CN102994385B - 一种气升式光、声、磁控生物反应器 - Google Patents

一种气升式光、声、磁控生物反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气升式光、声、磁控生物反应器，包括罐体，还包括设置在罐体内的声波发生装置、设置在罐体侧壁上的磁场发生器和设置在罐体底部的鼓风装置，罐体的顶部设置有延伸至罐体内部的石英玻璃管，石英玻璃管内设置有LED发光棒，罐体上设置有接种口，罐体的顶部设置有出气管道，出气管道上设置有第二空气过滤器。本发明在传统的发酵罐基础上增加了磁场、超声波、可听声波和可控波长的光源等控制因素，使得生产周期更短，生产效率更高。

Description

一种气升式光、声、磁控生物反应器
技术领域
本发明涉及生物细胞发酵的物理控制领域，具体涉及一种气升式光、声、磁控生物反应器，适用于光照、声波、磁场、碳氧比等因子控制生活细胞的生长与次生代谢研究。
背景技术
目前在生物技术领域的科研与生产上，生活细胞，无论是自养细胞还是异养细胞，其人工培养的控制条件大都集中在培养基组成、温度、通（空）气、酸碱度、氧化还原电位、离子浓度等。此外，还对自养细胞使用人工光源，对异养细胞使用避光培养。利用这些传统的控制因子研究各种生活细胞的培养技术以获得目的次生代谢产物一直是生物技术领域的研究热点。
然而，生活细胞生长与次生代谢的调控因子远远不止这些。大量的科学研究证明：生活细胞的营养生长和次生代谢产物积累都受到特定波长或频率的电磁波的调节，例如：一定频率和功率的超声波可以激活细胞并对生活细胞生长与代谢具有积极的促进作用、可听声波对生物生长发育与代谢也有积极地调节作用、特殊波长的光源会有效地调节生活细胞某些特殊的代谢途径而导致一些生物活性物质的积累。一定强度的磁场可以促进生活细胞的生长与代谢。
对生活细胞具有显著调控效应的这些物理因子可用于提高工业化生产人类需要的生物活性物质或者药物的效率。由于不同波长的电磁波都具备一定的能量和频率，且只能被生活细胞内某些特殊的波敏色素或者其它波敏物质（如某些辅酶或者非酶蛋白质受体）吸收而使基因表达或相应的代谢网络发生变化，由此引起某些特定的次生代谢产物表达量增加。或者超声波引起的机械振动和高速传质而促进细胞代谢和次生代谢产物的分泌。或者磁场引起生物大分子的氢键磁性和能量变化而导致生物大分子（酶）的活性增强。这是本发明装置的理论基础。利用生活细胞的这一特性，可以系统深入地研究不同波长的电磁波和磁场对代谢网络的调控机理，这些未知的调控机制是生物波谱反应科学研究的重要内容。该设备是生物化学领域中生化波普反应研究的重要科学仪器，规模放大后也是现代化的生化工程设备。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述不足，提供一种气升式光、声、磁控生物反应器，增加了磁场、超声波、可听声波和可控波长的光源等控制因素，提高生产效率。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种气升式光、声、磁控生物反应器，包括罐体，还包括设置在罐体内的声波发生装置、设置在罐体侧壁上的磁场发生器和设置在罐体底部的鼓风装置，罐体的顶部设置有延伸至罐体内部的石英玻璃管，石英玻璃管内设置有LED发光棒，罐体上设置有接种口，罐体的顶部设置有出气管道，出气管道上设置有第二空气过滤器。
如上所述的声波发生装置包括转轴和声波发生器，转轴和声波发生器通过发声棒支架连接，转轴一端伸出罐体与电机连接。
如上所述的转轴垂直设置，声波发生器为两列分布在转轴两侧，两列声波发生器与转轴的距离不同。
如上所述的鼓风装置包括与罐体底部连通的罐底通道，罐底通道靠近罐体的一端设置有空气过滤器，罐底通道另一端设置有发酵液出口，发酵液出口上设置有第五阀门，罐底通道内设置有气泵，罐底通道侧部与进气通道连通，进气通道内设置有温度控制器和第一空气过滤器，温度控制器两端分别设置有第一阀门和第四阀门。
如上所述的温度控制器包括加热控制器和制冷控制器。
如上所述的空气过滤器包括过滤体和用于开关罐底通道的阀门。
如上所述的石英玻璃管在罐体顶部均匀分布。
如上所述的LED发光棒的发光波长为200-1500纳米。
如上所述的声波发生器声波频率范围为20KHz-500MHz。
