CN110079446B - 微生物发酵产物在线监测发酵罐 - Google Patents

微生物发酵产物在线监测发酵罐 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微生物发酵产物在线监测发酵罐，包括：发酵罐本体，其为封闭的罐体；所述罐体的顶部设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴贯穿所述罐体以伸入所述罐体内部，并与竖直设置于所述罐体内的搅拌机构相连接；监控机构，其包括单细胞分离器和拉曼光谱仪；所述单细胞分离器设置于所述罐体的底部，并与所述罐体和拉曼光谱仪分别连接。其在无发酵样品损伤，无化学废弃物产生的前提下，实现了对发酵产物的实时在线监控，且分析过程操作简便，测定时间短，可重复度高。

Description

微生物发酵产物在线监测发酵罐
技术领域
本发明涉及生物发酵设备技术领域，尤其涉及一种微生物发酵产物在线监测发酵罐。
背景技术
在生物研究中经常需要对微生物进行发酵，而在发酵过程中为了对发酵产物进行监控，现有技术中需要在发酵过程中对样品进行取样，然后进行离心、产物提取等前处理，然后再对发酵物进行分析，这一过程对于发酵样品会造成损伤，且分析过程加之前处理时间较长，在得到结果时，发酵罐中的微发酵样品已经又经过了一段时间的发酵，因而得到的分析结果具有滞后性，且经过前处理会产生化学废弃物。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种微生物发酵产物在线监测发酵罐，在无发酵样品损伤，无化学废弃物产生的前提下，实现了对发酵产物的实时在线监控，且分析过程操作简便，测定时间短，可重复度高。
为实现上述目的和一些其他的目的，本发明采用如下技术方案：
一种微生物发酵产物在线监测发酵罐，包括：
发酵罐本体，其为封闭的罐体；所述罐体的顶部设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴贯穿所述罐体以伸入所述罐体内部，并与竖直设置于所述罐体内的搅拌机构相连接；
监控机构，其包括单细胞分离器和拉曼光谱仪；所述单细胞分离器设置于所述罐体的底部，并与所述罐体和拉曼光谱仪分别连接。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，所述搅拌机构包括转轴、搅拌轴和搅拌齿；所述转轴竖直设置于所述罐体的中部，且顶部与所述驱动电机的输出轴相连接；所述搅拌轴设置为多个，多个所述搅拌轴以与所述转轴垂直的方式交错设置在所述转轴上；所述搅拌齿的顶端与所述搅拌轴相连接，底端竖直向下延伸，并与位于所述搅拌齿下方的搅拌轴间具有间隔。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，每个所述搅拌轴上均匀布置不少于3根所述搅拌齿。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，位于所述转轴最下方的搅拌轴上的搅拌齿设置为具有弹性的柔性齿，且所述柔性齿的底端与所述罐体的底部相接触。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，所述单细胞分离器设置于所述转轴的底端；所述单细胞分离器包括壳体、取样针和取样板；所述壳体为中空的圆柱形设置，所述壳体的上表面顶端与所述转轴的底端固定连接，所述壳体的下表面与所述罐体的底面相抵顶；所述取样板设置在所述壳体的底部，所述取样板上设置有多个容置孔；所述壳体的内顶面上开设有轨道，所述取样针以可伸缩并可沿所述轨道滑动的方式顶端嵌入所述轨道内，所述取样针的底端竖直向下延伸，并在伸长时伸入所述取样板的容置孔内；所述壳体在靠近底面的侧壁上开设有通孔，且所述通孔位于所述取样板的上方；所述通孔上可开合的设置有第一盖体。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，所述取样板的中心开设有贯通所述取样板并连接至所述壳体外部的第一输出口，所述罐体在相应于所述第一输出口的位置开设有第二输出口，所述第二输出口的中部设置有连接至所述拉曼光谱仪的输料管，所述取样针在伸长时伸入所述输料管，以使所述拉曼光谱仪接收所述取样针上分离的样本；所述第一输出口上可开合的设置有第二盖体。