CN106244451A - 一种磁力生化混匀反应器 - Google Patents

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CN106244451A CN201610634312.7A CN201610634312A CN106244451A CN 106244451 A CN106244451 A CN 106244451A CN 201610634312 A CN201610634312 A CN 201610634312A CN 106244451 A CN106244451 A CN 106244451A
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李强
季更生
张大钊
毛杨杨
陈永乐
夏兆旺
王文举
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Abstract

本发明公开了一种磁力生化混匀反应器，包括箱体、磁力辅助组件、旋转组件和样品固定组件，箱体内设立生化反应体系，箱体上设有可开启的箱盖；磁力辅助组件包括电磁牵引元件和位于生化反应体系中的磁性载体，电磁牵引元件为生化反应体系提供径向磁场和/或轴向磁场并为磁性载体提供磁力牵引；旋转组件包括旋转驱动装置和转轴，样品固定组件安装在转轴上且能够随所述转轴转动。本发明的磁力生化混匀反应器，通过设置旋转组件和磁力辅助组件带动样品转动，使生化反应体系内部物质发生混合和搅动，减少传质阻力，防止样品发生分层，使生化反应进行得更加均匀和高效，具有广阔的应用前景。

Description

一种磁力生化混匀反应器
技术领域
本发明属于生化反应设备领域，具体涉及一种磁力生化混匀反应器。
背景技术
生物反应器是用于生物催化剂进行物质转化或生产的设备，常见的生物反应器包括固定床反应器、连续搅拌式反应器、流化床反应器等。近年来通过磁性载体固定化生物催化剂，在磁场下进行床层操作的磁辅助生物反应器(magnetically assisted bioreactor，MAB)在传统生物反应器的基础上进一步提高了反应器的性能，解决了许多传统反应器在生产应用中遇到的问题：基于交变磁场的磁辅搅拌技术避免传统机械搅拌对催化颗粒的物理磨损。
对磁辅助生物反应器而言，制备磁性载体是实现磁场对粒子运动控制的首要问题。磁性载体通常由磁核和载体材料两部分组成，磁核为磁性载体提供磁响应性。传统磁性材料包括铁、钴、镍、其氧化物及合金，铁氧体及稀土永磁材料的开发进一步促进了其发展，如高磁能积的稀土钕铁硼(Nd-FeB)已成为目前磁性最强的永磁材料。常见的生物磁性载体使用磁性微粒或磁性纳米粒子作为其磁核，其中Fe3O4的应用最为广泛。常见的磁性微粒的制备方法包括分散法、单体聚合法、沉淀法、化学转化法等；而磁性纳米粒子的制备方法包括化学沉淀法、直接沉淀法、超声沉淀法、水热法、球磨法、微乳液法等，这些方法各具优缺点，应按照实际需求选择适用的方法。
载体材料指包覆于磁性颗粒表面的聚合物材料，决定了磁性载体的表面特性。磁性生物载体的材料需具有较高的机械强度、热稳定性并能抵抗溶剂和微生物的侵蚀。聚合材料含有丰富的功能基团，更适用于不同固定化环境的磁性生物载体。载体材料的选择还需要考虑到磁性载体的实际应用，以使其满足所需的一系列特性，包括形状、体积尺寸、硬度、密度、热性能、力学性能、孔隙性能、磁特性、亲水性、化学惰性、表面电荷、表面基团密度、聚合特性、成本、制备的难易程度等。
在生产车间或实验室里，为了精确控制生化反应，通常需要将生化反应物置入恒温恒压的反应系统中，如中国专利文献CN104338501A公开了一种可调光的光化学反应箱，包括：箱体、样品架和控制系统，所述箱体包括底板、盖板、左侧板、右侧板、前侧板和后侧板；所述左侧板和右侧板的内表面设有光源；所述前侧板和后侧板设有风扇；所述样品架固定在所述底板上，且与所述左侧板相平行；所述样品架上设有温度传感器；所述控制系统包括温控模块、光控模块和定时模块，所述温控模块的输入端和输出端分别与所述温度传感器及风扇连接；所述光控模块和定时模块分别与光源连接。该光化学反应箱中的光控模块可调节光源的强度，温度传感器和温控模块可对箱内温度进行调节，定时模块用于在达到设置时，打开或关闭光源。