CN101787348B - 一种强化传质传热的仿生生物反应器 - Google Patents

一种强化传质传热的仿生生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种强化传质传热的仿生生物反应器，根据人体循环系统的结构和功能特征，设计了一种类似于人体的在反应器内充满大小相通管道的生物反应器，其中两个大管道相当于总动脉和总静脉，而小管道相当于分支血管和毛细血管，大管道口固定在反应器壁上，液体或气体物质可以进出，在反应器外面有可收缩和舒张类似于心脏的囊与大管道口相连，通过囊的收缩和舒张控制小管道内液体或气体的压力和流向，管道壁由微滤膜、超滤膜或纳滤膜做成，管道内外的物质和能量可通过管道壁进行交换，这样便达到强化传质传热的目的。本生物反应器可用于厌氧发酵、好氧发酵，液态发酵和固态发酵，也适应于动植物细胞培养。

Description

一种强化传质传热的仿生生物反应器
技术领域
本发明属于生物器领域，特别涉及一种强化传质传热的仿生生物反应器。
技术背景
生物反应器是实现微生物发酵、动植物细胞培养，生产各种生物基产品的必备设备，其作用是强化传质传热，为微生物或动植物细胞提供稳定的生长环境。目前已经有多种生物反应器问世，如搅拌式深层液体反应器、气升式反应器，气相双动态固态发酵反应器等，它们能分别使用于某些特定物质的生产，对生物技术产业的发展起到重要的作用。但各自都有一定的缺陷，如搅拌式反应器产生的剪切力对某些细胞的生长有抑制作用而限制了其更广泛的应用，并且搅拌能耗高，增加了产品的生产成本，气相双动态固态发酵反应器以气体为介质进行气体交换和强化传质传热，不能进行以液体为介质的物质交换。事实上人体是一个精密的生物反应器，通过神经和内分泌系统调节体内的代谢活动，通过由心脏和血管组成的循环系统完成细胞的物质交换，运送氧气和养料，带走二氧化碳等废物。本发明根据人体循环系统的原理，将类似于血管的管道置于反应器内，而类似于心脏的储料囊置于反应器外，通过储料囊的收缩和舒张强化反应器管道内外的物质交换。
近年来膜技术的发展迅速，已能够廉价制备各种高效的微滤膜、超滤膜和纳滤膜，这就使本发明的仿生管道壁的选择提供了广泛的材料，根据需要，管道的壁可以是微滤膜、超滤膜或纳滤膜。
发明内容
【本发明的目的】根据人体循环系统的工作原理，发明了一种仿生生物反应器，使发酵微生物或动植物细胞在相对静态的条件下能够与外界进行物质和能量交换，克服搅拌式反应器产生的剪切力对微生物和动植物细胞的不利影响、气相双动态固态发酵反应器只能以气体为介质进行气体交换和强化传质传热等目前生物反应器存在的缺陷。本发明的技术方案如下：
【技术方案】一种强化传质传热的仿生生物反应器，其罐体(1)为圆柱状，有进料口(7)和出料口(8)，可以密封和利用蒸汽灭菌，罐体(1)内有类似人体血管的相通管道，包括入口总管(2)、毛细管(6)和出口总管(4)，管壁为微滤膜、超滤膜或纳滤膜，二氧化碳、氧气、葡萄糖等小分子可以透过管壁，使管内的物质与罐体(1)内培养基进行物质和能量交换，入口总管(2)和出口总管(4)固定在罐体(1)壁上，罐体(1)外面有入口囊(3)和出口囊(5)分别与入口总管(2)和出口总管(4)相连，气体或液体物质可从入口囊(3)进入，经入口总管(2)、毛细管(6)、出口总管(4)到达出口囊(5)，入口囊(3)和出口囊(5)可以在入口囊压板(9)和出口囊压板(91)的挤压和松弛下收缩和舒张，调节毛细管(6)内的压力和物质流向，使物质在毛细管(6)内往复流动，有利于管内物质和管外培养基进行充分的物质和能量交换，管内的物质最后从出口囊(5)排出。
毛细管内径大小为0.1mm-2mm，毛细管的数量为1百至1万根，均匀分布于罐体内，管道内可以通气体如空气、二氧化碳等，也可以通液体，如葡萄糖溶液等，通过调节充入管道物质的温度来控制反应器的温度。入口囊和出口囊体积为罐体内管道总体积的2-10倍，入口囊和出口囊有储存物料功能，它们的收缩和舒张可使管道内的物质往复流动，加快管道内外物质的交换，本生物反应器可用于厌氧发酵、好氧发酵，液态发酵和固态发酵，也适应于动植物细胞培养。
附图说明
图1为本发明仿生生物反应器的示意图，图中：
1、罐体，2、入口总管，3、入口囊，4、出口总管，5、出口囊，6、毛细管，7、进料口，8，出料口，9、入口囊压板，91、出口囊压板
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，罐体(1)为圆柱状，有效发酵体积为1立方米，进料口(7)和出料口(8)关闭时罐体完全密封，可利用蒸汽灭菌，罐体(1)内有类似人体血管的1500根中空超滤膜管道(6)，这些中空超滤膜管道(6)一端汇入入口总管(2)，另一端汇入出口总管(4)，中空超滤膜管道(6)的物质与罐体(1)内培养基可进行物质和能量交换，入口总管(2)和出口总管(4)固定在罐体(1)壁上，罐体(1)外面有入口囊(3)和出口囊(5)分别与入口总管(2)和出口总管(4)相连，入口囊(3)和出口囊(5)由柔性的硅橡胶做成，体积均为5升，气体或液体物质可从入口囊(3)进入，经入口总管(2)、毛细管(6)、出口总管(4)到达出口囊(5)，入口囊(3)和出口囊(5)可以在入口囊压板(9)和出口囊压板(91)的挤压和松弛下收缩和舒张，当出口囊(3)压缩时入口囊(5)舒张，调节空超滤膜管道(6)内的压力和物质流向，使物质在空超滤膜管道(6)内往复流动，有利于管内物质和管外培养基进行充分的物质和能量交换，管内的物质最后从出口囊(5)排出。

