CN110713897B - 一种微生物隔离培养及培养液供应装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物隔离培养及培养液供应装置，包括生物反应器、培养液交换器、液压调节泵。选用滤膜或滤芯将微生物包围在培养液交换器的培养液空间内，另一部分培养液则不含微生物体，从而实现隔离培养，通过液压调节泵在滤膜或滤芯两侧产生正负周期变化的压力差，迫使培养液往复地流过滤膜或滤芯，增加营养物和代谢产物在被分隔空间的交换速度。不含微生物一侧的培养液通过培养液输送泵输送到指定场所处。最终实现在分离培养液的同时不影响微生物的正常生长。

Description

一种微生物隔离培养及培养液供应装置

技术领域

本发明属于微生物培养领域，具体涉及一种微生物隔离培养及培养液供应装置。

背景技术

随着工业技术特别是微生物工程的不断发展，微生物在工业生产中的应用深度和广度都有了一定的提高。在这些应用中，很多时候利用的不是微生物细胞体本身而是微生物的代谢产物。因此，在很多情况下需要将培养液与微生物细胞群体分离来获取含有代谢产物的培养液，满足工业上的应用。但是普通过滤分离方法不仅费时费力，而且还会影响微生物的正常生长从而降低代谢物的产量。为了连续稳定地获取培养液，必须实现在分离培养液的同时不影响微生物的正常生长。

早在19世纪末就有科学家发明了一种微生物的透析培养法，目的是获得高活性和高质量的微生物细胞体。大致的方法是利用一种透析膜将培养液和细胞群体分开到两个培养室中，细胞体所在的室称为培养室，培养液所在的室称为培养液室，细胞体通过透析膜的渗透作用吸取培养液的养分，而细胞体的代谢产物又通过透析膜的渗透作用进入培养液室。由于代谢物对微生物体来说属于排泄废物，透析培养能净化微生物的生长环境，从而提高微生物细胞体的活性和质量。

透析培养法在提高微生物细胞体的活性和质量的同时还能够将培养液与微生物细胞群体分开培养，看似可以帮助实现连续稳定地获取培养液的目标，但是也存在一定的局限。首先是透析培养自身的不足，由于一般的透析培养使用囊代式透析膜，微生物被注入到囊代式透析膜后浸泡于培养液中进行透析培养，透析膜处于自由状态，在浸泡和操作过程中的各种外力作用下，透析膜容易破损，导致使用成本高、成功率低的缺点，因此很少有人使用。其次，透析过程的本质其实是自由扩散，代谢产物通过透析膜的动力来源于两侧代谢产物的浓度差，理论上，培养室中的代谢产物浓度时刻高于培养液室，当微生物的代谢速度非常旺盛的时候，这种自由扩散就可能无法及时地将代谢产物从浓度高的一侧输送到浓度低的一侧，导致这种浓度差更大。虽然后来提出了一些新的方法，如增加外部震动和改变透析膜的形状等，这些方法都在一定程度上提高了透析膜的通过速度，但通过方式本质上仍然利用自由扩散，通过速度提高有限。因此，透析培养无法满足代谢物与微生物的快速分离。

透析培养法虽然存在着局限，但是能基本保证不影响微生物的正常生长。因此提高分离装置的可靠性和分离效率是实现连续稳定地获取培养液的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种微生物隔离培养及培养液供应装置，解决了上述背景技术中膜易损坏、透析速度慢的问题，其次还解决了分离培养液的同时影响微生物正常生长的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种微生物隔离培养及培养液供应装置，不仅限于菌类和藻类的培养，还适用于任何其它适当种类的微生物。它包括生物反应器、培养液交换器、液压调节泵；

所述生物反应器用于装盛代谢培养的微生物及培养液，生物反应器为微生物提供生长繁殖和代谢活动的空间；生物反应器培养微生物的方式为游离培养或固定化培养，其中，游离培养，即微生物在培养液中自由运动，固定化培养，即微生物被固定在填充物中无法自由运动。

