CN109401951A - 一种缩微化高通量发酵装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缩微化高通量发酵装置，包括控制机箱模块、多联发酵罐模块、补料模块和触摸屏；控制机箱模块、多联发酵罐模块、补料模块和触摸屏集成为一体机；多联发酵罐模块是两联、四联、六联、八联或更多联合方式；多套发酵装置间可扩展连接，最多可扩展连接96套发酵装置。本发明以缩微化的方式，直接将生产发酵罐缩微到最小，最大可能地与生产发酵罐上各种参数、罐体和搅拌结构、环境特点保持一致，基于这种缩微化发酵装置研究开发出来的菌种、配方和工艺参数更容易放大到生产规模。

Description

一种缩微化高通量发酵装置

技术领域

本发明涉及一种发酵培养微生物细胞用设备，特别涉及一种整体式缩微化高通量发酵装置，尤其适用于微生物菌种筛选、培养基配方开发和发酵工艺开发研究的平行性实验需要。

背景技术

微生物菌种筛选、培养基配方开发和发酵工艺研究，离不开实验用发酵罐，来模拟生产用发酵罐上各种检测和控制参数和环境条件。常规的实验用发酵罐与生产用发酵罐在发酵罐结构上、搅拌形式上、pH和溶氧等参数检测原理和方法上都比较一致，能够很好地模拟生产罐上的测控方式和环境条件。但是常规实验用发酵罐的体积大(数升到数百升)、占用空间多(单罐需要数平米)、单人操作无法达到多罐同步化，导致多罐之间的实验为顺序方式而非平行方式，不适合菌种筛选、配方筛选、工艺优化的平行性实验研究需求，尤其不适合用于高通量筛选研究需要。

基于微孔板方式的微型化高通量发酵培养装置，则很好地解决了平行性问题，容器体积仅为数微升到数毫升，而且带有pH、溶氧、温度等多种在线检测参数，占用空间少，单人操作，可同步启动和结束实验。但是这种微型化高通量发酵装置的不足之处是培养容器在结构上与生产罐相差悬殊、搅拌方式是靠振荡而非机械搅拌，导致微型发酵装置内的流场特性与生产发酵罐内的流场特性相差甚远；另外，这种微型化高通量发酵装置的pH和溶氧检测方法不同，其基于光化学传感器及检测器的pH检测范围仅在pH 5-8范围内可信；再者，这种微型化高通量发酵装置难以实现补料操作和工艺研究需要。因此，这种微型化高通量发酵装置在模拟生产罐参数方面有明显不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：如何使用微型化高通量发酵装置，完全模拟生产罐的实际发酵生产的各项参数条件，且要求操作方便，快捷准确采集各项实验数据。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种缩微化高通量发酵装置，包括控制机箱模块、多联发酵罐模块、补料模块和触摸屏；控制机箱模块、多联发酵罐模块、补料模块和触摸屏集成为一体机；多联发酵罐模块是两联、四联、六联、八联或更多联合方式的发酵罐联合；多套发酵装置间可扩展连接，最多可扩展连接96套发酵装置。

进一步地，多联发酵罐模块包含四套发酵罐，每套发酵罐由发酵罐组件及发酵罐配套组件构成，发酵罐组件包括罐体和罐盖。

进一步地，四套发酵罐成矩阵分布，四套发酵罐被补料模块分隔成左右两个区域，每个区域包括两套发酵罐。

进一步地，罐盖上分布有进气口、排气口、pH传感器安装口、溶氧传感器安装口、温度传感器安装口、消泡电极安装口、液位传感器安装口、多个补料口、接种口、取样口、搅拌轴安装口。

进一步地，罐体容积为10～2000毫升，罐体材质选自硼硅玻璃、聚碳酸酯或聚丙烯塑料材质。

进一步地，罐体内有空气分布器、温度传感器、pH传感器、溶氧传感器、液位传感器、消泡电极、补料针头、挡板、搅拌轴，搅拌轴上装有1-3层搅拌浆叶，搅拌轴内安装有内磁体。

进一步地，发酵罐配套组件包括磁力搅拌电机、加热制冷元器件；磁力搅拌电机为下搅拌方式，磁力搅拌电机上安装外磁体，并与内磁体配合构成磁力驱动。

进一步地，加热制冷元器件包括加热棒、半导体制冷片、散热片、导热片、风扇、隔热板、保温桶。

进一步地，补料模块有三个操作面，其中，两个侧面操作面上各分布一组补料用蠕动泵，每组蠕动泵对应于同一侧的两套发酵罐的补料需要；另一个顶面操作面用于放置补料瓶，每一个补料瓶对应四套发酵罐。