Claims (3)

1.一种强化传热传质的仿生生物反应器，其特征是罐体(1)为圆柱体，有进料口和出料口，能够被密封和利用蒸汽灭菌，罐体(1)内有类似人体血管的相通管道，包括入口总管(2)、毛细管(6)和出口总管(4)，管壁为微滤膜、超滤膜或纳滤膜，管内的物质与罐体(1)内培养基进行物质和能量交换，入口总管(2)和出口总管(4)固定在罐体(1)壁上，罐体(1)外面有入口囊(3)和出口囊(5)分别与入口总管(2)和出口总管(4)相连，气体或液体物质从入口囊(3)进入，经入口总管(2)、毛细管(6)、出口总管(4)到达出口囊(5)，入口囊(3)和出口囊(5)在入口囊压板(9)和出口囊压板(91)的挤压和松弛下收缩和舒张，调节毛细管(6)内的压力和物质流向，使物质在毛细管(6)内往复流动，有利于管内物质和管外培养基进行充分的物质和能量交换，管内的物质最后从出口囊(5)排出。
2.如权利要求1所述的一种强化传热传质的仿生生物反应器，其特征在于所述的毛细管内径大小为0.1mm-2mm，毛细管的数量为1百至1万根，均匀分布于罐体内。
3.如权利要求1所述的一种强化传热传质的仿生生物反应器，其特征在于所述的入口囊和出口囊体积为罐体内管道总体积的2-10倍，入口囊和出口囊有储存物料功能，它们的收缩和舒张使管道内的物质往复流动，加快管道内外物质的交换。
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