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，所述取样板以可旋转的方式设置在所述壳体内部；所述容置孔分别开设在所述取样板靠近所述通孔的一侧，以及与所述通孔相对的一侧；所述通孔上设置有连接至与所述通孔靠近一侧的容置孔上方的导流管；所述取样板设置为以第一输出口为中心点四周逐渐向上倾斜的锥形板，所述容置孔靠近所述第一输出口的一侧设置有连接至所述第一输出口的导流槽，所述第一输出口与所述导流槽的连接处可开合的设置有挡板。
优选的是，所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，所述壳体为由内壳体和外壳体组成的中间具有夹层的双层结构；所述内壳体的侧壁上均匀开设有若干贯通至所述夹层的输水孔；所述夹层内设置有与所述输水孔连通的输水管，所述输水管的进水端外接水源。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明的微生物发酵产物在线监测发酵罐中，微生物在发酵罐体内进行搅拌并发酵，单细胞分离器从微生物发酵细胞群体中分选出目标单细胞，利用拉曼光谱技术，收集目标单细胞的拉曼光谱，结合目标单细胞的拉曼光谱中提取胞内物质的主要特征信息，经去数据处理后，建立数值计算模型。根据其拉曼光谱数值，实时监控目标单细胞发酵产物、底物以及细胞内部的物质动态变化。实现了对发酵产物的在线、非细胞破坏性的分析，微生物发酵产物样品均不需特殊处理即可进行产物、底物以及细胞内部的物质动态变化测定。
通过发酵罐本体和监控机构的配合设置，实现了微生物发酵过程中发酵产物、底物以及细胞内部的物质动态变化实现在线监控；拉曼光谱仪的分析使得发酵微发酵样品不需要进行离心、产物提取等前处理，可实现发酵微发酵样品无损伤的定性定量分析，并提高了分析结果的产生效率；避免了传统发酵装置发酵产物测定时的化学废弃物的产生；同时，.分析过程操作简便，测定时间短，可重复高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明提供的微生物发酵产物在线监测发酵罐的结构示意图；
图2是本发明提供的单细胞分离器的结构示意图；
图3是本发明图2中A的局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明，以令本领域普通技术人员参阅本说明书后能够据以实施。
如图1所示，一种微生物发酵产物在线监测发酵罐，包括：发酵罐本体，其为封闭的罐体1；所述罐体1的顶部设置有驱动电机2，所述驱动电机2的输出轴贯穿所述罐体1以伸入所述罐体1内部，并与竖直设置于所述罐体1内的搅拌机构相连接。
监控机构，其包括单细胞分离器3和拉曼光谱仪4；所述单细胞分离器3设置于所述罐体1的底部，并与所述罐体1和拉曼光谱仪4分别连接。
在上述方案中，微生物在发酵罐体内进行搅拌并发酵，单细胞分离器从微生物发酵细胞群体中分选出目标单细胞，利用拉曼光谱技术，收集目标单细胞的拉曼光谱，结合目标单细胞的拉曼光谱中提取胞内物质的主要特征信息，经去数据处理后，建立数值计算模型。根据其拉曼光谱数值，实时监控目标单细胞发酵产物、底物以及细胞内部的物质动态变化。实现了对发酵产物的在线、非细胞破坏性的分析，微生物发酵产物样品均不需特殊处理即可进行产物、底物以及细胞内部的物质动态变化测定。
通过发酵罐本体和监控机构的配合设置，实现了微生物发酵过程中发酵产物、底物以及细胞内部的物质动态变化实现在线监控；拉曼光谱仪的分析使得发酵微发酵样品不需要进行离心、产物提取等前处理，可实现发酵微发酵样品无损伤的定性定量分析，并提高了分析结果的产生效率；避免了传统发酵装置发酵产物测定时的化学废弃物的产生；同时，.分析过程操作简便，测定时间短，可重复高。
一个优选方案中，所述搅拌机构包括转轴5、搅拌轴6和搅拌齿7；所述转轴5竖直设置于所述罐体1的中部，且顶部与所述驱动电机2的输出轴相连接；所述搅拌轴6设置为多个，多个所述搅拌轴6以与所述转轴垂直的方式交错设置在所述转轴5上；所述搅拌齿7的顶端与所述搅拌轴6相连接，底端竖直向下延伸，并与位于所述搅拌齿7下方的搅拌轴6间具有间隔。
