CN102337205B - 一种生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明属于制药、生物化工、发酵工程的发酵设备领域，公开一种新型生物反应器，包括一个由蠕动泵、弹性软管将发酵罐和大气压介质阻挡放电等离子体发生器连接成的闭合循环系统。其中：发酵罐顶部设置有进样口，罐体侧面的底部设置有出样口；出样口和进样口通过弹性软管与大气压介质阻挡放电等离子体发生器中的样品槽相连。发酵液在整个体系中的流动通过蠕动泵来实现。本发明通过等离子体对菌种的激活效应，解决了菌种在发酵过程中活力下降的问题。实用性强，操作弹性大，具有广阔的应用前景。

Description

一种生物反应器

技术领域

本发明属于制药、生物化工、发酵工程的发酵设备领域，具体涉及一种将大气压介质阻挡放电等离子体发生器与发酵罐相连的新型生物反应器。 

背景技术

生物反应器是为微生物发酵、细胞培养、酶反应提供良好的反应环境以完成生物催化反应的核心设备。它的结构、操作方式和操作条件与生物过程产品的质量、转化率及能耗有着密切关系。 

利用生物反应器发酵微生物过程中，往往存在菌种生产能力低或在发酵过程中菌种出现衰退现象。因此，如何在发酵过程中保持甚至提高菌体的活力是发酵工程急需解决的问题之一。 

大气压低温等离子体是物质的第四态，放电过程可以产生大量高能电子、离子、分子、中性原子、激发态原子、光子和自由基，这些活性因子具有高度的物理和化学活性，因而在生物领域具有广泛的应用。 

发明内容

本发明为了解决上述问题，而研制一种新型生物反应器，即将大气压介质阻挡放电等离子体发生器与发酵罐通过弹性软管和蠕动泵偶联为一个闭合循环系统，实现了在微生物发酵过程中，能够高效、便捷的通过大气压冷等离子体的激活效应，达到反复刺激微生物生长的目的，从而保持了菌种在发酵过程中的活力、提高微生物生产目标产物的能力，本发明在生物化工、医药和发酵工程等领域具有广泛的应用前景。 

本发明通过以下方式实现： 

一种新型生物反应器，其特征在于： 

由卡在蠕动泵I及蠕动泵II内的弹性软管将发酵罐和大气压介质阻挡放电等离子体发生器连接组成， 

所述蠕动泵I和蠕动泵II的结构一致； 

所述发酵罐包括罐体，罐体侧面的底部设置有出样口，罐体顶部设置有进样口，出样口和进样口分别与弹性软管连接； 

所述大气压介质阻挡放电等离子体发生器，包括圆柱体的绝缘放电腔以及 与绝缘放电腔上下底面平行设置的一对大小一致的金属平板电极，即上电极板和下电极板，在上电极板的下表面附有石英板，下电极板的上表面放置有石英样品槽，在石英样品槽侧面靠近底面的边缘，分别设有样品入口和样品出口，且样品入口通过弹性软管穿过绝缘放电腔与发酵罐的出样口相连通，样品出口通过弹性软管穿过绝缘放电腔与发酵罐的进样口相连通，其中，弹性软管的外壁四周与绝缘放电腔密闭连接； 

在所述上电极板的垂直轴心位置，连有电极棒，电极棒四周套着绝缘管，绝缘管固定于圆柱体的绝缘放电腔上底面的中心； 

在所述下电极板的垂直轴心位置，连有高度可调的螺杆电极棒，和与之相配合的螺杆套电极棒，螺杆套电极棒固定于绝缘放电腔下底面的中心； 

所述电极棒、螺杆套电极棒分别与高压交流电源相连； 

所述绝缘放电腔的圆柱体上底面边缘设置有进气口，在绝缘放电腔的圆柱体侧面的边缘，位于样品入口正下方的位置，设置有真空泵抽气口，在绝缘放电腔内充满放电工作气体； 

在所述绝缘放电腔的圆柱体侧面设有样品门，门上有石英观察窗。 

具体的： 

上述高压交流电源的放电电压为10～100kV，放电频率为3～120kHz，放电时间为10s～30min。 

当上述高压交流电源的放电电压为12kV，放电频率为6kHz，放电时间为5min的时候，效果较佳。 

上述绝缘放电腔内的放电工作气体为下述的一种或几种，空气、氧气、氦气、氩气和氮气。 

当上述绝缘放电腔内的放电工作气体为空气的时候，效果较佳。 

上述上电极板、下电极板、电极棒、螺杆电极棒、螺杆套电极棒为下述金属的一种：铜、铝、不锈钢。 

当上述上电极板、下电极板、电极棒、螺杆电极棒、螺杆套电极棒的材质为不锈钢的时候，效果较佳。 

上述发酵罐的罐体总体积为1～50L，装液量为总体积的25％～90％。 

上述上电极板、下电极板和石英样品槽的底面均为圆形，其中，下电极板的直径小于石英样品槽的底面直径。 

由于上述发酵罐的罐体、蠕动泵和弹性软管的结构和使用选择均为本领域 技术人员公知的常识，所以在能够实现本发明构思的前提下，上述发酵罐的罐体、蠕动泵和弹性软管可根据具体使用情况进行选择。 