所述培养液交换器装盛有培养液，该培养液中设有过滤装置，为培养液与微生物体分离提供空间；所述过滤装置包括网罩支架和滤膜，所述滤膜以折叠的形式固定于网罩支架内，并包围形成一腔体，所述滤膜上设有大量微孔，所述微孔的平均孔径为0.01-10微米；所述腔体设有一出口，所述出口通过管路连通至培养液交换器外部；过滤装置置于培养液交换器中，将培养液交换器分隔成两个室：培养液室(腔体外)和培养室(腔体内)。

所述液压调节泵通过管路连通生物反应器和腔体的出口，所述液压调节泵设置正反转周期以实现二者间培养液的交换；能产生正负周期变化的液压，液压调节泵一端与培养液交换器中的培养室连通，另一端与生物反应器连通，工作时，滤膜两侧(或滤芯内外)产生周期变化的液压差，加速培养液往复通过滤膜(或滤芯)的速度，同时，生物反应器与培养液交换器中的液体随之通过连通的管路实现往复流动。

所述培养液交换器连接有后加工装置，所述后加工装置通过培养液输送泵与培养液交换器连接，用于收集培养液交换器内的代谢产物进行工业加工；所述后加工装置通过培养液输送泵与培养液交换器连接，用于收集培养液交换器内的代谢产物进行工业加工。

所述生物反应器内设有填充物，所述填充物设置有孔隙，用于固定微生物。填充物的形状为球形、方形、圆柱形、四面体形、多面体形或异形，具有纤维结构、多孔结构或复合结构。所述填充物的材质包括有机材料和无机材料，有机材料包括：棉花(Cotton)、涤纶(Polyester)、聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚丙烯晴(PAN)、玻璃纤维(GF)、聚醚砜(PES)、混合纤维素酯(MCE)、壳聚糖膜(CS)，无机物包括：活性炭、陶瓷、玻璃、天然石材、分子筛、金属。

在本发明一较佳实施例中，所述后加工装置通过回流管路与培养液交换器连接，用于回流加工后的培养液。

在本发明一较佳实施例中，所述生物反应器连接有空气泵和/或补液装置，所述空气泵用于向生物反应器内补充所需气体，所述补液装置内装有微生物培养所需的营养液。

在本发明一较佳实施例中，所述生物反应器和培养液交换器开设有通气孔。生物反应器和培养液交换器为圆柱形、方形或异形，由有机材料或无机材料制成。有机材料包括：聚酰胺(PA)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚丙烯晴(PAN)、聚乙烯(PE)、玻璃纤维(GF)、聚醚砜(PES)、混合纤维素酯(MCE)、壳聚糖膜(CS)、聚氯乙烯(PVC)、苯乙烯-丁二烯-丙烯腈共聚物(ABS)、合成橡胶，无机物包括：玻璃、陶瓷、金属。

在本发明一较佳实施例中，所述滤膜包括片状形、中空球状形或中空圆柱形，两侧设有保护纤维，所述保护纤维镶嵌于网罩支架，网罩支架对滤膜具有一定的保护作用。所述滤膜(或滤芯中的膜)由大面积的平面微孔膜(滤膜孔径远小于所培养微生物体尺寸)折叠而成，材质由有机材料或无机材料中的一种组成，有机材料包括：聚酰胺(PA)、四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)、聚丙烯晴(PAN)、玻璃纤维(GF)、聚醚砜(PES)、混合纤维素酯(MCE)、壳聚糖膜(CS)，无机材料包括：多孔陶瓷、多孔玻璃、多孔分子筛。

在本发明一较佳实施例中，还包括温控装置，所述温控装置包括设置于生物反应器和培养液交换器外部的恒温水槽，或外部空气温度调节装置。

在本发明一较佳实施例中，所述液压调节泵包括双路液压泵，通过改变转动方向、调节与其连接的管路上设有的开关和阀门进行液体流向的正反切换。其正负液压变化的周期是可调的，避免培养液长时间向一侧流通堵塞微孔降低过滤效率以及增加液压而降低滤膜(或滤芯)的可靠性，同时液压调节泵配置压力反馈功能，操作者可以根据压力适当调节正负液压变化的周期。

