用于电穿孔的反应器系统 |
|||||||
| 申请号 | CN201080058707.8 | 申请日 | 2010-12-22 | 公开(公告)号 | CN102665453A | 公开(公告)日 | 2012-09-12 |
| 申请人 | 曼海姆/奥克森福特旭德楚克股份公司; | 发明人 | 约亨·阿诺尔德; 马丁·斯克; 格哈特·施密特; 迪尔克·埃佩尔莱因; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种反应器系统，包含：反应室，具有长度和宽度，籍此所述反应室沿其长度容纳中心部；第一脉冲发生器，两个 电极 A1和A2连接至所述的第一脉冲发生器，籍此所述电极A1和A2位于所述反应室中的中心部，并且当在所述长度方向测量时，使得所述电极A1和A2至少相距等于所述反应室的宽度的一半的距离；第二脉冲发生器，两个电极B1和B2连接至所述第二脉冲发生器，籍此所述电极B1和B2位于所述反应室中的中心部，并且当在所述长度方向测量时，使得所述电极B1和B2至少相距等于所述反应室的宽度的一半的距离。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种反应器系统，包括： |
||||||
| 说明书全文 | 用于电穿孔的反应器系统技术领域背景技术[0003] 通过使用一个以上的Marx发生器，该已知的反应器系统适于进行大批量的处理，但是其缺点是：可观的脉冲电流在材料流动方向可能流出反应室，例如，在使用电压与地面不对称的情况中。因此，出于安全考虑而需要额外的地电极。此外，由于具有在细胞材料电穿孔所需阈值之下的非常低的电场区域，因此减小了系统的效率。 发明内容[0004] 本发明的目的是减少或甚至消除所述缺点。 [0005] 反应器系统达成了此目的，该反应器系统包括： [0006] ●反应室，具有长度和宽度，籍此所述反应室沿其长度容纳有中心部； [0007] ●第一脉冲发生器，两个电极A1和A2连接至所述第一脉冲发生器，籍此所述电极A1和A2位于所述反应室中的中心部，并且当在所述长度方向测量时，使得所述电极A1和A2至少相距等于所述反应室的宽度的一半的距离； [0008] ●第二脉冲发生器，两个电极B1和B2连接至所述第二脉冲发生器，籍此所述电极B1和B2位于所述反应室中的中心部，并且当在所述长度方向测量时，使得所述电极B1和B2至少相距等于所述反应室的宽度的一半的距离。 [0009] 根据本发明的反应器系统的一个优点是：通过在材料流的方向上结合分离电极的方法与电场方向，从而可以省略额外的地电极。 [0010] 根据本发明的反应器系统的又一个优点是：可以减少电场强度不足以适于电穿孔的区域，特别是在中心部的区域。 [0011] 根据本发明的反应器系统的另一个优点是：该反应器系统也适于大规模反应器，而并非不得不采用单个足够强大的脉冲发生器。 [0012] 根据本发明的反应器系统的又一个优点是：通过增加反应室的宽度可以将该反应器系统制造成适于加工高质量流，因此极大地或甚至彻底地避免了增加通过反应器系统输送的材料的速度的必要。众所周知，速度增加容易导致以下问题：诸如，反应器系统磨损、压力损失或不需要的压力作用于通过反应器系统输送的材料。 [0013] WO-A-9814074公开了一种用于消毒并保存可泵送的食物产品的脉冲电场处理装置，该脉冲电场处理装置具有至少两个电极以及绝缘体。每个电极均包括电极流室（electrode flow chamber）。绝缘体位于电极之间。高电压脉冲发生器施加各种电压、频率和脉冲持续时间的高电压脉冲到电极上。 [0014] US-A-2008279995公开了通过电穿孔产自红葡萄和/或白葡萄的未发酵葡萄汁而从酿酒葡萄提取有用物质的方法。在压力施加于未发酵葡萄汁产品之前，未发酵葡萄汁通过装置或装置的一部分泵送或者流通，并且在该装置内施加脉冲电场以不可逆转地破坏葡萄外皮的生物细胞壁。用于执行电穿孔未发酵葡萄汁的装置包括非导电管和未发酵葡萄汁的流管，在流管的壁面内布置两个互相间隔的电极以在电极之间形成脉冲电场。在流动体积中，该装置显示出强烈的不均匀的电场分布。 [0015] 本发明涉及一种适于电穿孔细胞例如植物细胞的反应器系统。在此使用的反应器系统的概念是指不仅包含用于进行电穿孔工艺的反应室，而且包括在反应室中进行所述电穿孔工艺所必需的所有设备，诸如脉冲发生器。 [0016] 这里的意思是，在反应室中进行的电穿孔具有不可逆转地破坏反应室中存在的细胞的目的。因此，电穿孔的功率应当比已知的电穿孔工艺的功率大，已知的电穿孔工艺仅仅旨在临时增加细胞膜的穿透力而不是不可逆转地破坏细胞，工艺还指电通透作用。 [0017] 众所周知，在电穿孔过程中，在两电极上施加电压，导致这些电极之间产生电场，藉此产品（即，待电穿孔的产品）位于电极之间。所施加的电场在细胞膜上引起电位；这导致细胞膜上形成孔以破坏细胞膜，或，在电场足够强的情况下破坏细胞膜。在本发明的反应器系统中执行的工艺中，这种破坏效果是满足需要的，因为这可以使细胞中释放有价值的化合物，其中的一个实例是甜菜细胞中释放蔗糖（食糖）。 [0018] 本发明的反应器系统包括反应室，该反应室用于进行电穿孔操作。通常对于反应室而言，本发明的反应器系统中的反应室具有长度和宽度作为重要尺寸，藉此长度和宽度两者在此表示反映内部尺寸的意思，即，不包括建造反应室的材料的尺寸。 [0019] 长度和宽度的概念在这里具有本领域技术人员所理解的、其自身通常具有意思。例如，在反应室为圆筒（或近似）的形式中，那么长度就理解为沿着圆筒的中心轴线测量的覆盖圆筒的端部之间的内部距离，并且宽度理解为圆筒的内部环形截面的直径。在另一个实施例中，如果反应室为矩形管（或近似），那么长度就理解为管的端部之间的内部距离，并且宽度就理解为管的矩形截面的侧边所限定的两个内部尺寸中的较小尺寸。截面的在此具有其通常意义：三维空间中具有平面的物体的截断或切片。 [0020] 反应室应当优选地由本质上是电绝缘体的材料制成。这具有的优点是：电极可以位于并且固定于反应室内，而不需要另外的绝缘措施，以下将说明其更多细节。 [0021] 本发明的反应器系统的优点是：该反应器系统可以实施为商用工业规模，藉此可以电穿孔相当大体积的产品。特别地，本发明的反应器系统能够使反应室的构造具有大宽度。本发明的实施例中的所述平均宽度可以在0.05m和2.00m之间变化。优选地，反应室的平均宽度为至少0.10m、0.15m、0.20m、0.25m或0.30m；并且反应室的平均宽度最多优选为2.00m、1.50m、1.40m、1.30m、1.20m、1.10m、1.00m、0.90m、0.80m或0.75m。 [0022] 反应室的长度可以在宽的范围内变化，在一个实施例中，长度位于0.75m和5.0m之间，较优选地在0.80m、0.90m、1.00m、1.10m、1.20m、1.30m、1.40m、1.50m或2.00m，与4.5m、4.0m、3.5m或3.0m之间。反应室的长度优选地至少等于反应室的宽度，较优选地，反应室的长度是反应室宽度的至少1.5倍、2.0倍、2.5倍、3.0倍、3.5倍、4.0倍、4.5倍、5.0倍、5.5倍、6.0倍、6.5倍、7.0倍、7.5倍、8.0倍、8.5倍、9.0倍、9.5倍或甚至至少10倍。 随着长比宽比的增大，维持大体上均匀的电场变得更容易实施。 [0023] 尽管本发明的优点是不止一个脉冲发生器必须承载所有负荷，然而可以预见在本发明的某些主要的优选实施例中，较大级别的脉冲发生器必须每个都单独地能够供应至少10kW、20kW、50kW、100kW或200kW的平均功率，以便达到所需的电穿孔的效果。例如，可以估计制糖厂中每天电穿孔总量为15,000吨甜菜可能需要约400kW至700kW或更多的装机容量。鉴于脉冲发生器的尺寸和功率中的技术限制和商用限制，本发明的反应器系统可以在这种工厂中顺利地实施，藉此优选地使用两个、四个或甚至六个或八个脉冲发生器。 [0024] 根据本发明的反应器系统中的反应室具有沿着其长度的中心部。中心部在这里的意思是具有截面的反应室的一部分，并且反应室的长度的至少一部分作为定义尺寸。在一个优选实施例中，中心部覆盖整个反应室（并且因此和反应室完全相同）。