CN102618440B - 一种超声强化生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声强化生物反应器，包括：液态发酵罐、超声波换能器、超声波发生器和超声发酵控制系统；所述的超声波换能器粘结固定在液态发酵罐的侧壁上，该超声波换能器的辐射面粘结固定在液态发酵罐的罐体上的平面结构处；所述的超声发酵控制系统包括：生物发酵过程控制单元和超声控制单元；所述的生物发酵过程控制单元，用于控制生物发酵过程中的pH、溶氧、温度、转速、空气流量、罐压和补料，对整个发酵过程进行实时监控以及数据记录和分析；所述的超声控制单元，用于控制超声波换能器的启动、超声频率的选择、超声功率的选择和超声发生时间，以达到最佳的超声强化微生物和植物组织培养物生长代谢的效果。

Description

一种超声强化生物反应器
技术领域
本发明涉及一种超声强化生物反应器，是一种利用超声波强化微生物液态发酵及植物组织液态培养、改善溶氧和传质、促进微生物和植物组织细胞生长、提高生物反应速率及代谢物产率的装置。
背景技术
在发酵工程领域，人们不断利用相关学科最新的科研成果来改进发酵工艺，已研究了一些物理场（如光、电、热、磁等）对发酵过程生物学特性的影响，且取得了不少成果。近年来由于功率超声设备的普及和发展，超声波对发酵过程的影响正引起人们强烈的兴趣和高度的重视。
综合超声波对微生物、藻类及植物细胞的生长、代谢物合成影响的研究，可以发现：1）合适强度的超声波作用于发酵液，可以加速微生物及植物细胞的生长，加快生物反应速率，缩短发酵周期，提高代谢产物产率；2）超声波在细胞表面瞬间造成微伤，使细胞壁局部破裂，从而改变细胞膜的通透性，利于胞内物质释放以及胞外物质进入细胞内；3）超声空化作用产生的湍动效应使相界面中传质边界层变薄，传质速度增大；产生的微扰效应使相间传质过程得以强化，涡流扩散加强，加快传质。
目前，国内外将超声手段用于工程技术的专利主要集中于环境工程领域，如废水处理、淤泥处理、有机污染物的处理等。在这些专利中主要是利用了超声波在流体中产生的空化作用、热效应、机械振动效应等综合效应，在废水处理箱、自制设备中降解有机污染物、破解污泥絮凝体、菌胶团和细胞体，从而减少系统的污泥产量。而在传统的微生物发酵领域及植物组织培养领域，相应的超声波生物反应设备的开发研究还几乎是空白，相关专利也尚未见报道。
由于国内生物反应设备研究和开发的滞后已严重影响生物技术的进一步发展，故利用生化工程的方法，结合超声手段研究新型超声强化生物反应器和专用设备，用于微生物发酵及植物组织培养，籍以提高生物反应的效率，对我国生化工程领域的发展尤显重要。
发明内容
本发明的目的在于，为克服现有技术的上述缺点，从而提供一种超声强化生物反应器，该超声强化生物反应器是一种利用超声波强化微生物液态发酵及植物组织液态培养的装置。
为实现上述目的，本发明提供的一种超声强化生物反应器，其特征在于，该超声强化生物反应器包括：液态发酵罐、超声波换能器、超声波发生器和超声发酵控制系统；
所述的超声波换能器粘结固定在液态发酵罐的侧壁上，该超声波换能器的辐射面粘结固定在液态发酵罐的罐体上的平面结构处，超声波换能器的电极片通过导线与超声波发生器相连；
所述的液态发酵罐上的平面结构为设置在罐体上的圆柱形平台结构，所述的圆柱形平台结构外侧的中心处设有内固螺钉，用于卡合超声波换能器的辐射面；
所述的超声发酵控制系统包括：生物发酵过程控制单元和超声控制单元；所述的生物发酵过程控制单元，用于控制生物发酵过程中的pH、溶氧、温度、转速、空气流量、罐压和补料，对整个发酵过程进行实时监控以及数据记录和分析；所述的超声控制单元整合到所述生物发酵过程控制单元中，用于根据发酵不同阶段自动控制超声波换能器的启动、超声频率的选择、超声功率的选择和超声发生时间。
其中，超声功率和超声发生时间以及人为控制的在发酵不同阶段的超声间隔时间和超声次数的确定是关键控制因素。
作为上述技术方案的一种改进，所述的超声波换能器分为2～10组，每组2～10个超声波换能器，所有的超声波换能器组外接到一个超声波发生器上。
作为上述技术方案的又一种改进，所述的罐体侧壁上每组的超声波换能器沿液态发酵罐罐壁的同一高度周向等弧度均匀布置，组与组之间等距离排布，若干组的超声波换能器竖直排成若干列。