在本发明一较佳实施例中，包括生物反应器单元、培养液交换器单元和后加工装置单元，分别集成有若干生物反应器、培养液交换器和后加工装置；所述液压调节泵、培养液输送泵的数量至少为一个，泵的种类包括蠕动泵、离心泵、往复泵、转子泵、漩涡泵、轴流泵。

利用本发明装置进行微生物培养包括如下步骤：

1.根据生物反应器和培养液交换器的总容积以及接种比例，准备一定体积的目标微生物的液态培养基和一定体积的含有目标微生物的接种液，总溶液体积要保证足够淹没过滤膜。

2.将全部的接种液注入生物反应器中，然后将全部的液态培养基分别注入到生物反应器和培养液交换器中，使二者中的溶液液面基本等高。

3.根据目标微生物的种类，合理选择是否启动生物反应器所配置的液体循环泵并调节内部的液体循环流速，以及是否启动空气泵并调节空气泵入流速。

4.开启液压调节泵，当生物反应器中含有微生物的培养液被液压调节泵驱使流入培养液交换器的培养室中的时候，滤膜的培养室一侧的液压随之升高，这样培养液就从培养室通过滤膜流入培养液室，此时，生物反应器和培养室中的微生物体在滤膜的作用下无法进入到培养液室，当培养液交换器的培养室中的微生物和培养液被液压调节泵驱使流入生物反应器中的时候，滤膜的培养室一侧的液压随之降低并很快低于培养液室的液压值，这样培养液就从培养液室通过滤膜流入培养室，如此就是一个正负液压变化的周期。在宏观上，培养液交换器和生物反应器中的液面高度随之出现小幅升和降的过程。根据液压值大小，适当调节正负液压变化的周期，如果压力值偏高，则可以适当缩短周期，如果压力很低，则可以适当增加周期。

5.当培养液中所需的代谢产物浓度达到使用要求后，开启培养液输送泵，将滤除微生物的培养液输往应用处。

上述步骤2也可以更改为：将步骤1中准备的培养基和接种液按常规培养方法(如：三角瓶和恒温摇床培养)培养至一定阶段，然后注入生物反应器中，然后开启液压调节泵并调节正负液压变化周期，让反应器中含微生物的培养液流入培养液交换器的培养室中，培养液逐渐流过滤膜，当培养液交换器和生物反应器中的液面趋于等高后，关闭液压调节泵。

本发明最后获取培养液的目的是为目标应用供应其中的微生物代谢产物，而供应的形式包括：可回收式和不可回收式。可回收式的供应形式是培养液直接用于生产，其中的目标代谢产物消耗后，培养液可以继续为微生物提供营养，因此可以回收循环使用；不可回收式的供应形式是培养液中的目标代谢产物需要复杂的分离和(或)提纯操作，这些操作后的培养液无法再为微生物提供营养，因此在获取培养液的同时需要补充新的培养基。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.折叠滤膜能在有限的空间内增加实际滤膜的面积，从而减少单位滤膜面积上的培养液滤过量，延长了滤膜的使用时长；

2.滤膜的保护纤维和塑料网罩对滤膜进行了有效地保护，降低了滤膜破损的机率，从而提高了培养液过滤可靠性；

3.液压调节泵能够主动增加滤膜两侧的液压差，大幅度地增加了培养液的过滤效率；

4.滤膜两侧液压周期性地正负变化促使培养液往复地通过滤膜，不容易造成堵塞滤膜和液压陡增，同时还实现了生物反应器与培养液交换器中液体的往复流动，进一步增加了培养液中的营养物和代谢产物的分布均匀度，有效地避免了局部浓度过高的现象，从而更利于微生物体的生长和繁殖。

附图说明

图1为实施例1结构示意图。

图2为实施例2结构示意图。

其中，1-生物反应器，1a-生物反应器通气孔，1b-液体循环泵，1c-空气泵，2-培养液交换器，2a-培养液交换器通气孔，3-过滤装置，4-液压调节泵，5-培养液输送泵，6-微生物，7-后加工装置，8-补液装置，箭头表示液体流向。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体说明本发明的内容：

