物。这些化合物中的任何化合物通过膜的扩散(从外部到内部空间，或从内部空间到外部，或两者)通常依赖于浓度梯度。更高的浓度梯度产生化合物通过膜的更高流量。根据本文提出的多个方面的内部空间内的生物质的再循环和膜的外部处的液体的再循环，有利地允许保持更高的浓度梯度并因此保持更高的流量。在这样的应用中，可以认为膜12是接触器。
膜12有利地在分布在膜区域部分上的大量部位处附接到前层111。在这种情况下，前层111用作膜支撑体。实现附接的一种可行性是根据已知技术在层111上施加膜形成溶液并使该溶液凝结或固化。
本说明书中所称的膜可以通过使聚合物溶液经历相分离过程而获得。相分离、也称为相转化，是一种引起聚合物和溶剂之间分层的众所周知的方法。作为分层的结果，聚合物沉淀，从而形成具有期望结构(孔径、孔结构等)的膜格状结构(membrane lattice)。可以执行进一步的方法步骤，以便于完全去除溶剂(例如，清洗)并获得最终的孔结构(例如，去除成孔剂)。可以基于若干技术实现分层。一种可行性是热诱导相分离(TIPS)，其中通过在聚合物溶液界面处的温度变化来引起分层。另一种可行性是在聚合物溶液中引起化学反应，从而产生分层。这被称为反应诱导相分离(RIPS)。然而，在绝大多数情况下，通过相扩散引起分层。聚合物溶液与是液体(液体诱导相分离或LIPS)或气体(蒸气，称为蒸气诱导相分离或VIPS)的另一相接触，所述另一相不是聚合物的溶剂但是其可与聚合物溶液的溶剂混溶。液体或蒸气将扩散通过聚合物溶液并引起聚合物溶液组合物发生局部变化，从而引起分层。结果，聚合物从溶液中沉淀出来。LIPS也称为浸没沉淀。方便注意到，可以应用任何相分离过程来制备如本文所描述的膜。
所述膜包括有利的热塑性高分子化合物(polymer compound)或由其构成，该高分子化合物在下文中称为第一高分子化合物。第一高分子化合物是用于制备膜形成溶液的主要的、特征化的或首要的聚合化合物，例如，以最大量存在于膜形成溶液中的高分子化合物。第一高分子化合物可以是聚砜(PSU)、聚醚砜(PESU)、它们的接枝变体(graftedvariant)或任何一种聚合物的共聚物。第一高分子化合物可以是聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氯乙烯(PVDC)、它们的接枝变体或任何一种聚合物的共聚物。第一高分子化合物可以是聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、它们的接枝变体或任何一种聚合物的共聚物。第一高分子化合物可以是聚芳醚酮(PAEK)族的聚合物(例如聚醚醚酮(PEEK))，这些聚合物中的任何聚合物的接枝变体(例如磺化聚醚醚酮(PEEK-WC))或这些聚合物中的任何一种的共聚物。第一高分子化合物可以是聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺(PI)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚丙烯腈(PAN)、聚氨酯(PUR)(尤其是热塑性聚氨酯)、这些聚合物中的任何聚合物的接枝变体或这些聚合物中的任何一种的共聚物。第一高分子化合物可以是聚苯硫醚(PPS)、醋酸纤维素(CA)、三乙酸纤维素(CTA)、这些聚合物中的任何聚合物的接枝变体或这些聚合物中的任何一种的共聚物。如上所述的共聚物可以是上述聚合物与聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、氰基丙烯酸酯、三乙酸纤维素、聚苯硫醚、聚苯乙烯(PS)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙酸乙烯酯(PVAc)和聚酰胺(例如聚己内酰胺(尼龙6)和尼龙-6,6)中的任何一种的合适的共聚物。第一高分子化合物可以是上述列出聚合物中的两种或更多种的合适的混合物。