如上所述的磁场发生器与罐体外壁贴合，磁场发生器与罐体为固定连接或者可拆卸连接，磁场发生器发出的磁场强度范围为1-2000mT。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
在传统的发酵罐基础上增加了磁场、超声波、可听声波和可控波长的光源等控制因素，使得生产周期更短，生产效率更高。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的LED发光棒的结构图；
图3是本发明的声波发生器的结构图；
图4是本发明的俯视图。
其中：1-罐体；2-石英玻璃管；3-声波发生器；3-1发声棒支架；4-转轴；5-电机；6-LED发光棒；6-1-连接棒；6-2-LED；6-3-导线；7-空气过滤器；8-气泵；9-温度控制器；10-第一空气过滤器；11-第一阀门；12-磁场发生器；13-出气管道；14-第二空气过滤器；15-第二阀门；16-接种口；17-第三阀门；18-第四阀门；19-第五阀门；20-发酵液出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1：
如图1～图4所示，一种气升式光、声、磁控生物反应器，包括罐体1，还包括设置在罐体1内的声波发生装置、设置在罐体1侧壁上的磁场发生器和设置在罐体1底部的鼓风装置，罐体1的顶部设置有延伸至罐体1内部的石英玻璃管2，石英玻璃管2内设置有LED发光棒6，罐体1上设置有接种口16，罐体1的顶部设置有出气管道13，出气管道13上设置有第二空气过滤器14。
声波发生装置包括转轴4和声波发生器3，转轴4和声波发生器3通过发声棒支架3-1连接，转轴4一端伸出罐体1与电机5连接。
转轴4垂直设置，声波发生器3为两列分布在转轴4两侧，两列声波发生器3与转轴4的距离不同。
鼓风装置包括与罐体1底部连通的罐底通道，罐底通道靠近罐体的一端设置有空气过滤器7，罐底通道另一端设置有发酵液出口20，发酵液出口20上设置有第五阀门19，罐底通道内设置有气泵8，罐底通道侧部与进气通道连通，进气通道内设置有温度控制器9和第一空气过滤器10，温度控制器9两端分别设置有第一阀门11和第四阀门18。
所述的温度控制器9包括加热控制器和制冷控制器。
空气过滤器7包括过滤体和用于开关罐底通道的阀门。
石英玻璃管2在罐体1顶部均匀分布。
LED发光棒6的发光波长为200-1500纳米。
声波发生器3声波频率范围为20KHz-500MHz。
磁场发生器与罐体1外壁贴合，磁场发生器与罐体1为固定连接或者可拆卸连接，磁场发生器发出的磁场强度范围为1-2000mT。
实施例2：
生物材料：北虫草液体菌种（Cordyceps militaris）
培养基：优化的北虫草培养液
试验步骤：先开启第一阀门11和第二阀门15，再开启气泵8和电机5，由第一空气过滤器10通入消毒气体对罐体内壁消毒完毕后，再在石英玻璃管插入紫外线LED发光棒，对罐体内壁再次彻底消毒。然后将已经初过滤的培养基由第二空气过滤器14注入罐体内。然后开启气泵8、温度控制器9和电机5，加热的空气不断进入罐内对发酵液进行加热，当温度加热到设定的22摄氏度时，温度控制器9自动停止加热。此时由接种口注入北虫草液体菌种，开启气泵8和电机5进行机械搅拌和气升式搅拌。由石英玻璃管插入620纳米的功率为5W的LED发光棒6，菌种培养120小时后，取出一半数量的LED发光棒6，并重新插入460纳米的功率为5W的LED发光棒6，继续培养240小时。从150小时开始，开启脉冲超声波，超声频率为40KHz,功率为50W，超声波脉冲程序为：5s/min。培养过程中，罐体内温度会缓慢上升，当温度超过设定的上限（25℃）时，温度控制器会自动开启制冷设备，鼓入冷空气使发酵液的温度降到设定的范围。培养360小时后，培养完毕。然后取出少量发酵液分析菌丝产量。
再进行腺苷、虫草素、虫草多糖初步提取：加大气泵的功率向罐体内快速鼓气，同时开启电机和超声波，超声功率加大到1500W，并快速转动，对发酵液内的菌丝进行破碎，促进胞内成分快速溶出。如此处理半小时后，关闭第四阀门18开启第五阀门19和开启空气过滤器7，打开气泵7反转开关，处理后的发酵液放出发酵罐。发酵液再经过过滤、浓缩、沉淀、结晶、层析等方法，可以获得腺苷、虫草素和虫草多糖。下表为本实施方案的产量表。
表1产量表
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本申请的保护范围内。