实施例1

如图1，本实施例的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，本实施例以氧化亚铁硫杆菌(Acidithiobacillus ferrooxidans)为例进行培养，主要营养物质为Fe²⁺，主要代谢产物为Fe³⁺，本实施例利用Fe³⁺对金属的氧化作用实现对金属材料的去除加工，Fe³⁺在氧化金属的同时自身还原为Fe²⁺，因此加工后的液体可以回收利用。本实施例适用的微生物6种类不仅限于菌类和藻类的培养，还适用于任何其它适当种类的微生物6。术语“培养液”是指目标微生物6培养所在的液体，包含水、微生物6培养所需的营养物质和微生物6的代谢物等。

本实施例的一种微生物隔离培养及培养液供应装置包括生物反应器1、培养液交换器2、液压调节泵4，在本实施例中，所述培养液交换器2连接有后加工装置7；

所述生物反应器1用于装盛代培养的微生物6及培养液；所述生物反应器1内设有填充物，所述填充物设置有孔隙，用于固定微生物6。所述填充物的材质包括棉花、涤纶、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、玻璃纤维、聚醚砜、混合纤维素酯、壳聚糖膜、活性炭、陶瓷、玻璃、天然石材、分子筛和金属。

所述生物反应器1连接有空气泵1c，所述空气泵1c用于向生物反应器1内补充所需气体。

所述培养液交换器2装盛有培养液，该培养液中设有过滤装置3；所述过滤装置3包括网罩支架和滤膜，所述滤膜以折叠的形式固定于网罩支架内，并包围形成一腔体，所述滤网上设有就若干微孔，所述微孔的平均孔径为0.01-10微米；所述腔体设有一出口，所述出口通过管路连通至培养液交换器2外部；

为保证滤膜不易破损，所述滤膜的两侧设有保护纤维，所述保护纤维镶嵌于网罩支架。所述滤膜的材质包括聚酰胺、四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、玻璃纤维、聚醚砜、混合纤维素酯、壳聚糖膜、多孔陶瓷、多孔玻璃和多孔分子筛。

为保证二者的内部压力和液面水平，所述生物反应器1和培养液交换器2开设有通气孔。

为保证微生物培养的温度环境，本实施例还包括温控装置，所述温控装置包括设置于生物反应器1和培养液交换器2外部的恒温水槽。

所述液压调节泵4通过管路连通生物反应器1和腔体的出口，所述液压调节泵4设置正反转周期以实现二者间培养液的交换；所述液压调节泵4包括双路液压泵，通过改变转动方向、调节与其连接的管路上设有的开关和阀门进行液体流向的正反切换。

所述后加工装置7通过培养液输送泵5与培养液交换器2连接，用于收集培养液交换器2内的代谢产物进行工业加工。所述后加工装置7通过回流管路与培养液交换器2连接，用于回流加工后的培养液。

利用本实施例进行培养包括如下步骤：

a.准备一定体积对数生长期的氧化亚铁硫杆菌的接种液和4倍接种液体积的液体9K培养基。

b.将全部的氧化亚铁硫杆菌接种液注入生物反应器1中，然后将全部的液态9K培养基分别注入到生物反应器1和培养液交换器2中，使二者中的溶液液面基本等高，将全部装置放置于30℃恒温箱中。

c.启动生物反应器1所配置的液体循环泵1b并将液体循环泵1b的流速调节至500毫升每分钟，同时启动空气泵1c并将空气泵1c的泵入流速调节至850毫升每分钟。

d.开启液压调节泵4(本实施例为正反转周期可调节的蠕动泵)，调节液压调节泵4将培养液连同氧化亚铁硫杆菌在生物反应器1和培养液交换器2的培养室中往返流动，从而在滤芯的内外产生液压差，实现培养液交换器2中滤芯内外培养液的对流并帮助Fe²⁺和Fe³⁺在各处培养液中分散均匀。为了便于培养液在生物反应器1和培养液交换器2中通畅地往复流动，在生物反应器1和培养液交换器2的顶部分别留有通气孔1a和2a。液压调节泵4的正反转周期保证培养液在生物反应器1和培养液交换器2往返流动的流量相等。

e.当培养液中Fe³⁺浓度达到设定值后，开启培养液输送泵5，将培养液交换器2的培养液室中不含氧化亚铁硫杆菌的培养液泵入后加工装置7参与金属去除加工，参与加工后的培养液回流至培养液交换器2的培养液室。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于：本实施例还包括补液装置8，装盛有适量蔗糖培养基，用于补充微生物培养过程中消耗的培养液。