(干)(最终)膜中的第一高分子化合物的量可以为按重量计至少5％，直到按重量计至少50％。第一高分子化合物可以是形成膜的基质或格状结构的有机粘合剂，在该有机粘合剂中任选地分散有可能亲水的填充材料。填充材料可以是有机的并且有利地是下述的一种或组合：羟丙基纤维素(HPC)、羧甲基纤维素(CMC)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、交联聚乙烯吡咯烷酮(PVPP)、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚环氧乙烷(PEO)、聚乙二醇(PEG)和甘油。这些填充材料可以作为成孔剂提供，并且可以在后处理步骤中去除，例如通过在漂白溶液(例如针对PVP)中清洗来去除。保留在最终膜层中的其它填充材料可以是胺，例如但不限于下述中的一种或组合：单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、聚乙烯亚胺(PEI)、氨丙基-三甲氧基硅烷和聚乙烯亚胺-三甲氧基硅烷。填充材料可以是含酰胺或胺的聚合物，例如但不限于下述中的一种或组合：聚酰胺(PA)、聚氨酯(PUR)、聚乙烯胺(PVAm)和三聚氰胺。填充材料可以是无机的，例如下述中的一种或组合：TiO2、HfO2、Al2O3、ZrO2、Zr3(PO4)4、Y2O3、SiO2、碳(可能在Pt、Ru或Rh支撑体上)、BaSO4、BaTiO3、钙钛矿氧化物粉末材料、沸石、金属有机骨架(MOF)和碳化硅。可以使用填料材料的功能化变体(例如胺化、磺化、丙烯酸化)。可以使用上述有机材料和无机材料的组合以及填充材料。
通孔113的尺寸没有具体限制，而且合适的尺寸取决于应用。通孔有利地具有小于或等于5mm、有利地小于或等于2mm、有利地小于或等于1.5mm、有利地小于或等于1.2mm、有利地小于或等于1.0mm的尺寸。当孔太大时，光滑的涂层会有问题。通孔可以具有至少5μm、有利地至少10μm、有利地至少25μm、有利地至少50μm、有利地至少100μm的尺寸。
通孔可以设置成使得层111的膜区域部分具有有利地至少2％、有利地至少5％、有利地至少10％、有利地至少15％、有利地至少20％、有利地至少25％、有利地至少30％、有利地至少35％的开口面积(由于通孔的孔隙率)。开口面积为有利地至多85％、有利地至多70％、有利地至多60％、有利地至多55％、有利地至多50％。开口面积指的是层的每单位总面积(包括通孔)的通孔的面积，以百分比值表示。在定义层的总面积时，忽略任何非多孔的边缘区域。开口面积一方面有利地不应过低而不能提供通过该层的足够的流通能力，但另一方面也不应过高，以避免损害的壳体的刚度。方便地注意到，开口面积的补体(complement)(即100％-开口面积)指的是膜与其支撑体之间的分界面，这是可用于将膜层粘合到板上的区域。因此，同样就这一点而言，开口面积也不应过大。
对通孔113的横截面形状没有限制，即通孔可以是圆形、正方形、多边形、星形或狭缝形的孔或具有任何其它合适形状的孔。
再次参见图4，半渗透膜12可以由膜形成溶液直接在层111上制成。膜形成溶液可以穿过通孔113，以在层111的内侧处形成塞子55，从而产生如2013年8月8日的WO2013/113928中所描述的机械固定点。此外或者替代地，膜12可以通过分子缠结粘合到层111的外表面。这种类型的粘合(也称为溶剂粘合并且在2015年9月24日的WO2015/140355中进一步描述)可以通过在由热塑性聚合物制成的层111上直接施加膜形成溶液来获得，其中溶液的溶剂能够软化或至少部分地溶解层111的聚合物，从而使得溶液中的膜聚合物分子和层111的聚合物的分子在界面处相互作用。通过来自如上所描述的溶液的聚合物的沉淀使分子缠结成为永久性的。方便地注意到，任何其它合适的粘合技术(例如超声波焊接)可以替代地用于将半渗透膜层附接到支撑体上。