然而由于放置样品的样品架固定在底板上，当样品为液体时，受重力作用样品内部会出现分层的现象，如果液体反应物中还有固体，则分层现象会更为严重，这导致样品内部物质分布不均衡，进而使生化反应不均匀，影响实验效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的生化反应器中生化反应发生不均匀的问题，本发明提供一种能够使样品充分受到磁力搅拌且使生化反应器中生化反应均匀进而提高混匀反应效果的生化反应器。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的磁力生化混匀反应器，包括：
箱体，箱体内设立生化反应体系，箱体上设有可开启的箱盖；
磁力辅助组件，包括电磁牵引元件和位于生化反应体系中的磁性载体，所述电磁牵引元件为生化反应体系提供径向磁场和/或轴向磁场并为磁性载体提供磁力牵引；
旋转组件，包括旋转驱动装置和转轴，所述转轴设置在所述箱体内部并在所述旋转驱动装置的驱动作用下而转动；
样品固定组件，安装在所述转轴上且能够随所述转轴转动，用于固定样品。
作为优选，所述样品固定组件包括安装件和安装板，所述安装件设置在所述转轴上并与所述转轴的轴线垂直；所述安装板固定在所述安装件上并具有至少一个用于固定样品的安装板通孔。
作为优选，所述安装板的板面与所述转轴的轴线呈15°-75°夹角。
作为优选，所述安装板通过角度调节机构固定在所述安装件上，该角度调节机构用于调节所述安装板的板面和转轴的轴线形成的夹角。
作为优选，所述磁力生化混匀反应器还包括控温组件，所述控温组件包括设置在所述箱体壁上用于使箱体内外空气流通的通风装置、用于提高所述箱体内温度的制热装置、用于降低所述箱体内温度的制冷装置中的一种或几种。
作为优选，所述通风装置为轴流风扇，所述制冷装置穿过箱体壁设置，包括安装在所述轴流风扇上的第一半导体片，位于箱体外侧的第二半导体片，所述第一半导体片与所述第二半导体片之间设有用于制冷的半导体制冷件；所述半导体制冷件还具有制热功能，当所述半导体制冷件设置为制热模式时即执行制热功能，所述制冷装置转变为制热装置，当所述半导体制冷件设置成制冷模式就执行制冷功能，并用作于制冷装置。
作为优选，所述第一半导体片与所述第二半导体片之间设置隔热板，所述隔热板中间成型有隔热板通孔，所述半导体制冷件固定在所述隔热板通孔内，所述箱体内壁上还设置有覆盖轴流风扇气流入口的导流板，所述导流板上设置有若干用于气体分散的导流板通孔。
箱体内的热气流通过导流板通孔进入轴流风扇，轴流风扇使箱体内空气流经第一半导体片，空气中的热量经第一半导体片传递给半导体制冷件，半导体制冷件再将热量通过第二半导体片散发到箱体外，从而实现反应体系的制冷。
作为优选，所述磁力生化混匀反应器还包括温度传感器和控制组件，所述温度传感器位于箱体内部，用于测定所述箱体内的温度，并将测得的温度值传递至安装在所述控制面板上的所述控制组件，所述控制组件根据温度值控制所述控温组件。
作为优选，所述控制组件还与所述旋转驱动装置和/或所述磁力辅助组件连接，控制旋转驱动装置的启动、停止以及转速，和/或控制磁力辅助组件的启闭及磁力强度。
作为优选，所述电磁牵引元件安装在箱体顶部内壁上的安装空间内，安装空间开口处设置有防护罩密封所述安装空间。
作为优选，所述箱体内壁采用防止反应物腐蚀的材料，其中优选镜面不锈钢，镜面层为具有光洁表面的不锈钢板。
工作原理：本发明的磁力生化混匀反应器，通过设置旋转组件和磁力辅助组件带动样品转动，使生化反应体系内部物质发生混合和搅动，减少传质阻力；安装板的板面与转轴之间形成的夹角使得试管内的样品，不仅仅是绕着转轴转动，试管还会上下倒置，可以防止样品转动过程中发生分层，使生化反应进行得更加均匀和高效。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先，本发明的磁力生化混匀反应器通过设置旋转组件带动样品转动，使样品内部的物质发生充分混合和搅动，防止样品发生分层，使生化反应进行得更加均匀，提高实验效果。
其次，本发明的磁力生化混匀反应器由于安装板的板面与转轴具有一定的夹角，所以装有样品的试管在安装到安装板上时，也与转轴的轴线形成一定夹角。当转轴转动时，试管内的样品，不仅仅是绕着转轴转动，试管还会上下倒置，使试管内的样品获得充分的搅动，进一步提高生化反应的均匀性。