如图2，本实施例中所培养的微生物种类为酿酒酵母菌(Saccharomycescerevisiae)，主要营养物质为蔗糖，主要代谢产物为酒精，本实施例对培养液进行分离和(或)提纯最后得到酒精产品，在提取酒精的同时需要补充蔗糖培养基。本实施例中，供应形式为不可回收式，故后加工装置7不设回流管路至培养液交换器2，分隔培养和供应方法如下：

a.准备一定体积对数生长期的酵母菌的接种液和4倍接种液体积的液体酵母发酵培养基。

b.将酵母菌的接种液注入生物反应器1中，然后将全部的酵母发酵培养基分别注入到生物反应器1和培养液交换器2中，使二者中的溶液液面基本等高，将全部装置放置于30℃恒温箱中。

c.保持液体循环泵1b和空气泵1c处于关闭状态

d.操作步骤与实施例1中步骤d相同。

e.当培养液中酒精浓度达到设定值后，调节液压调节泵4的正反转周期使得培养液从生物反应器1累计流入培养液交换器2中的流量多于从培养液交换器2累计流入生物反应器1，从而让培养液交换器2中的液面高于生物反应器1的液面。间歇开启培养液输送泵5，将培养液交换器2的培养液室中多出的培养液泵入后加工装置7(酒精分离提纯设备)生产酒精产品，同时间歇地向生物反应器1注入适量蔗糖培养基补充消耗的培养液。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：包括生物反应器、培养液交换器和液压调节泵；

所述生物反应器用于装盛代谢培养的微生物及培养液；

所述培养液交换器装盛有培养液，该培养液中设有过滤装置；所述过滤装置包括网罩支架和滤膜，所述滤膜以折叠的形式固定于网罩支架内，并包围形成一腔体，所述滤网上设有若干微孔，所述微孔的平均孔径为0.01-10微米，滤膜孔径小于所培养微生物体尺寸；所述腔体设有一出口，所述出口通过管路连通至培养液交换器外部；

所述液压调节泵通过管路连通生物反应器和腔体的出口，所述液压调节泵设置正反转周期以实现二者间培养液的交换。

2.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述生物反应器内设有填充物，所述填充物设置有孔隙，用于固定微生物。

3.根据权利要求2所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述填充物的材质包括棉花、涤纶、聚酰胺、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、玻璃纤维、聚醚砜、混合纤维素酯、壳聚糖膜、活性炭、陶瓷、玻璃、天然石材、分子筛和金属。

4.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述培养液交换器连接有后加工装置，所述后加工装置通过培养液输送泵与培养液交换器连接，用于收集培养液交换器内的代谢产物进行工业加工；所述后加工装置通过回流管路与培养液交换器连接，用于回流加工后的培养液。

5.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述生物反应器连接有空气泵和/或补液装置，所述空气泵用于向生物反应器内补充所需气体，所述补液装置内装有微生物培养所需的营养液。

6.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述生物反应器和培养液交换器开设有通气孔。

7.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述滤膜的两侧设有保护纤维，所述保护纤维镶嵌于网罩支架。

8.根据权利要求7所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述滤膜的材质包括聚酰胺、四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚丙烯、聚丙烯晴、玻璃纤维、聚醚砜、混合纤维素酯、壳聚糖膜、多孔陶瓷、多孔玻璃和多孔分子筛。

9.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：还包括温控装置，所述温控装置包括设置于生物反应器和培养液交换器外部的恒温水槽。

10.根据权利要求1所述的一种微生物隔离培养及培养液供应装置，其特征在于：所述液压调节泵包括双路液压泵，通过改变转动方向、调节与其连接的管路上设有的开关和阀门进行液体流向的正反切换。

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