参考图6，示出了膜组件70的替代实例，其与组件10的不同之处仅在于组件70还包括排放端口704。如图7中所示，排放端口704与内部空间110流体连通，并且在维护操作的情况下可用来排出内部空间110的内容物，并且/或者用来从内部空间去除多余的生物质。仍然参考图7，膜组件70可以联接到再循环系统80，用于使内部空间110内的流体再循环。再循环系统80与再循环系统20的不同之处仅在于，再循环系统80包括与管道系统22流体连通的出口端口24。阀241(例如安全阀)或任何其它合适的阀系统(例如动力阀)有利地布置在出口端口24处，从该出口端口24能够获取(或排空)可以是液体的产物。另外或替代地，出口端口23可以设置成与管道系统22流体连通并且联接到阀231，用于从内部空间获取(或排空)气态产物。由图7中的空白点706表示的这种气态产物可以由内部空间110内的生物质产生。除了由系统80再循环通过内部空间110的液体颗粒的横流剪切所提供的清洁之外，这些气泡可以在膜12的内侧处提供额外的清洁。
方便注意到，并非所有气泡706都可以通过端口23排空，并且一些气泡706可能与例如(液体)种菌(inoculum)颗粒(由黑点705表示)一起通过液体泵21带走。
如图7中进一步所示，再循环系统80可以远离膜组件70布置。气体供应系统61有利地连接到供应端口103，用于将气体供应到供应管道133。
现在参照图8，示出了组件90的替代实例，其与组件30的不同之处在于组件90还包括与内部空间110流体连通的排放端口904。再循环系统40连接到组件90的入口端口102和出口端口101并且与内部空间110连通。通气口43可用于获取或排空气体产物，而排放端口904可用于获取或排空液体产物。替代地，额外的端口(未示出)可以设置用于获取这些产物。气体供应系统61有利地连接到供应端口103，用于将气体供应到管道系统13。
参考图9，可以在生物反应器系统900中使用本文中所描述的任何膜组件10、30、70、90。多个这些膜组件布置在生物反应器器皿910中，该器皿910可以是开口器皿或由盖子917封闭，例如以便于确保在无菌条件下操作。在操作中，组件、例如组件90的内部空间可以填充有生物质，该生物质包括由黑点705表示的第一种菌，并且经由再循环系统40(或者根据情况可以是上文描述的系统20)再循环通过内部空间。用于获取气态产物的出口管912可以与内部空间110流体连通，例如通过再循环系统40与内部空间110流体连通。出口管912可以包括可致动(动力)阀913或安全阀914或两者。
气体供应系统61有利地使气体(由空白点706表示)在生物反应器器皿910和组件90的管道系统13之间再循环。这在膜12的外表面处提供了基质、进料的清洁和/或更新，并且/或者提供了第二种菌的清洁和/或更新。液体产物可以直接从内部空间110通过出口端口915获取，或者从生物反应器器皿910、在组件90的外侧处通过出口端口916获取，或者通过端口915和916两者获取。端口915可以用作排放端口并且/或者用于去除多余的生物质。
任选地，生物反应器系统900可以包括缓冲罐920，可以在该缓冲罐920中缓冲基质或进料，并且缓冲罐920通过供应管911与生物反应器器皿910连通。管921可以提供基质或进料的入流到缓冲罐920。
尽管上文已经描述了具有大致矩形形状的膜组件，但方便注意到，本文描述的多个方面不限于这些形状。举例来说，也可以考虑盘状组件。
作为非限制性实例，如本文所描述的膜组件的可行应用是：
-含有高浓度抑制性化合物的复合进料的发酵；
-含有各种糖源的进料的发酵(二次生长)；
-具有高悬浮固体含量的进料的发酵；
-具有代谢物交换的二合一发酵(在1个生物反应器中具有至少2种微生物的生物转化)(例如抗生素、营养物等的生产，或具有共生效应或拮抗效应的其它产物的生产)；
-受控的共培养物发酵；
-无进料灭菌的连续无菌发酵；
-未经灭菌的混合培养物发酵。
一种可行的应用是从第二代给料生产生物燃料，例如乙醇。

Claims (17)

1.一种组件(10，30)，所述组件包括：
壳体(11，31)，所述壳体包括第一层(111)和与所述第一层相对置的第二层(112)，其中，所述第一层和所述第二层间隔开，以在所述第一层和第二层之间限定受限的内部空间(110)，
半渗透膜(12)，所述半渗透膜附接到第一层，所述半渗透膜覆盖所述第一层的多孔的膜区域部分，
出口端口(101)和入口端口(102)，所述出口端口和入口端口与所述内部空间流体连通，
第一装置(20，40)，所述第一装置用于在所述出口端口和所述入口端口之间循环第一流体，和
