CN104450517A - 一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器 - Google Patents

一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器 Download PDF

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Abstract

一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器，包括罐体和搅拌装置，在罐体的内壁上设有发声机构；所述发声机构包括信号发生单元和设置在罐体内壁上的发声棒；所述发声棒共有8组，每组发声棒由一超声波发声棒和一可听声波发声棒组成；各组发声棒均布置在罐体内壁合理的位置上；所述信号发生单元设有4个，每个信号发生单元通过电缆与其中两组发声棒相连，信号发生单元通过MAX038函数发声器产生高频信号，高频信号通过信号放大后驱动发声棒发声；所设的八组发声棒在罐体内壁的不同位置设置，可同时发出可听声波和超声波，各声波之间相互协调对罐内的微生物进行刺激培养，达到了意向不到的效果，大大提高了微生物发酵效率；具有较好的工业应用前景。

Description

一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器
技术领域
本发明涉及一种生物反应器，具体说是一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器。
背景技术
在生物反应器的设计方面，传统的微生物发酵条件主要考虑的是培养基的组成、pH值、温度、溶氧、离子浓度、氧化还原电等因素，这些因素的控制可以对细胞的高密度培养以及次级代谢产物产量的提高起到了非常大的促进作用。目前，有研究显示声波可促进微生物的生长，然而没有专门的用于声波培养的发酵培养生物反应器，尤其没有能获得理想培养效果的搅拌式生物反应器。
发明内容
本发明的目的是在现有发酵罐基础上通过耦合声效应，提供一种可实现对微生物的最佳声波培养，可促生长、促代谢、促合成的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，所述生物反应器可应用在增加微生物代谢产物产量、加快微生物生长速度或/和增加微生物油脂产量中的方面。
一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器，包括罐体和搅拌装置，在罐体的内壁上设有发声机构；所述发声机构包括信号发生单元和设置在罐体内壁上的发声棒；所述发声棒共有8组，每组发声棒由一超声波发声棒和一可听声波发声棒组成，；其中，两组发声棒设置在罐体顶部，两者的距离为罐体内径长度的二分之一；在罐体高度2/3处和1/2处的内壁上分别设有两组对称分布的发声棒，且罐体高度1/2处的两组发声棒与顶部设置的两组发声棒之间呈等腰梯形布置；罐体高度2/3处的两组发声棒与高度1/2处的两组发声棒的分布方向正交，且高度2/3处的每组发声棒均和顶部设置的两组发声棒之间呈等腰三角形布置；在罐体高度2/3处和罐体高度1/2处之间沿竖直方向等间距分布有两组发声棒； 所述信号发生单元设有4个，每个信号发生单元通过电缆与其中两组发声棒相连，信号发生单元通过MAX038函数发声器产生高频信号，高频信号通过信号放大后驱动发声棒发声；所述的发声机构的可听声波频率为1000Hz ~8000Hz，超声波的频率为25kHZ-35 kHZ，强度为80~110dB；所述搅拌装置的搅拌速度为150-250rpm。
所述发声机构的声波频率优选为5000Hz；声强优选为90-110 dB；所述的搅拌装置的搅拌速度优选为150r/min。
所述信号发生单元上设有外源音频播放器接口、调节MAX038函数发声器产生高频信号波形的波形选择开关、调节声波频率大小的频率调节旋钮、调节声波强度的声强调节旋钮和可显示声波的频率和强度的显示面板45。
所述搅拌装置包括电动机、减速机 和搅拌轴；所述减速机 设置在电机 与搅拌轴之间；搅拌轴伸入到罐体内部，搅拌轴 上还设有搅拌桨 。所述搅拌桨 为三个，等距离设置在搅拌轴 上。
所述罐体上设有温控装置，所述的温控装置包括四列均匀分布在罐体内壁上的蛇管，其中两个蛇管内为循环热水，另外两个蛇管内为循环冷却水。
所述罐体上有设有接种口、压力检测表、温度显示器、pH测量孔、溶氧检测孔、进气口和进料口；罐体顶部有出气口；罐体底部有发酵液排放口 和三角支架。
所述发声棒和信号发生单元均设有防护套，可用于保护发生机构，提高生物培养基的使用寿命。
有益效果：
