CN112852616A - 一种流体生物反应器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种流体生物反应器，其特征在于包括：一反应器主体，用于不同培养温度的细胞生物共生培养的生物反应器主体；所述的反应器主体内部隔设有多个独立培养腔室；阻隔膜阀，设置在两独立培养腔室之间用于控制培养液流体单向流动传温、传质的阀；自动温度控制装置，设置在各独立培养腔室内部，用于控制独立腔室培养温度的装置；过滤式通气搅拌装置，设置在各独立培养腔室内部，用于输送无菌空气并实现鼓泡通气、增压的装置；其中，独立培养腔室包括间隔设置的生物共培养腔室和温度缓冲培养腔室。还公开流体生物反应器的使用方法。该反应器，实现不同生长温度的细菌与真菌或藻类等细胞生物，在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养。
Description
技术领域
本发明涉及细菌、真菌等培养装置技术领域，尤其涉及一种适合有较大培养温度差异的细菌-真菌非接触液体培养反应器，特别涉及一种流体生物反应器及其使用方法。
背景技术
自然界中生存的微生物细菌、真菌、植物，往往都不是单独生长的，目前通过检测环境样本的宏基因组数据发现实验室纯培养获得的可培养的微生物数量占环境总数量的1%，多种生物在环境中以共生或拮抗的生存关系存在。为富集与扩大培养仅能以共培养方式生存的细菌与真菌，需要一种共培养反应器。尤其是需要一种能用于培养温度差别较大的两种细菌或真菌之间的共培养反应器。
现有的共培养方式包括直接接触培养和间接接触培养。共培养反应器有固体/静置培养箱与液体培养装置，仅能单一的实现不同培养温度生物的固体培养，或者不同培养温度生物的液体接触性静置培养；又或者相同培养温度的非接触性液体培养。非接触液体共培养反应器往往有几个分隔空间，通过半透膜或透析膜来实现阻隔空间之间的物质交换，但仅限于相同培养温度条件下的非接触性共培养生物间的物质交流。
由于大多数细菌的最适培养温度范围为30℃-38℃，真菌的适宜培养温度为20℃-28℃之间，温度差有10℃之多，若要实现他们之间的液体非接触式共培养方式，本领域需要设计一种适合不同培养温度的细菌-真菌/藻类生物共生流体培养反应器来解决现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述问题，即为了能实现细菌-真菌等在不同培养温度下液体非接触培养的实验需求，而提供一种能够适用于不同温度共培养的流体生物培养反应器及其使用方法，该流体生物反应器可实现两个不同温度条件下生物的液体非接触式共培养方式，其代谢产物能穿透阻隔膜，评价共培养生物之间的相互作用，并能方便简单的对单一微生物、细胞进行取样观察、研究、或者调控。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：一种流体生物反应器，包括：
一反应器主体，用于不同培养温度的细胞生物共生培养的生物反应器主体；所述的反应器主体内部隔设有多个独立培养腔室；
阻隔膜阀，设置在两独立培养腔室之间用于控制培养液流体单向流动传温、传质的阀；
自动温度控制装置，设置在各独立培养腔室内部，用于控制独立腔室培养温度的装置；
过滤式通气搅拌装置，设置在各独立培养腔室内部，用于输送无菌空气并实现鼓泡通气、增压的装置；
其中，独立培养腔室包括间隔设置的生物共培养腔室和温度缓冲培养腔室。