有益效果： 

将大气压冷等离子体技术与传统发酵罐相结合的新型生物反应器，应用于微生物发酵中，解决了菌种在发酵过程中活力降低的问题。与传统的物理和化学方法相比，该方法具有高效性、无毒性、投入少、低能耗的特点。本发明所涉及的生物反应器，其结构简单，便于拆装，与介质阻挡放电装置相连接，可达到激活微生物发酵、缩短发酵周期、提高微生物发酵生产强度、节约能源的目的，从而降低生产成本、提高生产效率。 

附图说明

图1：发酵罐与大气压介质阻挡放电等离子体发生器连接示意图； 

图2：大气压介质阻挡放电等离子体发生器的结构示意图； 

其中：11.蠕动泵I，12.蠕动泵II，2.弹性软管，3.发酵罐，31.罐体，32.出样口，33.进样口，4.大气压介质阻挡放电等离子体发生器，41.绝缘放电腔，421.上电极板，422.下电极板，423.石英板，424.石英样品槽，4241.样品入口，4242.样品出口，43.电极棒，431.螺杆套电极棒，432.螺杆电极棒，44.绝缘管，45.高压交流电源，46.进气口，47.真空泵抽气口，48.样品门，49.石英观察窗。 

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。下面结合附图对本发明的装置作进一步详细说明。为了便于理解和简化说明，用于描述相应部件直接的位置和方向的关系，如上、下、内、外、顶和底的词语仅指副图中的位置关系和方向。 

实施例1 

本发明所述的新型生物反应器，其由卡在蠕动泵I11及蠕动泵II12内的弹性软管2将发酵罐3和大气压介质阻挡放电等离子体发生器4连接组成，其中： 

所述蠕动泵I11和蠕动泵II12的结构一致，蠕动泵I11及蠕动泵II12与弹性软管2相匹配使用，其作用是通过滚轮装置的滚动作用，连续不断地压迫弹性软管2，将充满于弹性软管2内的流体按滚轮运动的方向输送。 

由于蠕动泵I11、蠕动泵II12与弹性软管2均为本领域技术人员常用的设备，因此在能够实现按照指定流量和方向传送液体的前提下，本领域技术人员 可以根据具体情况选择不同类型的蠕动泵I11、蠕动泵II12和弹性软管。蠕动泵I(11)、蠕动泵II(12)及软管(2)提供样品的流速为0.001～70mL/min。 

所述发酵罐3包括罐体31，罐体31侧面的底部设置有出样口32，罐体顶部设置有进样口33，出样口32和进样口33分别与弹性软管2连接；发酵罐3的罐体31是用来进行微生物发酵的主要装置，由于培养微生物的种类不同，发酵罐3的罐体31分为多种类型，本领域的技术人员可以通过一般常识性的判断来选择不同罐体31类型的发酵罐3以满足发酵要求，但无论使用何种类型的发酵罐3，为满足本发明中系统循环的要求，均需要在罐体31侧面的底部设置有出样口32，罐体顶部设置有进样口33，并且石英样品槽(424)的样品入口(4241)通过弹性软管(2)与发酵罐(3)的出样口(32)相连，石英样品槽(424)的样品出口(4242)通过弹性软管(2)与发酵罐(3)的进样口(33)相连；出样口32和进样口33在发酵罐3的罐体31上的位置也可以根据发酵罐3的安装或使用方式不同而进行相应的调整。 

所述大气压介质阻挡放电等离子体发生器4，包括圆柱体的绝缘放电腔41，以及与绝缘放电腔41上下底面平行设置的一对大小一致的金属平板电极，即上电极板421和下电极板422，在上电极板421的下表面附有石英板423，下电极板422的上表面放置有石英样品槽424，在石英样品槽424侧面靠近底面的边缘，分别设有样品入口4241和样品出口4242，且样品入口4241通过弹性软管2穿过绝缘放电腔41与发酵罐3的出样口32相连通，样品出口4242通过弹性软管2穿过绝缘放电腔41与发酵罐3的进样口33相连通，其中，弹性软管2的外壁四周与绝缘放电腔41密闭连接； 