作为上述技术方案的再一种改进，所述的若干列超声波换能器外部均设有带风扇的不锈钢外罩。此不锈钢外罩可以兼具美观和安全的作用，罩内的风扇可带走超声波换能器启动时产生的热量，不影响发酵罐夹套水温。
作为上述技术方案的还一种改进，所述的液态发酵罐的罐底还粘结固定有若干超声波换能器，该超声波换能器的辐射面粘结固定在液态发酵罐的罐体上的平面结构处，超声波换能器的电极片通过导线与超声波发生器相连。
所述的液态发酵罐采用不锈钢材质制成，为机械搅拌式、气升式、鼓泡塔式的全自动或非自动液态发酵罐。
所述的超声波换能器可为单频、双频或三频超声波换能器，优选频率范围为20～100KHz。所述的超声波换能器的优选额定功率的范围在10～100W。
所述的超声波换能器受超声发酵控制系统调控，调控参数包括：超声发生时间为0～99min；超声功率为额定功率的1%～100%，调控精度1%；超声频率为20～100KHz。
本发明的优点在于，可根据发酵罐装液量的不同，以及不同菌体、植物组织培养物对超声波辐射能量密度的敏感程度的不同选择不同位置的超声波换能器组的开启与否；根据不同频率、不同功率的超声波对菌体、培养物刺激效果不同，可在整个发酵过程中或发酵过程的不同阶段选用不同频率、不同功率的超声波强化发酵；且随着使用的超声频率、超声功率强度的不同，进而可以调整超声次数的多少、超声间隔及每次超声时间的长短，以达到最佳的超声强化微生物和植物组织培养物生长代谢的效果。
本发明的超声强化生物反应器既可用于传统的微生物发酵领域，也可用于植物组织培养领域，可以改善溶氧和发酵及培养过程的传质、促进微生物及植物细胞的生长、加快生物反应速率、缩短发酵周期和提高代谢物产率等。
附图说明
图1为本发明超声强化生物反应器的结构示意图；
图2为本发明超声波强化生物反应器的罐体上采用的平面结构的示意图。
附图标识：
1、液态发酵罐        2、超声波换能器      3、不锈钢外罩
4、超声发酵控制柜    5、发酵罐电极口      6、发酵罐夹套
7、平面结构          8、内固螺钉
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步详细说明本发明。
如图1所示，本发明的超声强化生物反应器由普通液态发酵罐1、超声波换能器2、不锈钢外罩3、超声波发生器及超声发酵控制系统组成；
所述的超声波换能器2粘结固定在液态发酵罐1的侧壁上，该超声波换能器的辐射面粘结固定在液态发酵罐1的罐体上的平面结构7处，超声波换能器2的电极片通过导线与超声波发生器相连。
本例中，液态发酵罐1为不锈钢材质，可选用机械搅拌式、气升式、鼓泡塔式的全自动或非自动发酵罐。超声波换能器为单频、双频或三频，频率范围可在20-100KHz，通过一个平面结构7粘结在液态发酵罐1的底部和侧壁，分为2-10组，每组2-10个均匀排布，每组超声波换能器2均与超声波发生器相连，液态发酵罐1侧壁上的超声波换能器外部设有带风扇的不锈钢外罩3。超声波发生器的控制模块与生物发酵控制模块及工控机放置在一个超声发酵控制柜4中，超声波发生器以一个COM接口与生物发酵工控机相连。超声发酵控制系统由生物发酵过程控制部分及超声远程控制部分组成。生物发酵控制部分可自动或手动控制生物发酵过程中的pH、溶氧、温度、转速、空气流量、罐压、补料等参数，对整个发酵过程进行实时监控以及数据记录和分析。超声远程控制软件整合到生物发酵过程软件中，可自动控制超声波换能器组的启动、超声频率的选择、超声功率范围的选择（1-100%）及超声时间。其中，超声功率和超声发生时间以及人为控制的在发酵不同阶段的超声间隔时间和超声次数的确定是关键控制因素。
如图2所示，所述的液态发酵罐1上的平面结构7为设置在罐体上的圆柱形平台结构，所述的圆柱形平台结构外侧的中心处设有内固螺钉8，用于卡合超声波换能器的辐射面。本例，先在罐体侧壁及底部的相应位置上开合适大小的圆洞，再在每个圆洞处焊接上一个平面结构7。所述的液态发酵罐1上还包括发酵罐电极口5和发酵罐夹套6。
在进行微生物发酵或植物组织培养的过程中，根据预先优化好的超声发酵工艺，通过超声发酵系统柜4，启动的超声波换能器组，设定超声时间、超声功率、超声频率，执行超声强化作用。
实施例一：