在上述方案中，通过将搅拌轴在转轴上交错设置，并将搅拌齿设置为垂直于搅拌轴的竖直齿，在转轴的旋转过程中保证了罐体内各个方位均能受到搅拌，以提高了搅拌的均匀度，有利于发酵的进行。
一个优选方案中，每个所述搅拌轴6上均匀布置不少于3根所述搅拌齿7。
在上述方案中，搅拌齿的设置不少于3根，使得搅拌齿间缝隙较小，从而便于提高罐体内搅拌的均匀度。
一个优选方案中，位于所述转轴5最下方的搅拌轴6上的搅拌齿7设置为具有弹性的柔性齿，且所述柔性齿的底端与所述罐体1的底部相接触。
在上述方案中，通过将转轴最下方的搅拌轴上的搅拌齿设置为具有弹性的柔性齿，且使柔性齿的底端与罐体的底部相接触，使得对于罐体最下层的发酵物也能进行搅拌，从而保证了搅拌的均匀性，更加有利于发酵过程的顺利进行。
如图2所示，一个优选方案中，所述单细胞分离器3设置于所述转轴5的底端；所述单细胞分离器3包括壳体8、取样针9和取样板10；所述壳体8为中空的圆柱形设置，所述壳体8的上表面顶端与所述转轴5的底端固定连接，所述壳体8的下表面与所述罐体1的底面相抵顶；所述取样板10设置在所述壳体8的底部，所述取样板10上设置有多个容置孔11；所述壳体8的内顶面上开设有轨道，所述取样针9以可伸缩并可沿所述轨道滑动的方式顶端嵌入所述轨道内，所述取样针9的底端竖直向下延伸，并在伸长时伸入所述取样板10的容置孔11内；所述壳体8在靠近底面的侧壁上开设有通孔12，且所述通孔12位于所述取样板10的上方；所述通孔12上可开合的设置有第一盖体。通过壳体的设置，可以实现对发酵产物的实时取样，且实现发酵微发酵样品无损伤的定性定量分析。
在上述方案中，单细胞分离器设置于转轴的底端，使得单细胞分离器在转轴的带动下同步旋转，通孔开设在壳体的侧壁，第一盖体可以根据需要设置为按照一定的周期进行开启和关闭，而在第一盖体开启时，发酵产物由通孔流入壳体内部，然后流入容置孔内，取样针位于容置孔的上方，其向下伸长后伸入容置孔内，由发酵产物上分离出待监控的单细胞，然后取样针收缩沿轨道滑动，以将分离的单细胞带走供拉曼光谱仪进行分析。
一个优选方案中，所述取样板10的中心开设有贯通所述取样板10并连接至所述壳体8外部的第一输出口13，所述罐体1在相应于所述第一输出口13的位置开设有第二输出口14，所述第二输出口14的中部设置有连接至所述拉曼光谱仪4的输料管15，所述取样针9在伸长时伸入所述输料管15，以使所述拉曼光谱仪4接收所述取样针9上分离的样本；所述第一输出口13上可开合的设置有第二盖体。
在上述方案中，通过在取样板的中心开设贯通取样板即壳体外部的第一输出口，并在罐体上开设适配的第二输出口，使得由取样针分离的单细胞能够方便的输出至拉曼光谱仪，以便于后续拉曼光谱仪对发酵产物、底物以及细胞内部的物质动态变化实现在线的监控；通过第二盖体的设置，使得仅在取样输出时第一输出口才可外界导通，从而避免异物对发酵产物的污染。
如图3所示，一个优选方案中，所述取样板10以可旋转的方式设置在所述壳体8内部；所述容置孔11分别开设在所述取样板10靠近所述通孔12的一侧，以及与所述通孔12相对的一侧；所述通孔12上设置有连接至与所述通孔12靠近一侧的容置孔11上方的导流管16；所述取样板10设置为以第一输出口13为中心点四周逐渐向上倾斜的锥形板，所述容置孔11靠近所述第一输出口13的一侧设置有连接至所述第一输出口13的导流槽17，所述第一输出口13与所述导流槽17的连接处可开合的设置有挡板18。
在上述方案中，将取样板设置为可旋转的，且容置孔分别设置在所述取样板靠近通孔的一侧以及与所述通孔相对的一侧，使得在通孔打开时，发酵产物由通孔流入靠近取样板一侧的容置孔内，以便于取样针由容置孔内分离单细胞并输送至拉曼光谱仪进行分析，而在取样一次后取样板旋转180度可使相对于通孔一侧的容置孔移动至通孔一侧，以便于下次分离单细胞；通过在通孔上设置连接至靠近通孔一侧的容置孔上方的导流管，使得发酵产物能够准确且迅速的流入容置孔内，以提高微生物发酵过程中发酵产物的实时在线监控，通过设置取样板为锥形板，使得提取后的发酵产物在挡板打开时能够借重力作用由第一输出口导出，以便于后续取样板的清洁，且使得发酵产物仅导入靠近通孔一侧的容置孔内，而不会导入与通孔相对一侧的容置孔内部。