在另一个优选实施例中，然而，中心部没有含盖整个反应室，在此实施例中，反应室的一端或两端处的部分（在长度尺寸中可以看出）并不是中心部的部分。中心部的体积总共优选地在相对于反应室的体积的30、40或50与95、90、80或70体积%之间。中心部的平均宽度应当在以上给出的反应室的平均宽度的范围内。 [0025] 本发明的反应器系统包括两个脉冲发生器：第一脉冲发生器和第二脉冲发生器。脉冲发生器在这里的意思是能够产生高压电脉冲到电极的装置，电极连接在脉冲发生器上。这种装置已经已知。这种装置的一个实例是Marx发生器。反应器系统可以包括第三脉冲发生器，或甚至一个或多个另外的脉冲发生器。优选使用偶数个脉冲发生器，在一个优选实施例中，使用了4个脉冲发生器，优选为Marx发生器。 [0026] 当两个或多个脉冲发生器连接到单对电极上时，就形成了发生器的平行构造，在一个发生器相对于其他发生器存在短时间延时的情况下，可能发生脉冲发生器之间的震荡，这叫做晃动。只有通过分离至少一个电极并且将每个发生器的输出连接到分开的电极的一部分上，才可以有利地抑制这些震荡。因此，电极的分离部之间的阻抗可以起着抑制元件的作用。这种方法的原理可以从例如DE 102004025046A1的文献获知。通常一个电极的两个部分之间（例如A1和B1）的阻抗大约为几欧姆，最高至几十欧姆。对于电穿孔反应器的设计而言，两个电极组A1和B1以及电极对A1和A2之间的阻抗是很重要的。因此，设计准则只能依据几何学。 [0027] 连接到第一脉冲发生器上的两个电极在此命名为A1和A2。根据本发明，电极A1和A2至少部分地位于并且优选地本质上完全位于反应室的中心部内。电极A1和A2应当布置为使得第一脉冲发生器通过脉冲产生的被送入A1和A2中的电场线能够基本上沿着中心部的长度延伸。因此，当在中心部的长度方向测量时，电极A1和A2应当彼此相隔一段距离。该距离应当至少等于反应室的宽度的一半，优选地，该距离大于中心部的长度的50%、60%、70%、80%、90%或甚至大于95%。在一个优选实施例中，电极A1和A2实质上位于中心部的长度的相反端。 [0028] 电极A1和A2的实际形状可以显著变化。然而，优选地，电极A1和A2的成型方式为使得该形状不会消极地影响电穿孔工艺的运作，或者甚至通过在中心部帮助确保尽可能均匀的电场而积极地有助于电穿孔工艺的运作。电极A1和A2中的一个或者两者可以为分离形式。在一个实施例中，电极A1分离为分电极A1-i和A1-ii，藉此这些电极放置为使得当沿着长度方向评估时，A2位于A1-i与A1-ii之间。在另一个实施例中，电极A1（A2）分离为分电极A1-i和A1-ii（A2-i和A2-ii），藉此这些电极放置为使得当沿着长度方向评估时，A1-i和A1-ii（A2-i和A2-ii）位于相同的位置。 [0029] 连接到第二脉冲发生器上的两个电极在此被命名为B1和B2。根据本发明，电极B1和B2至少部分地位于反应室的中心部内。电极B1和B2应当布置为使得第一脉冲发生器通过脉冲产生的被送入B1和B2中的电场线能够基本上沿着中心部的长度延伸。因此，当在中心部的长度方向测量时，电极B1和B2应当彼此相隔一段距离。该距离应当至少等于反应室的宽度的一半，优选地，该距离大于中心部的长度的50%、60%、70%、80%、90%或甚至大于95%。在一个优选实施例中，电极B1和B2实质上位于中心部的长度的相反端。 [0030] 电极B1和B2的实际形状可以显著变化。然而，优选地，电极B1和B2的成型方式为使得该形状不会消极地影响电穿孔工艺的运作，或者甚至通过在中心部帮助确保尽可能均匀的电场而积极地有助于电穿孔工艺的运作。电极B1和B2中的一个或者两者可以为分离形式。在一个实施例中，电极B1分离为分电极B1-i和B1-ii，藉此这些电极放置为使得当沿着长度方向评估时，B2位于B1-i与B1-ii之间。在另一个实施例中，电极B1（B2）分离为分电极B1-i和B1-ii（B2-i和B2-ii），藉此这些电极放置为使得当沿着长度方向评估时，B1-i和B1-ii（B2-i和B2-ii）位于相同的位置。 [0031] 在本发明中，有利的是，施加在每对电极上的脉冲形状大体上相等。