此外，在本发明的磁力生化混匀反应器中，半导体制冷件体积小，无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响；通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷/制热速率，制冷/制热速度快，使用寿命长，且易于控制；并且设置半导体制冷件使箱体内与箱体外只发生热交换，不发生物质(气体)交换，保证了箱体内的密封性，因而可严格控制箱体内的温度、压强等条件，使生化反应的进行不受到外部环境的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1的主视剖视图；
图2是本发明实施例1的右视剖视图；
图3是本发明实施例1的后视图；
图4是本发明实施例1的俯视图；
图5是本发明实施例1的电磁铁构建的轴向匀场。
图中附图标记的含义为：1背板，2网罩，3轴流风扇，4接线端子，5熔丝管座，6护线环，7无刷调速电动机，8联轴器，9O型密封圈，10密封盖，11转轴，12箱盖，13反应管夹具，14密封条，15轴承，16导流板，17开关电源，18脚垫，19前面板，20夹具支架，21支柱，22安装板，23内六角螺钉，24第一半导体片，25半导体制冷片，26导热片，27隔热板，28铰链，29第二半导体片，30轴流风扇安装板，31PLC控制面板，32温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步解释说明。
如图1至5所示，本发明的一种磁力生化混匀反应器，包括箱体、安装腔、磁力辅助组件、旋转组件、样品固定组件、温度传感器32、控温组件和控制组件。该箱体为内外双层，上面设有双层箱盖12，箱体和箱盖12的双层之间以及箱盖12和箱体之间的接触面均安装密封条14，增加箱盖12与箱体之间的密闭性。安装腔设置在所述箱体的侧壁外部，打开侧壁后即可打开安装腔，安装腔内设置有开关，用于控制磁力生化混匀反应器整体的电源的通/断，安装腔的前壁外侧或顶壁外侧设置PLC控制面板31。磁力辅助组件，包括电磁牵引元件和磁性载体，其中电磁牵引元件为市售普通电磁铁，并设置在箱体顶部内壁上且向内凹陷形成的安装空间内，电磁铁提供径向磁场和/或轴向磁场并为箱体内生化反应体系中的磁性载体提供磁力牵引，本实施例中电磁牵引元件具有4个电磁铁，并安装在密封条14后面，所用的磁性载体为可以负载酶或者其他生物材料的载体，如磁性纳米铁、磁性石墨烯等，实施生化反应过程时磁性载体被安放在生化反应体系中，例如放在样品反应管内。旋转组件，旋转组件包括旋转驱动装置——即无刷调速电动机7——和转轴11，转轴11的一端通过轴承15固定在箱体的侧壁上，另一端通过联轴器8与无刷调速电动机7连接，无刷调速电动机7设置在箱体外侧的安装腔内，为了使无刷调速电动机7的驱动轴能够与箱体内的联轴器8连接，箱体侧壁上设有开口，开口处设置有O型密封圈9和固定O型密封圈9的密封盖10，以将无刷调速电动机7的驱动轴与箱体侧壁间的空隙密封。
本发明的磁力生化混匀反应器还包括样品固定组件，该样品固定组件包括安装件和安装板22，安装件，即夹具支架20设置在转轴11上且与转轴11的轴线垂直，安装板22固定在该安装件上，该安装板22上具有至少一个用于固定样品的安装板通孔，将反应管插入安装板通孔内，并用反应管夹具13固定住，即可实现样品在安装板22上的牢稳固定，同时安装板22安装在夹具支架2的两长臂上，然后固定在转轴上，如图2所示。
本发明的磁力生化混匀反应器中，安装板的板面与转轴11的轴线形成15°-75°中任一度数的夹角，优选形成30°-45°的夹角。由于该安装板的板面与转轴11具有一定的夹角，所以装有样品的反应管在安装到安装板22上时，也与转轴11的轴线形成一定夹角。当转轴11转动时，试管内的样品，不仅仅是绕着转轴11转动，试管还会上下倒置，使试管内的样品获得充分的混合和搅动，防止样品发生分层，并且位于内部的物质在转动时能够运动到表层充分接收光线照射(生化反应需要光线时安装光源即可)，使生化反应进行得更加均匀，提高实验效果。