一个优选方案中，所述壳体8为由内壳体和外壳体组成的中间具有夹层的双层结构；所述内壳体的侧壁上均匀开设有若干贯通至所述夹层的输水孔19；所述夹层内设置有与所述输水孔19连通的输水管，所述输水管的进水端外接水源。
在上述方案中，通过将壳体设置为具有夹层的双层壳体，并在夹层内设置与内壳体连通的输水管，使得输水管在连接外接水源时，能够将水或清洁液通过输水孔淋入内壳体内的取样板上，从而实现对取样板的清洁，而清洗后的污水或清洁液则可以通过取样板上的第一输出口导出，以便于后续取样板的继续使用，在这里还可以在输水孔上添加喷淋头，使得喷出的液体的冲击力更大，以提高取样板的清洁效果。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，包括：
发酵罐本体，其为封闭的罐体；所述罐体的顶部设置有驱动电机，所述驱动电机的输出轴贯穿所述罐体以伸入所述罐体内部，并与竖直设置于所述罐体内的搅拌机构相连接；所述搅拌机构包括转轴，所述转轴竖直设置于所述罐体的中部，且顶部与所述驱动电机的输出轴相连接；
监控机构，其包括单细胞分离器和拉曼光谱仪；所述单细胞分离器设置于所述罐体的底部，并与所述罐体和拉曼光谱仪分别连接；所述单细胞分离器设置于所述转轴的底端；所述单细胞分离器包括壳体、取样针和取样板；所述壳体为中空的圆柱形设置，所述壳体的上表面顶端与所述转轴的底端固定连接，所述壳体的下表面与所述罐体的底面相抵顶；所述取样板设置在所述壳体的底部，所述取样板上设置有多个容置孔；所述壳体的内顶面上开设有轨道，所述取样针以可伸缩并可沿所述轨道滑动的方式顶端嵌入所述轨道内，所述取样针的底端竖直向下延伸，并在伸长时伸入所述取样板的容置孔内；所述壳体在靠近底面的侧壁上开设有通孔，且所述通孔位于所述取样板的上方；所述通孔上可开合的设置有第一盖体。
2.如权利要求1所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，所述搅拌机构还包括搅拌轴和搅拌齿；所述搅拌轴设置为多个，多个所述搅拌轴以与所述转轴垂直的方式交错设置在所述转轴上；所述搅拌齿的顶端与所述搅拌轴相连接，底端竖直向下延伸，并与位于所述搅拌齿下方的搅拌轴间具有间隔。
3.如权利要求2所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，每个所述搅拌轴上均匀布置不少于3根所述搅拌齿。
4.如权利要求2所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，位于所述转轴最下方的搅拌轴上的搅拌齿设置为具有弹性的柔性齿，且所述柔性齿的底端与所述罐体的底部相接触。
5.如权利要求1所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，所述取样板的中心开设有贯通所述取样板并连接至所述壳体外部的第一输出口，所述罐体在相应于所述第一输出口的位置开设有第二输出口，所述第二输出口的中部设置有连接至所述拉曼光谱仪的输料管，所述取样针在伸长时伸入所述输料管，以使所述拉曼光谱仪接收所述取样针上分离的样本；所述第一输出口上可开合的设置有第二盖体。
6.如权利要求5所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，所述取样板以可旋转的方式设置在所述壳体内部；所述容置孔分别开设在所述取样板靠近所述通孔的一侧，以及与所述通孔相对的一侧；所述通孔上设置有连接至与所述通孔靠近一侧的容置孔上方的导流管；所述取样板设置为以第一输出口为中心点四周逐渐向上倾斜的锥形板，所述容置孔靠近所述第一输出口的一侧设置有连接至所述第一输出口的导流槽，所述第一输出口与所述导流槽的连接处可开合的设置有挡板。
7.如权利要求6所述的微生物发酵产物在线监测发酵罐，其中，所述壳体为由内壳体和外壳体组成的中间具有夹层的双层结构；所述内壳体的侧壁上均匀开设有若干贯通至所述夹层的输水孔；所述夹层内设置有与所述输水孔连通的输水管，所述输水管的进水端外接水源。
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