这可以借助于已知的诸如匹配电极对的阻抗，即，脉冲发生器和连接电路的阻抗，或电路的总阻抗来实现。在简单设计中，这可以这样实现：通过设计所有的电极相等并且将其在反应室中沿着内圆周以相等的间距彼此间隔地安装成环形，藉此圆周的概念具有其作为围绕区域的路径的通常意义，使用具有相同的内阻抗的脉冲发生器并且使用具有相同的几何布置的连接电路。 [0032] 在一个主要实施例中，将电极A1和B1放置成使得在空反应室的情况下电极A1和B1彼此电性绝缘；类似地，电极A2和B2也是彼此绝缘。在另一个主要实施例中，然而，电极A1和B1之一或电极A2和B2之一连接成一个组合电极。 [0033] 在另一个实施例中，电极A1和B1（A2和B2）分离成分电极，并且分电极n n n nA1-i、...A1-i、B1-i、...B1-i(A2-i、...A2-i、B2-i,...B2-i)混合，藉此提及的电极位于反应室中的中心部内，并且使得当在长度方向测量时，这些电极小于与反应室的宽度的一半相等的距离。图2中示出了这种构造的一个实例。 [0034] 优选地，电场线在中心部内尽可能地分布均匀，并且电场线主要在长度方向上延伸。优选地，当沿着中心部的长度观察时，电极A1和B1位于彼此间隔较短的距离内。优选地，A1和B1位于沿着中心部的长度上彼此间隔的距离小于宽度20%或10%的位置；较优选地，当沿着长度方向测量时，第一脉冲发生器的电极A1是在与第二脉冲发生器的电极B1本质上相同的位置。类似地，优选地，当沿着中心部的长度观察时，电极A2和B2位于彼此间隔较短的距离内。优选地，A2和B2位于沿着中心部的长度彼此间隔的距离小于宽度的20%或10%的位置；较优选地，当沿着长度方向测量时，第一脉冲发生器的电极A2是在与第二脉冲发生器的电极B2本质上相同的位置。 [0035] 由于电极的功能而已经具有尺寸，所以电极将会占用反应室中的中心部的内圆周的一部分。然而，在电极没有连接的情况中，沿着电极之间的内圆周应当有至少0.5cm的空间以便允许电性绝缘。优选地，所述空间至少为1cm、2cm、3cm、4cm或甚至至少5cm。优选地，电极形成为这样一种形式：当在截面测量时（即，不在长度方向上），电极占用/覆盖中心部的圆周的最多50%。较优选地，电极覆盖圆周的最多49%、24%、11.5%或甚至最多5.25%。 [0036] 优选地，电极覆盖中心部内圆周的一部分，该部分为电场线可以形成为沿着中心部的长度大体上均匀流动和/或电场线的分布可以是大体上均匀的。与此同时，优选地，特别是在产品流准备流经反应室的情况中，电极在从圆周朝着截面的中心的方向上尽可能少的突出；这样所具有的优点是：尽可能小的阻碍产品流的任何流动。电极应当优选地占用小于截面的表面积的30%；较优选地，电极占用小于截面的表面积的25%、20%、15%、10%或甚至小于5%。 [0037] 还优选地，当沿着长度方向相对彼此评估时，电极A1和A2的布置不能大幅扭动。优选地，电极A1和A2沿着内圆周相对彼此的布置变化小于内圆周的30%，优选地小于20%或甚至10%；最优选地，所述布置是本质上完全相同的。 [0038] 类似地，优选地，当沿着长度方向相对彼此评估时，电极B1和B2的布置不能大幅扭动。优选地，电极B1和B2沿着内圆周相对彼此的布置变化小于内圆周的30%，优选地小于20%或甚至小于10%；最优选地，所述布置是本质上完全相同的。 [0039] 当沿着电极A和电极B的圆周的布置是大体上或本质上完全相同时，沿着中心部的长度可以看出，每对电极就供电至中心部的单独段。 [0040] 在本发明的主要实施例中，第一和第二脉冲发生器都是高压Marx发生器。还优选地，Marx发生器具有用于触发的装置；这种装置例如参照DE-A-102004025046。优选地，触发装置使Marx发生器同步启动，且时间的不确定不超过所述脉冲长度的30%、20%、10%或甚至5%。这具有的优点是：可以实现较稳定的操作。优选地，每对电极的脉冲形状基本上相等。 [0041] 在另一个实施例中，高压Marx发生器为双极型，即，与地面对称。这包含优点是：到地面电压更低，并且因此，花费较少精力来与地面绝缘。