第二装置，所述第二装置用于沿着所述半渗透膜的外表面循环第二流体，其中，所述第二装置包括附接到所述壳体或集成在所述壳体内的流体管道(13)，
其中，所述半渗透膜形成在所述受限的内部空间与所述半渗透膜的外表面之间的允许化合物穿过所述半渗透膜进行交换的屏障，
其特征在于，所述流体管道与所述内部空间隔离，并且是多孔的以提供流体通向所述半渗透膜的所述外表面的通路。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第二装置是气体鼓泡系统，所述气体鼓泡系统构造成沿着所述半渗透膜的外表面供应气泡，从而沿所述外表面携带第二流体流。
3.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述流体管道(13)设置有通孔(132)，用于在所述外表面处产生粗气体鼓泡。
4.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述流体管道(13)包括沿着所述内部空间的底部边缘(115)延伸的多孔的第一部分(131)，所述第一部分与所述内部空间竖直对齐。
5.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述内部空间被限定在顶部边缘(116)、底部边缘(115)和对置的侧部边缘(117，118)之间，其中，所述流体管道还包括沿着所述对置的侧部边缘中的一个侧部边缘(117)延伸并与第一部分流体连通的第二部分(133)。
6.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述壳体还包括与所述第二装置流体连通的流体供应端口(103)。
7.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述第一层和所述第二层是平面的。
8.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述第一层和所述第二层是无孔热塑性聚合物板，其中，所述无孔热塑性聚合物板包括穿过所述膜区域部分的通孔(113)。
9.根据权利要求1或2所述的组件，所述组件包括布置在所述内部空间中的挡板(114)，以提供流体通过所述内部空间的蛇形流动路径。
10.根据权利要求1或2所述的组件，其中，所述第一装置是气体再循环系统(40)。
11.根据权利要求10所述的组件，其中，所述第一装置是气体鼓泡系统(40)，所述气体鼓泡系统构造成用于在所述内部空间中供应作为所述第一流体的气泡。
12.根据权利要求1或2所述的组件，所述组件包括附接到所述第二层的第二半渗透膜，所述第二半渗透膜覆盖所述第二层的多孔的膜区域部分。
13.一种用于通过转化第二化合物来回收第一化合物的设备(60)，所述设备包括：
器皿(62)，
布置在所述器皿(62)中的至少一个组件(10，30)，所述组件是根据前述权利要求中任一项所述的组件，
用于所述第二化合物的供应装置，
生物质，所述生物质布置在所述至少一个组件的内部空间(110)中，其中，所述生物质能够将所述第二化合物转化为所述第一化合物，以及
流体供应装置，所述流体供应装置连接到所述至少一个组件的流体管道的流体供应端口(103)。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，用于所述第二化合物的所述供应装置被布置成在所述至少一个组件的外侧供应所述第二化合物，其中，所述半渗透膜允许所述第二化合物被传送通过所述半渗透膜。
15.根据权利要求13或14所述的设备，所述设备包括多个根据权利要求1至12中任一项所述的组件(10，30)，其中，多个所述组件中的每一个包括单独的第一装置。
16.根据权利要求13或14所述的设备，所述设备为反向膜生物反应器。
17.根据权利要求1至12中任一项所述的组件或根据权利要求13至16中任一项所述的设备的用途，所述用途为从发酵液中回收化合物。
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