1、本发明在传统的发酵罐上设计出用于声波培养微生物的生物反应器，在发酵罐的内部设置发生机构，所设的八组发声棒在罐体内壁的不同位置设置，可同时发出可听声波和超声波，各声波之间相互协调对罐内的微生物进行刺激培养，达到了意向不到的效果，大大提高了微生物发酵效率；可使生长速度提高3倍以上，微生物代谢产量达到了普通培养的2倍以上，微生物油脂产量提高1.9倍。另外，所发出的声波与发酵罐的搅拌速度相结合，通过耦合声效应促进微生物的生长；该培养方式在发酵的过程中除增强了装置的传质动力外，通过声对生物细胞进行周期性“挤压”，诱发细胞表面周期性的机械应力，进而促进细胞代谢、基因表达、细胞生长和增殖。另一方面，这种周期性“挤压”将加速胞内流体的运动，并引起细胞质膜的形变，导致细胞膜流动性增加，并引起膜蛋白构象的改变，并最终影响膜转运功能的调节，加速了胞内的代谢活动，从而有效发挥声效应促生长、促代谢和促合成的过程。
2、本发明打破了传统的培养方式，采用可听声波与超声波相互结合方式的对微生物进行培养，设计出了相关的生物反应器；可直接将本发明生物反应器进行培养，就可以达到很好的培养效果；本发明通过从罐体内不同位置发出的特定频率和强度的声波作用于罐体内培养的微生物，结合合理的搅拌转速，可有效增加细胞膜酯的流动性，并有利于营养物质的吸收，具有较好的工业应用前景，在发基于声效应的促生长、促代谢、促合成的新型生物技术等具有重要的应用价值。
附图说明
图1是用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器结构示意图；
图2是图1中生物反应器的发声棒在罐体内的分布示意图；
图3是图1中生物反应器的信号发生单元的示意图；
图4是图1中生物反应器的发声机构的示意图；
图中标记是：1、罐体；2、搅拌装置；21、电动机；22、减速机；23、搅拌轴；24、搅拌桨；3、发声棒；4、信号发生单元；41、外源音频播放器接口；42、波形选择开关；43、频率调节旋钮；44、声强调节旋钮；45、显示面板；11、蛇管；12、压力检测表；13、温度显示器；14、进气口；15、接种口；16、发酵液排放口；17、出气口；18、PH测量孔；19、溶氧检测孔；20、进料口。
具体实施方式
如图所示，一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器，包括罐体1和搅拌装置2；在罐体1的内壁上设有发声机构；所述发声机构包括信号发生单元4和设置在罐体1内壁上的发声棒3；所述发声棒3共有8组，每组发声棒3由一超声波发声棒和一可听声波发声棒组成，；其中，两组发声棒3设置在罐体1顶部，两者的距离为罐体1内径长度的二分之一；在罐体1高度2/3处和1/2处的内壁上分别设有两组对称分布的发声棒3，且罐体1高度1/2处的两组发声棒3与顶部设置的两组发声棒3之间呈等腰梯形布置；罐体1高度2/3处的两组发声棒3与高度1/2处的两组发声棒3的分布方向正交，且高度2/3处的每组发声棒3均和顶部设置的两组发声棒3之间呈等腰三角形布置；在罐体1高度2/3处和罐体1高度1/2处之间沿竖直方向等间距分布有两组发声棒3； 所述信号发生单元4设有4个，每个信号发生单元4通过电缆与其中两组发声棒3相连，信号发生单元4通过MAX038函数发声器产生高频信号，高频信号通过信号放大后驱动发声棒3发声；所述的发声机构的可听声波频率为1000Hz ~8000Hz，超声波的频率为25kHZ-35 kHZ，强度为80~110dB；所述搅拌装置2的搅拌速度为150-250rpm。
所述发声机构的可听声波频率为5000Hz，超声波的频率为30 kHZ；声强为90-110 dB；所述的搅拌装置2的搅拌速度为150r/min。
所述信号发生单元4上设有外源音频播放器接口41、调节MAX038函数发声器产生高频信号波形的波形选择开关42、调节声波频率大小的频率调节旋钮43、调节声波强度的声强调节旋钮44和可显示声波的频率和强度的显示面板45。
所述搅拌装置2包括电动机21、减速机 22和搅拌轴23；所述减速机 22设置在电机 21与搅拌轴23之间；搅拌轴23伸入到罐体1内部，搅拌轴 23上还设有搅拌桨 24。所述搅拌桨 24为三个，等距离设置在搅拌轴 23上。
所述搅拌装置2包括电动机21、减速机 22和搅拌轴23；所述减速机 22设置在电机 21与搅拌轴23之间；搅拌轴23伸入到罐体1内部，搅拌轴 23上还设有搅拌桨 24。所述搅拌桨 24为三个，等距离设置在搅拌轴 23上。
所述罐体1上设有温控装置，所述的温控装置包括四列均匀分布在罐体1内壁上的蛇管11，其中两个蛇管11内为循环热水，另外两个蛇管内为循环冷却水。
所述罐体1上有设有接种口15、压力检测表12、温度显示器13、pH测量孔18、溶氧检测孔19、进气口14和进料口20；罐体1顶部有出气口17；罐体1底部有发酵液排放口 16和三角支架。
所述发声棒3和信号发生单元4均设有防护套。
实施例1  用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器在增加微生物代谢产物产量中的应用及产量结果对比
微生物材料：纳塔尔链霉菌液体菌种
培养基：1、平板及斜面培养基g/L：葡萄糖10，麦芽汁3，酵母膏3，蛋白胨5，琼脂20，pH7.0～pH7.3；2、种子培养基g/L：葡萄糖20，大豆蛋白胨10，酵母膏6，氯化钠10，pH7.3；3、发酵培养基g/L：黄豆饼粉40，葡萄糖20，可溶性淀粉40，酵母膏7，pH7.0。