发酵接种后，打开超声波控制界面，选择开启全部的超声波换能器组，选择超声频率40K，超声功率100%，设定超声时间10min，执行超声强化作用，待超声作用结束后退出超声控制界面。
实施例二：
发酵过程的第2h、6h、12h时刻，打开超声波控制界面，选择开启全部的超声波换能器组，选择超声频率28K，超声功率80%，设定超声时间5min，执行超声强化作用，待超声作用结束后退出超声控制界面。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种超声强化生物反应器，其特征在于，该超声强化生物反应器包括：液态发酵罐、超声波换能器、超声波发生器和超声发酵控制系统；
所述的超声波换能器粘结固定在液态发酵罐的侧壁上，该超声波换能器的辐射面粘结固定在液态发酵罐的罐体上的平面结构处，所述的液态发酵罐的罐底还粘结固定有若干超声波换能器，该超声波换能器的辐射面粘结固定在液态发酵罐的罐体上的平面结构处，所述的超声波换能器的电极片通过导线与超声波发生器相连；
所述的液态发酵罐的罐体侧壁及底部的相应位置上开合适大小的圆洞，在每个圆洞处焊接上一个平面结构；
所述的超声发酵控制系统根据发酵罐装液量的不同，以及不同菌体、植物组织培养物对超声波辐射能量密度的敏感程度的不同选择不同位置的超声波换能器组的开启与否；并根据不同频率、不同功率的超声波对菌体、培养物刺激效果不同，在整个发酵过程中或发酵过程的不同阶段选用不同频率、不同功率的超声波，进而可以调整超声次数的多少、超声间隔及每次超声时间的长短，以强化微生物或植物组织培养物生长代谢，超声发酵控制系统包括：生物发酵过程控制单元和超声控制单元；所述的生物发酵过程控制单元，用于控制生物发酵过程中的pH、溶氧、温度、转速、空气流量、罐压和补料，对整个发酵过程进行实时监控以及数据记录和分析；所述的超声控制单元整合到所述生物发酵过程控制单元中，用于根据发酵不同阶段自动控制超声波换能器的启动、超声频率的选择、超声功率的选择和超声发生时间。
2.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的超声波换能器分为2～10组，每组2～10个超声波换能器，所有的超声波换能器组外接到一个超声波发生器上。
3.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的罐体侧壁上每组的超声波换能器沿液态发酵罐罐壁的同一高度周向等弧度均匀布置，组与组之间等距离排布，若干组的超声波换能器竖直排成若干列。
4.根据权利要求3所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的若干列超声波换能器外部均设有带风扇的不锈钢外罩。
5.根据权利要求1、2或3所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述超声波换能器的电极片通过导线与超声波发生器相连。
6.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的液态发酵罐采用不锈钢材质制成，为机械搅拌式、气升式、鼓泡塔式的全自动或非自动液态发酵罐。
7.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的超声波换能器可为单频、双频或三频超声波换能器。
8.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的单个的超声波换能器的额定功率的范围在10～100W。
9.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的超声波换能器受超声发酵控制系统调控，调控参数包括：超声发生时间为0～99min；超声功率为额定功率的1%～100%，调控精度1%；超声频率为20～100KHz。
10.根据权利要求1所述的超声强化生物反应器，其特征在于，所述的液态发酵罐上的平面结构为设置在罐体上的圆柱形平台结构，所述的圆柱形平台结构外侧的中心处设有内固螺钉，用于卡合超声波换能器的辐射面。
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