作为一种改进的实施方式，所述安装板22可以通过角度调节机构固定在所述安装件上，该角度调节机构能够调节所述安装板22的板面与转轴11的轴线形成的夹角。该角度调节机构可以是设置在安装件的正多边形插接孔，安装板22上设置有与多边形插接孔配合的正多边形插口，通过正多边形插口以不同角度插入正多边形插接孔中，以实现对所述安装板22的板面与转轴11的轴线形成的夹角的调节，应注意的是，角度调节机构也可以是其它形式，只要是现有技术中公开的可用于实现调节安装板22角度的机构均落在保护范围内。通过设置角度调节机构来调节安装板22的板面与转轴11的轴线形成的夹角可以获得不同的混合效果，以提高磁力生化混匀反应器对于不同样品的适应力。
结合图1和图3中可以看到，本发明的磁力生化混匀反应器中，还包括控温组件。控温组件包括轴流风扇3、制冷装置或制热装置中的一种或几种，该轴流风扇3通过支柱21、内六角螺钉23和轴流风扇安装板30设置在箱体的背板1内壁上，用于箱体内外空气流通，轴流风扇3连接用于提高箱体内温度的制热装置和/或用于降低箱体内温度的制冷装置。另外，在箱体内壁上还设置有覆盖轴流风扇3气流入口的导流板16，导流板16上设置有若干导流板通孔，以使气流分散，轴流风扇3的另一侧罩有网罩2。
箱体的背板1上设有接线端子4、熔丝管座5和护线环6，接线端子4与安装腔内开关电源17连接，并用后板盖装住，用于控制磁力生化混匀反应器整体的电源的通/断，磁力生化混匀反应器的底部设置有脚垫18。
本发明的磁力生化混匀反应器，还包括控制组件和温度传感器，控制组件安装在安装腔前面板19上的控制面板31上，控制面板31上有控制按钮，按动相应的控制按钮就可以控制旋转驱动装置、磁力辅助组件及控温组件。设置在箱体内部的温度传感器32可实时获得箱体内的温度值，然后将该温度值传送给控制组件，控制组件通过与温度设定值进行对比，当实际温度值高于设定值时，控制制冷装置运行，实际温度值低于设定值时，控制制热装置运行，以使温度恒定；控制组件还可控制旋转驱动装置的启动/停止以及控制其转速，并控制磁力辅助组件的开启/关闭以及磁力强度。
本实施例的磁力生化混匀反应器，制冷装置穿过箱体的后壁1设置，该制冷装置包括第一半导体片24、第二半导体片29、第一半导体片24与第二半导体片29之间的半导体制冷件25，第一半导体片24安装在所述轴流风扇3上，第二半导体片29位于箱体背板1外侧，第一半导体片24与第二半导体片29之间设置隔热板27，隔热板27通过螺钉23与第一半导体片24连接，在隔热板27中间成型有通孔，半导体制冷件25位于该隔热板通孔内，隔热板27起到固定半导体制冷件25的作用，并可以保证热量垂直于半导体制冷件25板面方向通过。轴流风扇3使箱体内空气流经第一半导体片24，空气中的热量经第一半导体片24垂直传递给半导体制冷件25，半导体制冷件25再将热量通过第二半导体片29散发到箱体外。为了进一步提高导热效果，在半导体制冷件25的板面两侧或一侧还设置有导热片26，导热片26使半导体制冷件25与第一半导体片24和第二半导体片29分别接触，如图3所示。所述半导体制冷件25还具有制热功能，当控温组件设置为制热模式时，半导体制冷件25即执行制热功能，此时制冷装置就转变为制热装置工作，反之，当设置成制冷模式时半导体制冷件25就执行制冷功能。半导体制冷件25即可制冷又可制热的特性，实现了制热装置和制冷装置的功能切换。
该半导体制冷件25体积小，无机械传动部分，工作中无噪音，无液、气工作介质，不污染环境，制冷参数不受空间方向以及重力影响；通过调节工作电流的大小，可方便调节制冷速率，制冷速度快，使用寿命长，且易于控制，并且所设置的半导体制冷件25使箱体内与箱体外只发生热交换，不发生物质(气体)交换，保证了箱体内的密封性。因而可严格控制箱体内的温度、压强等条件，使生化反应的进行不受到外部环境的影响。对密封性要求不高时，也可以在箱体的壁上仅设置用于使箱体内外空气流通的例如风扇类的通风装置，通过空气的流通来实现温度控制。
本发明的磁力生化混匀反应器，所述磁力生化混匀反应器包括设置在所述箱体顶部内壁上且向内凹陷以形成安装所述磁力辅助组件的空间，所述安装空间内设置有电磁铁，并且所述安装空间开口处设置有防护罩，以将所述磁力辅助组件安装空间密封。防护罩使电磁铁与箱体内的其它空间相隔离，防止实验人员触碰到，保护电磁组件以及实验人员的安全。当转轴11旋转时，反应管里的磁性载体同时受到轴向磁场牵引。