然后需要入口与出口处的额外的地电极以及这些电极与高压电极之间的较短的绝缘元件，否则由于低归档区导致的额外损失减少效率。另一方面，然而，已经发现当高压Marx发生器为单极时可以是有利的。这种方案的主要优点是：除了提及的损失外，不需要额外的反应器的入口和出口处的地电极。结果，可以制造只具有单个类型的绝缘元件的电穿孔反应器。这是费用高昂的方案。此外，单极Marx发生器通常可购自市场。 [0042] DE 102004025046A1描述了一种矩形或方形界面的电穿孔室。当将这种室连接于通常具有圆形截面的管系统时，需要连接元件将圆形形状转换为具有相同截面面积的矩形或方形形状。为了忽略材料的阻塞，需要具有恒定横截面积的光滑过渡。使用具有圆形横截面的管状电穿孔反应器省略了这种连接元件的需求。 [0043] 本发明的反应器系统应当适于在产品上执行电穿孔工艺，藉此产品优选包含植物细胞。因此，本发明还涉及用于电穿孔细胞的方法，细胞优选为植物细胞，藉此电穿孔在根据本发明的反应器系统中完成。本发明的电穿孔工艺可以为间歇式或连续式进行。附接于反应室的入口和出口的形状、形式和位置可以根据电穿孔工艺将要进行的方式而显著变化。例如并且已知的，在间歇过程中，用于待电穿孔产品的入口可以同时发挥出口的作用。在一个优选实施例中，反应器系统适于以连续方式执行电穿孔工艺。在此实施例中，反应室具有出口和入口，中心部位于出口和入口之间，使得产品流在其从入口到出口的路上可以流经中心部。可以以这种方式进行电穿孔的产品的实施例是：甜菜、甜菜的水分散体、甜菜碎的水分散体、菊苣根、菊苣根的水分散体和菊苣根碎的水分散体。 [0044] 在根据本发明的用于电穿孔植物细胞的方法的一个主要实施例中，使本质上包括甜菜碎屑的水分散体的产品流经本发明的反应器系统中的反应室。在进入反应室之后，甜菜碎屑的水分散体的导电性优选为或者可调节至0.2mS/cm与10mS/cm之间的值，更优选地为2mS/cm与6mS/cm之间的值；甜菜碎屑的水分散体的pH值优选地为或者可调节至7与14之间的值，更优选地在9与11之间。施加到中心部内的产品上的场强优选地为0.1kV/cm与20kV/cm之间，更优选为3kV/cm与6kV/cm之间。电穿孔在优选为0与65°C之间的温度执行。更优选地，所述温度位于10°C与40°C之间；这具有的优点是：实施某些有利的后续操作可以不需要进行显著的中间温度变化，诸如W0-A-2006/108481中公开的提取操作。 附图说明 [0045] 图1为本发明的反应室（RC）； [0046] 图2为本发明的中心部（CS）的截面； [0047] 图3为本发明的中心部（CS）的另一个的截面。 具体实施方式[0048] 图1示出了反应室RC的截面图。图示的RC可以具有环形截面，或者是矩形管道的形状。RC的长度为l，宽度为W。RC包含中心部（CS）；在该CS中，电极A1和A2以及电极B1和B2都位于圆周内。A1和A2连接于第一脉冲发生器（图未示出）；同样地，B1和B2连接于第二脉冲发生器（图未示出）。图1的RC适于连续操作；使产品流诸如甜菜细胞的水分散体等从入口EN流通进入到RC中，然后流经CS，然后通过出口EX流出到RC外。当流经CS时，产品暴露于在电极A1和A2之间以及在电极B1和B2之间流动的电场脉冲。因此，产品完成电穿孔。在通过出口EX离开RC后，为了获得糖分，对电穿孔的甜菜碎屑进行提取工艺。 [0049] 图2示出了本发明实施例的中心部（CS）在沿着电极A1和B1所在的长度的位置处的截面。在此实施例中，电极A1和B1以分离形式存在；此外，分电极沿着截面的圆周排列，以便尽可能小的对产品流造成干扰。图2中也示出了RC以及CS的宽度W。 [0050] 在该实施例中，分电极互相靠近；然而，分电极彼此分隔也是可行的，例如，在长度方向上，其他电极（A2或B2）位于分电极的中间。 [0051] 图3示出了本发明实施例的中心部（CS）在沿着电极A1和B1所在的长度的位置处的截面。在此实施例中，电极的形状为使得他们几乎覆盖CS的整个内圆周，电极之间只有足够的空间以供电气绝缘。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