其中，上电极板421、下电极板422、电极棒43、螺杆电极棒432、螺杆套电极棒431为下述金属的一种：铜、铝、不锈钢；下述实施例2中给出了以不锈钢为导电金属材料的具体实施方式。 

在所述上电极板421的垂直轴心位置，连有电极棒43，电极棒43四周套着绝缘管44，绝缘管44固定于圆柱体的绝缘放电腔41上底面的中心； 

在所述下电极板422的垂直轴心位置，连有高度可调的螺杆电极棒432，和与之相配合的螺杆套电极棒431，螺杆套电极棒431固定于绝缘放电腔41下底面的中心； 

所述电极棒43、螺杆套电极棒431分别与高压交流电源45相连；高压交流电源45的放电电压10～100kV，放电频率3～120kHz，处理菌液的放电时间为 10s～30min。为了调节石英样品槽424内样品与上电极板421的垂直距离为1～8mm，可以通过调节下电极板422的垂直高度，具体通过螺杆套电极棒431与螺杆电极棒432的相对旋转加以实现。 

所述绝缘放电腔41的圆柱体上底面边缘设置有进气口46，在绝缘放电腔41的圆柱体侧面的边缘，位于样品入口4241正下方的位置，设置有真空泵抽气口47，在绝缘放电腔41内充满放电工作气体；从进气口46可以向绝缘放电腔41的腔内注入等离子体放电过程中所用的气体，即下述放电工作气体的一种或几种，空气、氧气、氦气、氩气和氮气。从真空泵抽气口47可以。真空泵抽气口47可以与真空泵相连，从而在更换放电工作气体时排空气体； 

当大气压介质阻挡放电等离子体发生器4工作状态下，绝缘放电腔41内充满工作气体，且密闭性良好。 

在所述绝缘放电腔41的圆柱体侧面设有样品门48，门上有石英观察窗49，石英观察窗49的设置目的是便于在处理样品时，对放电现象进行观察。 

实施例2 

(一)大气压低温等离子体强化克雷伯氏菌间歇发酵 

(a)样品发酵： 

菌种：克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)，菌种保藏号是1.6366。 

将克雷伯氏菌种子按照10％(v/v)接种量接入发酵罐中，5L发酵罐中，发酵培养基的液量为2L，克雷伯氏菌发酵至对数生长期之后，通过蠕动泵I11，将发酵的菌液从发酵罐3的出样口32，经软管2和样品入口4241，泵入大气压介质阻挡放电等离子体发生器4的石英样品槽424中。泵入石英样品槽424中的发酵液体积为10mL。 

(b)等离子体样品处理： 

大气压介质阻挡放电等离子体发生器4的上电极板421、下电极板422和石英样品槽的底面均为圆形，其中，上电极板的直径小于石英样品槽的底面直径。下电极板通过螺杆套电极棒431与螺杆电极棒432的相对旋转调节下电极板422的垂直高度，从而使上电极板421与石英样品槽424中发酵液液面之间的间隙为3mm，通过进气口46向绝缘放电腔41的内部按15slpm的气体流量通入空气，其中，上电极板421、下电极板422、电极棒43、螺杆电极棒432、螺杆套电极 棒431均为不锈钢材质。在绝缘放电腔41充满空气的密闭条件下，调节高压交流电源45的电压，使其放电电压为12kV，放电频率为6kHz，绝缘放电腔41内产生冷等离子体，并作用于石英样品槽424内的发酵液，处理时间为5min。处理过程中，可以通过样品门48上的石英观察窗49观察等离子体放电状态。 

(c)样品继续发酵： 

再通过蠕动泵II12，将石英样品槽424内的发酵液，按下述顺序方向：经石英样品槽424的样品出口4242、弹性软管2和发酵罐3的进样口33，泵回发酵罐3内继续发酵至发酵终止。 

重复上述步骤(a)到(c)三次，获得三批发酵样品，利用此样品进行下述发酵产物测定。 

(二)大气压低温等离子体强化克雷伯氏菌发酵产物测定 

在同样的发酵总时间、发酵条件下，将发酵期间未经过大气压低温等离子体处理的发酵产物作为对照，与发酵期间经过一次大气压低温等离子体处理的发酵产物做样品，对上述三批发酵样品，分别做以下实验检测，其检测方法如下，其检测结果见表1。 