在具体实施例中，箱体内壁具有用于防腐的镜面不锈钢。镜面层为具有光洁表面的不锈钢板。箱盖为“椭圆形”盖装在箱体的上壁和前壁上，箱盖通过铰链28与箱体上壁外表面固定，箱体的反应腔为椭圆形，箱体的侧壁上设置有侧板，打开侧板后即可打开安装腔，安装腔内设置有开关，用于控制磁力生化混匀反应器整体的电源的通/断。箱体的底部设置有脚垫18，并设置了一组(两个)轴流风扇3和制热/制冷装置，温度传感器32设置在箱体前后壁之间2/3的位置。
以上描述是用于实施本发明的一些最佳模式和其他实施方式，只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁力生化混匀反应器，其特征在于，包括：
箱体，箱体内设立生化反应体系，箱体上设有可开启的箱盖(12)；
磁力辅助组件，包括电磁牵引元件和位于生化反应体系中的磁性载体，所述电磁牵引元件为生化反应体系提供径向磁场和/或轴向磁场并为磁性载体提供磁力牵引；
旋转组件，包括旋转驱动装置和转轴(11)，所述转轴(11)设置在所述箱体内部并在所述旋转驱动装置的驱动作用下而转动；
样品固定组件，安装在所述转轴(11)上且能够随所述转轴(11)转动。
2.根据权利要求1所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述样品固定组件包括安装件和安装板(22)，所述安装件设置在所述转轴(11)上并与所述转轴(11)的轴线垂直；所述安装板(22)固定在所述安装件上并具有至少一个用于固定样品的安装板通孔。
3.根据权利要求2所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述安装板(22)的板面与所述转轴(11)的轴线呈15°-75°夹角。
4.根据权利要求2所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述安装板(12)通过角度调节机构固定在所述安装件上。
5.根据权利要求1-4任一项所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：还包括控温组件，所述控温组件包括设置在所述箱体壁上的通风装置、用于提高所述箱体内温度的制热装置、用于降低所述箱体内温度的制冷装置中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述通风装置为轴流风扇(3)；所述制冷装置穿过箱体的后壁设置，包括安装在所述轴流风扇(3)上的第一半导体片(24)，位于箱体外侧的第二半导体片(29)，所述第一半导体片与所述第二半导体片之间设有用于制冷的半导体制冷件(25)；所述半导体制冷件(25)还具有制热功能，当设置为制热模式时半导体制冷件即执行制热功能，所述制冷装置转变为制热装置，当设置成制冷模式所述半导体制冷件就执行制冷功能并用作制冷装置。
7.根据权利要求6所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述第一半导体片(24)与所述第二半导体片(29)之间设置隔热板(27)，所述隔热板(27)中间成型有隔热板通孔，所述半导体制冷件(25)固定在所述隔热板通孔内，所述箱体内壁上还设置有覆盖轴流风扇(3)气流入口的导流板(16)，所述导流板(16)上设置有若干用于气体分散的导流板通孔。
8.根据权利要求5所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述磁力生化混匀反应器还包括温度传感器(32)和控制组件，所述温度传感器(32)位于箱体内部并将测得的温度值传递至所述控制组件，所述控制组件根据温度值控制所述控温组件的关闭或启动。
9.根据权利要求8所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述控制组件还与所述旋转驱动装置和/或所述磁力辅助组件连接，控制旋转驱动装置的启动、停止以及转速，和/或控制磁力辅助组件的启闭及磁力强度。
10.根据权利要求1所述的磁力生化混匀反应器，其特征在于：所述电磁牵引元件安装在箱体顶部内壁上的安装空间内，安装空间开口处设置有用于密封所述安装空间的防护罩。
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