进一步地，控制机箱模块的机箱内部安装有主控板、驱动板、气体管线、导线；控制机箱模块的外部操作面安装传感器导线和电源出入口、气体管线出入口、空气或其他气体流量计、压力表、调压阀。

本发明的有益效果是：

以缩微化的方式，直接将生产发酵罐缩微到最小，最大可能地与生产发酵罐上各种参数、罐体和搅拌结构、环境特点保持一致，基于这种缩微化发酵装置研究开发出来的菌种、配方和工艺参数更容易放大到生产规模。

数百毫升的缩微化发酵装置，很容易实现多罐组合，保持实验研究的同步性和平行性需要。同样型号的缩微化高通量发酵装置可以多套并联组合使用，进一步增加通量，方便用户逐渐增加设备，满足更高通量的研究需要，多套发酵装置之间还可以交互通讯。

本发明的缩微化高通量发酵装置有多个操作面，便于导线和管线的连接和架设，使得管路和线路清晰明了，减少连接困难和连接中的错误概率。

多模块集成在一体机上，使得在不需拆除连接管线的情况下就可以移动到任何位置使用。

采用嵌入式单片机检测和控制方式，比常规发酵罐的PLC方式更便于缩微化整机结构。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中的发酵装置的正面结构示意图；

图2是本发明一个较佳实施例中的发酵装置的背面结构示意图；

图3是本发明一个较佳实施例中的发酵装置中的发酵罐的整体结构示意图；

图4是本发明一个较佳实施例中的发酵装置中的发酵罐盖的结构示意图；

图5是本发明一个较佳实施例中的发酵装置中的搅拌模块的结构示意图；

图6是本发明一个较佳实施例中的发酵装置中的发酵罐的剖切结构示意图；

图7是本发明一个较佳实施例中的排气冷凝装置的结构示意图；

图8是本发明一个较佳实施例中的加热制冷元器件的整体结构示意图；

图9是本发明一个较佳实施例中的加热制冷元器件的局部结构示意图；

图10是本发明一个较佳实施例中的发酵装置四套扩展连接的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明提供了一种基于生产发酵罐结构、搅拌方式和参数检测方法直接缩微化的高通量发酵装置，既能很好地模拟生产发酵罐的测控方式和环境条件，又能将体积缩微到可以多罐一体，能够满足平行性对比实验研究需要；而且将控制机箱模块、多联发酵罐模块、补料模块和显示操作屏(触摸屏)集成在一体机上，形成桌面型缩微化高通量发酵装置。本发明的发酵装置无需外接水源，体积小，所有管线连接都在一体机上，方便在不需拆装情况下就可以移动到任何位置使用。具体结构特征如下：

多联发酵罐模块，可以是两联、四联、六联、八联或更多联合方式，本发明实施例以四联体发酵罐为例说明，包含四套发酵罐，每套发酵罐由发酵罐组件及配套组件组成，如图1所示。发酵罐组件包括罐体和罐盖，配套组件包括电机、加热制冷件等。四套发酵罐成矩阵分布，四套发酵罐被补料模块分隔成左右两个区域，每个区域包括两套发酵罐，形成了第一、第二操作面，见图1，其中附图标记1为发酵罐左侧操作面，3为发酵罐右侧操作面。

单套发酵罐组件分为罐体19和罐盖17，具体见图3。罐体19和罐盖17，两者通过抱箍18固定。罐盖17上分布数个开孔，并安装有进气孔27、排气口20、pH电极24、溶氧电极26、温度电极口21、液位电极25、多个补料口23、接种口22、取样口222，以上见图4；以及，安装补料口压盖32、搅拌轴安装口33等，见图6。在罐盖17容纳下上述各种传感器插孔、料液进出孔和气体进出孔情况下，罐体19容积缩微到数百毫升至数十毫升。罐体19形状为杯式结构。罐体19可以是硼硅玻璃材质、聚碳酸酯或聚丙烯塑料材质。罐盖17与罐体19可以是螺口连接、卡扣连接、法兰连接或抱箍连接等多种形式连接。罐体19内有空气分布器、温度传感器、pH传感器、溶氧传感器、液位传感器、消泡电极、补料针头、挡板、搅拌轴等。搅拌轴上装有1-3层搅拌浆叶30、内磁体31，如图5所示。