操作步骤：将微生物纳塔尔链霉菌液体菌分为两组，第一组采用传统的培养方式进行培养；第二组采用本发明用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器进行培养，具体操作方式为：先通过进气口14通入蒸汽进行生物反应器的空罐灭菌。然后将已灭菌的培养基由进料口20注入罐体1内。待温度降至接种温度时，由接种口15注入纳塔尔链霉菌液体菌种，开启电动机2进行机械搅拌，搅拌转速控制在150rpm。从进气口16通入无菌空气，通风比按1:0.8 V／V·m进行。开启声发生装置，调节可听声波频率为5000Hz，超声波频率为30 kHZ； 声强为 100dB，进行持续刺激处理。培养过程中，通过冷却水对发酵罐进行温度控制。培养96小时，由发酵液排放口16排出发酵液，进行后续处理并测定纳他霉素产量。
      表1. 纳塔尔链霉菌液体菌发酵产纳他霉素结果对比
表1结果表明，本发明生物反应器中的发声机构设计合理，发声棒布局合理，可显著提高纳塔尔链霉菌液体菌发酵产纳他霉素，在增加微生物代谢产物产量方面的应用具有较好的效果，使产量增加了2倍以上。
实施例2、用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器在加快微生物生长速度中的应用及培养效果对比
微生物材料：枯草芽孢杆菌菌种
   培养基：玉米淀粉15g/L, 豆饼粉 10 g/L，NH42SO4 6 g/L, 玉米浆3 g/L, 麸皮5g/L,MgSO4 1g/L, K2HPO4 2 g/L, MnSO4 0.05 g/L, CaCO3  0.4 g/L, pH7.0, 25% 溶氧水平，42℃，3天。
设一组按照常规培养方式培养的枯草芽孢杆菌；采用本发明微生物声波培养的搅拌式生物反应器的操作为：先通过进气口14，通入蒸汽进行生物反应器的空罐灭菌。然后将已灭菌的培养基由进料口20注入罐体1内。待温度降至接种温度时，由接种口15接入枯草芽孢杆菌液体菌种，开启电机2进行机械搅拌，搅拌转速控制在200-250 rpm。从进气口17通入无菌空气，通风比按1:0.6V／V·m进行。开启声发生装置，可听声波的调节频率依次为1000 Hz，2000Hz，4000 Hz和8000 Hz，超声波的频率依次为20kHZ、 25kHZ 、30kHZ和35kHZ；声强分别为80dB，90 dB，100 dB和110dB 进行连续刺激处理。培养过程中，通过冷却水对发酵罐进行温度控制。培养48小时，由发酵液排放口14排出发酵液，并取样通过测定生物量及芽孢数。
表2. 枯草芽孢杆菌的培养结果对比：
表2结果表明，本发明生物反应器中的发声机构中的发声棒和信号发声单元的设置合理，具有较好的培养效果，枯草芽孢杆菌的生长速度可提高3倍以上；在本发明生物反应器所设声波频率和强度的范围内，搅拌转速控制在200-250 rpm时， 均可以达到理想的培养效果，在促进微生物生长方面效果良好。
实例3：用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器在增加微生物油脂产量中的应用及产量结果对比
微生物材料：粘红酵母CICC31596菌种
培养基：葡萄糖 80 g/L，硫酸铵 1.11 g/L，磷酸二氢钾 2.5 g/L，蛋白胨 1.8 g/L初始, pH 5.8 ，250mL 三角瓶装 40 mL 发酵液。
将微生物粘红酵母CICC31596菌分为两组，第一组采用传统的培养方式进行培养；第二组采用本发明用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器进行培养，先通过进气口13，通入蒸汽进行生物反应器的空罐灭菌。然后将已灭菌的培养基由进料口16注入罐体1内。待温度降至接种温度时，由接种口接入凝结芽孢杆菌液体菌种，开启电机2进行机械搅拌。从进料口20通入无菌空气，空气进入发酵罐之前经过空气过滤器，通风比按1:1V／V·m进行。开启声发生装置，可听声波发声棒调节频率的分别调节为2000Hz和3000 Hz，超声波发声棒调节的频率分别为35kHZ和25kHZ， 声强为90 dB，通过8组发声棒对培养物进行连续刺激处理。培养过程中，通过冷却水对发酵罐进行温度控制。培养96小时，由发酵液排放口16排出发酵液。将发酵液离心，得湿菌体，称取 0.5 g，加入 5 mL 蒸馏水振荡混匀后，超声处理，功率 200 w，全程时间 8 min，其中脉冲时间 5 s，间隔时间 4 s。破碎后的菌液，加入2.5倍体积的氯仿-甲醇提取液，振荡混匀，4000 rpm 离心 20 min，取下层氯仿溶液，与等体积 0.15%氯化钠溶液混匀，再次离心后，将下层氯仿溶液转移至锥形瓶内，室温自然挥发氯仿 36 h 后获得油脂的重量，结果见表3。
表3粘红酵母CICC31596发酵产油脂产量的对比结果
表3结果表明，本发明生物反应器中的发声机构设计合理，可显著提高粘红酵母CICC31596发酵产油脂产量，产量提高1.9倍以上，在增加微生物油脂产量中方面的应用具有较好的效果。