Claims (1)

1.一种气升式光、声、磁控生物反应器在培养北虫草液体菌种中的应用，包括罐体（1），其特征在于：还包括设置在罐体（1）内的声波发生装置、设置在罐体（1）侧壁上的磁场发生器和设置在罐体（1）底部的鼓风装置，罐体（1）的顶部设置有延伸至罐体（1）内部的石英玻璃管（2），石英玻璃管（2）内设置有LED发光棒（6），罐体（1）上设置有接种口（16），罐体（1）的顶部设置有出气管道（13），出气管道（13）上设置有第二空气过滤器（14）；
所述的声波发生装置包括转轴（4）和声波发生器（3），转轴（4）和声波发生器（3）通过发声棒支架（3-1）连接，转轴（4）一端伸出罐体（1）与电机（5）连接；
所述的转轴（4）垂直设置，声波发生器（3）为两列分布在转轴（4）两侧，两列声波发生器（3）与转轴（4）的距离不同；
所述的鼓风装置包括与罐体（1）底部连通的罐底通道，罐底通道靠近罐体的一端设置有空气过滤器（7），罐底通道另一端设置有发酵液出口（20），发酵液出口（20）上设置有第五阀门（19），罐底通道内设置有气泵（8），罐底通道侧部与进气通道连通，进气通道内设置有温度控制器（9）和第一空气过滤器（10），温度控制器（9）两端分别设置有第一阀门（11）和第四阀门（18）；
所述的温度控制器（9）包括加热控制器和制冷控制器；
所述的空气过滤器（7）包括过滤体和用于开关罐底通道的阀门；
所述的石英玻璃管（2）在罐体（1）顶部均匀分布；
所述的LED发光棒（6）的发光波长为200-1500纳米；
所述的声波发生器（3）声波频率范围为20KHz-500MHz；
所述的磁场发生器与罐体（1）外壁贴合，磁场发生器与罐体（1）为固定连接或者可拆卸连接，磁场发生器发出的磁场强度范围为1-2000mT；
试验步骤：先开启第一阀门（11）和设置在第二空气过滤器（14）上的第二阀门（15），再开启气泵（8）和电机（5），由第一空气过滤器（10）通入消毒气体对罐体内壁消毒完毕后，再在石英玻璃管插入紫外线LED发光棒，对罐体内壁再次彻底消毒，然后将已经初过滤的培养基由第二空气过滤器（14）注入罐体内，然后开启气泵（8）、温度控制器（9）和电机（5），加热的空气不断进入罐内对发酵液进行加热，当温度加热到设定的22摄氏度时，温度控制器（9）自动停止加热，此时由接种口注入北虫草液体菌种，开启气泵（8）和电机（5）进行机械搅拌和气升式搅拌，由石英玻璃管插入620纳米的功率为5W的LED发光棒（6），菌种培养120小时后，取出一半数量的LED发光棒（6），并重新插入460纳米的功率为5W的LED发光棒（6），继续培养240小时，从150小时开始，开启脉冲超声波，超声频率为40KHz,功率为50W，超声波脉冲程序为：5s/min，培养过程中，罐体内温度会缓慢上升，当温度超过设定的上限25℃时，温度控制器会自动开启制冷设备，鼓入冷空气使发酵液的温度降到设定的范围，培养360小时后，培养完毕，
再进行腺苷、虫草素、虫草多糖初步提取：加大气泵的功率向罐体内快速鼓气，同时开启电机和超声波，超声功率加大到1500W，并快速转动，对发酵液内的菌丝进行破碎，促进胞内成分快速溶出，如此处理半小时后，关闭第四阀门（18）开启第五阀门（19）和开启空气过滤器（7），打开气泵（8）反转开关，处理后的发酵液放出发酵罐。
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