(1)生物量测定：以蒸馏水为空白对照，测定样品在波长为650nm条件下的吸光度值(OD)[1]，吸光度值乘以系数0.5转化为菌体干重(CDW)。 

(2)发酵产物1，3-丙二醇浓度测定：采用气相色谱法[2]进行检测。 

表1  经大气压低温等离子体强化克雷伯氏菌发酵产物 

结果表明：对上述三次发酵样品进行检测的结果显示，发酵期间经过一次大气压低温等离子体处理获得的发酵产物，其生物量明显高于未经处理的对照组，同时其发酵产物1，3-丙二醇的浓度也明显高于未经处理的对照组。 

以上数据可以证明，本发明所涉及的生物反应器，应用于提高1，3-丙二醇产量的试验中，实验具有可重复性，从而证明本发明的生物反应器在生物化工、生物制药、发酵工程领域具有广阔的应用前景。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围不仅限于 此，任何熟悉本技术领域的人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。 

参考文献： 

[1]XY Dong，et al.Enhanced production of 1，3-propanediol in Klebsiella pneumoniae induced by dielectric barrier discharge plasma in atmospheric air IEEE Transaction on Plasma Science，2009，37(6)：920-926. 

[2]JF Wang et al.Determination of glycerin concentration during the fermentation of glycerin to 1，3-propanediol.Industrial microbiology，2001，31(2)：33-35. 

Claims (9)

1.一种生物反应器，其特征在于：由卡在蠕动泵I(11)及蠕动泵II(12)内的弹性软管(2)将发酵罐(3)和大气压介质阻挡放电等离子体发生器(4)连接组成，其中：

所述蠕动泵I(11)和蠕动泵II(12)的结构一致；

所述发酵罐(3)包括罐体(31)，罐体(31)侧面的底部设置有出样口(32)，罐体顶部设置有进样口(33)，出样口(32)和进样口(33)分别与弹性软管(2)连接；

所述大气压介质阻挡放电等离子体发生器(4)包括圆柱体的绝缘放电腔(41)，以及与绝缘放电腔(41)上下底面平行设置的一对大小一致的金属平板电极，即上电极板(421)和下电极板(422)，在上电极板(421)的下表面附有石英板(423)，下电极板(422)的上表面放置有石英样品槽(424)，在石英样品槽(424)侧面靠近底面的边缘，分别设有样品入口(4241)和样品出口(4242)，且样品入口(4241)通过弹性软管(2)穿过绝缘放电腔(41)与发酵罐(3)的出样口(32)相连通，样品出口(4242)通过弹性软管(2)穿过绝缘放电腔(41)与发酵罐(3)的进样口(33)相连通，其中，弹性软管(2)的外壁四周与绝缘放电腔(41)密闭连接；

在所述上电极板(421)的垂直轴心位置，连有电极棒(43)，电极棒(43)四周套着绝缘管(44)，绝缘管(44)固定于圆柱体的绝缘放电腔(41)上底面的中心；

在所述下电极板(422)的垂直轴心位置，连有高度可调的螺杆电极棒(432)，和与之相配合的螺杆套电极棒(431)，螺杆套电极棒(431)固定于绝缘放电腔(41)下底面的中心；

所述电极棒(43)、螺杆套电极棒(431)分别与高压交流电源(45)相连；

所述绝缘放电腔(41)的圆柱体上底面边缘设置有进气口(46)，在绝缘放电腔(41)的圆柱体侧面的边缘，位于样品入口(4241)正下方的位置，设置有真空泵抽气口(47)，在绝缘放电腔(41)内充满放电工作气体；

在所述绝缘放电腔(41)的圆柱体侧面设有样品门(48)，门上有石英观察窗(49)。

2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：所述高压交流电源(45)的放电电压为10～100kV，放电频率为3～120kHz，放电时间为10s～30min。 

3.根据权利要求2所述的生物反应器，其特征在于：所述高压交流电源(45)的放电电压为12kV，放电频率为6kHz，放电时间为5min。

4.根据权利要求1或2所述的生物反应器，其特征在于：所述绝缘放电腔(41)内的放电工作气体为下述的一种或几种，空气、氧气、氦气、氩气和氮气。

5.根据权利要求4所述的生物反应器，其特征在于：所述绝缘放电腔(41)内的放电工作气体为空气。

6.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：所述上电极板(421)、下电极板(422)、电极棒(43)、螺杆电极棒(432)、螺杆套电极棒(431)为下述金属的一种：铜、铝、不锈钢。

7.根据权利要求6所述的生物反应器，其特征在于：所述上电极板(421)、下电极板(422)和电极棒(43)的材质为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：所述发酵罐(3)的罐体总体积为1～50L，装液量为总体积的25％～90％。

9.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：所述上电极板(421)、下电极板(422)和石英样品槽(424)的底面均为圆形，其中，下电极板(422)的直径小于石英样品槽(424)的底面直径。 

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