Claims (9)

1.一种用于微生物声波培养的搅拌式生物反应器，包括罐体(1)和搅拌装置(2)，其特征在于：在罐体（1）的内壁上设有发声机构；所述发声机构包括信号发生单元（4）和设置在罐体（1）内壁上的发声棒（3）；所述发声棒（3）共有8组，每组发声棒（3）由一超声波发声棒和一可听声波发声棒组成；其中，两组发声棒（3）设置在罐体（1）顶部，两者的距离为罐体（1）内径长度的二分之一；在罐体（1）高度2/3处和1/2处的内壁上分别设有两组对称分布的发声棒（3），且罐体（1）高度1/2处的两组发声棒（3）与顶部设置的两组发声棒（3）之间呈等腰梯形布置；罐体（1）高度2/3处的两组发声棒（3）与高度1/2处的两组发声棒（3）的分布方向正交，且高度2/3处的每组发声棒（3）均和顶部设置的两组发声棒（3）之间呈等腰三角形布置；在罐体（1）高度2/3处和罐体（1）高度1/2处之间沿竖直方向等间距分布有两组发声棒（3）； 所述信号发生单元（4）设有4个，每个信号发生单元（4）通过电缆与其中两组发声棒（3）相连，信号发生单元（4）通过MAX038函数发声器产生高频信号，高频信号通过信号放大后驱动发声棒（3）发声；所述的发声机构的可听声波频率为1000Hz ~8000Hz，超声波的频率为25kHZ-35 kHZ，强度为80~110dB；所述搅拌装置(2)的搅拌速度为150-250rpm。
2.如权利要求书1所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述发声机构的可听声波频率为5000Hz，超声波的频率为30 kHZ；声强为90-110 dB；所述的搅拌装置（2）的搅拌速度为150r/min。
3.如权利要求书1所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述信号发生单元(4)上设有外源音频播放器接口(41)、调节MAX038函数发声器产生高频信号波形的波形选择开关(42)、调节声波频率大小的频率调节旋钮(43)、调节声波强度的声强调节旋钮（44）和可显示声波的频率和强度的显示面板（45）。
4.如权利要求书1所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述搅拌装置(2)包括电动机(21)、减速机 (22)和搅拌轴(23)；所述减速机 (22)设置在电机 (21)与搅拌轴(23)之间；搅拌轴(23)伸入到罐体(1)内部，搅拌轴 (23)上还设有搅拌桨 (24)。
5.如权利要求书4所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述搅拌桨 (24)为三个，等距离设置在搅拌轴 (23)上。
6.如权利要求书1所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述罐体(1)上设有温控装置，所述的温控装置包括四列均匀分布在罐体(1)内壁上的蛇管(11)，其中两个蛇管(11)内为循环热水，另外两个蛇管内为循环冷却水。
7.如权利要求书1所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述罐体(1)上有设有接种口(15)、压力检测表(12)、温度显示器(13)、pH测量孔(18)、溶氧检测孔(19)、进气口(14)和进料口(20)；罐体(1)顶部有出气口(17)；罐体(1)底部有发酵液排放口 (16)和三角支架。
8.如权利要求书1-7其中之一所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述发声棒（3）和信号发生单元（4）均设有防护套。
9.如权利要求书1-7其中之一所述的微生物声波培养的搅拌式生物反应器，其特征在于：所述生物反应器在增加微生物代谢产物产量、加快微生物生长速度或/和增加微生物油脂产量中的应用。
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