图5所示的搅拌轴29，通过轴承座28以及图6中的轴承座36、挡圈35、一对轴承34连接安装，然后通过上述两轴承座的螺纹副固定，从而形成可快速拆卸的搅拌轴模块，搅拌轴模块通过顶丝固定在具有沟槽的焊接在罐盖上的零件33之上。

如图8和图9所示，发酵罐配套组件包含磁力搅拌电机46、加热制冷元器件。加热元件为电加热棒49，数量2-4根，它镶嵌在保温桶42上。磁力搅拌电机46为下搅拌方式。磁力搅拌电机46上安装外磁体44，并与罐体19内的内磁体31构成磁力驱动。加热制冷元器件包括电加热棒49、半导体制冷片43、散热片45、导热片47、风扇48、保温桶42等。

如图7所示，排气冷凝装置包含冷凝管37、制冷片38、易拆卸板39、散热片40、散热风扇41。制冷片38、易拆卸板39、散热片40、散热风扇41组成一个整体方便拆卸和需要与洁净元器件分离的模块。

如图1所示，补料模块有三个操作面，分别是顶部操作面4、左侧面操作面5和右侧面操作面6。上述两个侧面操作面(分别为第三、第四操作面)上各分布一组补料用蠕动泵，每组蠕动泵对应于同一侧的两套发酵罐的补料需要。顶面操作面4(第五操作面)，用于放置补料瓶，每一个补料瓶对应四套发酵罐。补料瓶中料液可以是酸、碱、其他营养物质或水。

如图2所示是控制机箱模块，机箱14内部安装有主控板、驱动板、气体管线、导线等。如图1所示，外部操作面11(第六操作面)安装传感器导线和电源出入口、气体管线出入口，在外部操作面11上方设置一块额外的安装面板，安装面板正面7安装气体质量流量计8、压力表9、调压阀10等，安装面板反面12安装空气或气体流量计13。

图1中，触摸屏2安装于第七操作面，是离操作人员最近的操作面，方便随时查看及设定各项参数。

该发酵装置间可扩展，最多可扩展到96个装置。图10为4个发酵装置扩展连接的示意图。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，包括控制机箱模块、多联发酵罐模块、补料模块和触摸屏；所述控制机箱模块、所述多联发酵罐模块、所述补料模块和所述触摸屏集成为一体机；所述多联发酵罐模块由两联、四联、六联、八联或更多联合方式的发酵罐联合；多套所述发酵装置间可扩展连接，最多可扩展连接96套所述发酵装置。

2.根据权利要求1所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述多联发酵罐模块包含四套所述发酵罐，每套所述发酵罐由发酵罐组件及发酵罐配套组件构成，所述发酵罐组件包括罐体和罐盖。

3.根据权利要求2所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，四套所述发酵罐呈矩阵分布，四套所述发酵罐被所述补料模块分隔成左右两个区域，每个区域包括两套所述发酵罐。

4.根据权利要求2所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述罐盖上分布有进气口、排气口、pH传感器安装口、溶氧传感器安装口、温度传感器安装口、消泡电极安装口、液位传感器安装口、多个补料口、接种口、取样口、搅拌轴安装口。

5.根据权利要求2所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述罐体形状为杯式，所述罐体容积为10～2000毫升，所述罐体材质选自硼硅玻璃、聚碳酸酯或聚丙烯塑料材质。

6.根据权利要求2所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述罐体内有空气分布器、温度传感器、pH传感器、溶氧传感器、液位传感器、消泡电极、补料针头、挡板、搅拌轴，所述搅拌轴上装有1-3层搅拌浆叶，所述搅拌轴内安装有内磁体。

7.根据权利要求6所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述发酵罐配套组件包括磁力搅拌电机与加热制冷元器件；所述磁力搅拌电机为下搅拌方式，所述磁力搅拌电机上安装外磁体，并与所述内磁体配合构成磁力驱动。

8.根据权利要求7所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，加热制冷元器件包括加热棒、半导体制冷片、散热片、导热片、风扇、隔热板、保温桶。

9.根据权利要求2所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述补料模块有三个操作面，其中，两个侧面操作面上各分布一组补料用蠕动泵，每组所述蠕动泵对应于同一侧的两套所述发酵罐的补料需要；另一个顶面操作面用于放置补料瓶，每一个所述补料瓶对应四套所述发酵罐。

10.根据权利要求1所述的一种缩微化高通量发酵装置，其特征在于，所述控制机箱模块的机箱内部安装有主控板、驱动板、气体管线、导线；所述控制机箱模块的外部操作面安装传感器导线和电源出入口、气体管线出入口、空气或其他气体流量计、压力表、调压阀。