该流体生物反应器，对反应器主体进行全新设计，在反应器主体内部隔设多个独立培养腔室，独立培养腔室相互之间均设置有阻隔膜阀，通过阻隔膜阀可以实现相邻两独立培养腔室之间的启闭，从而实现在需要时相邻独立培养腔室之间温度、介质的流动，而在每个独立培养腔室都设置有自动温度控制装置，可以实现对独立培养腔室温度的控制，用于控制各个独立培养腔室合适的培养温度，同时，每个独立培养腔室还设置有连通外部无菌空气的过滤式通气搅拌装置，过滤式通气搅拌装置既能够保证无菌空气的供给，又能够通过用鼓泡通气的方式供给菌体生长所需的氧气。将独立培养腔室设定成不同的功能腔室，即间隔设置为生物共培养腔室和温度缓冲培养腔室，生物共培养腔室用于不同生长温度的细菌与真菌或藻类等细胞生物的培养室，而温度缓冲培养腔室则是为了实现在非接触式不同温度的细菌与真菌或藻类共培养时，实现在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养，消除不同温度菌种之间在通过半透膜物质传递存在的温度差，也就是当小分子从其中一个较高或较低温度的独立培养腔室向另一较低或较高温度的独立培养腔室流动时，首先经过一温度缓冲培养腔室进行温度缓冲，使小分子物质的温度降或升到待流动的独立培养腔室时，再向该独立培养腔室流动，从而消除了温度差，进而解决了不能够实现不同温度条件下生物的液体非接触式共培养方式的问题；该流体生物反应器的设置，除了能研究其相互作用外，还能分别实现独立个体的基因组、代谢组、蛋白组学的研究，打破了目前共培养中仅限于在相同培养温度下的细菌与真菌/藻类等细胞生物间的液体共培养模式。
作为优选，所述的阻隔膜阀为分体式结构，包括分体设置的阻隔膜和用于阻隔膜启闭的由聚合型耐高压隔热材料制成的盖板开关。阻隔膜阀可以通一阻隔膜和盖设在阻隔膜上的盖板开关实现，当阻隔膜阀处于关闭状态时，盖板开关盖合在阻隔膜上，阻止了小分子介质的流动，而当需要实现单向流动时，盖板开关打开，小分了介质通过阻隔膜流向下一独立培养腔室，实现不同培养温度下细菌与真菌/藻类等细胞生物间的液体共培养。
作为优选，所述的阻隔膜阀为带有阻隔膜的自动控制阀。作为另一种优选方案，阻隔膜阀可以是带有阻隔膜的自动控制阀，只要能够实现小分子介质单向流动控制即可。
作为优选，所述的阻隔膜为具有细小孔洞的亲水亲脂两用的半透膜；所述的阻隔膜选自纤维素膜、聚醚砜膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚酰胺膜中的一种。阻隔膜为具有细小孔洞的亲水亲脂两用的半透膜，这样更有利于独立培养腔室之间的小分子物质的传质交流。
作为优选，所述的自动温度控制装置包括温度检测器、温度设定模块、加热模块与制冷模块。
作为优选，各独立培养腔室相互之间通过隔热阻隔板分隔而成。
作为优选，该流体生物反应器应用于不同培养温度条件下生物的流体非接触性共培养。
作为优选，各生物共培养腔室内部的培养温度互不相同且分别为对应细胞生物的适宜培养温度。
作为优选，温度缓冲培养腔室的培养温度与介质流动方向的下一生物共培养腔室的温度相一致。
本发明实现其第二个发明目的所采用的技术方案是：一种流体生物反应器的使用方法，包括以下步骤：
S1：通过自动温度控制装置设定各独立培养腔室的温度；
S2：将带有不同菌种的培养液分别放置于间隔设置的不同的生物共培养腔室中，同时在间隔设置的温度缓冲培养腔室放置不含菌种的培养液；
S3:按照设计的液体小分子流动方向：
a)打开菌种培养液生物共培养腔室与其相邻的温度缓冲培养腔室之间的阻隔膜阀，使得菌种培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间进行物质交换，同时，向细菌培养液生物共培养腔室通过过滤式通气搅拌装置通无菌空气，使得菌种培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间形成气压差，菌种培养液生物共培养腔室中液体小分子透过阻隔膜被压向温度缓冲培养腔室，液体小分子的温度在温度缓冲培养腔室进行缓冲，经过5-60min后，关闭细菌培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间的阻隔膜阀；通过温度缓冲培养腔室内部的自动温度控制装置对其内部的液体小分子的温度进行降温，降至20℃-30℃时；
b）打开步骤a）中的温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间阻隔膜阀，通过温度缓冲培养腔室内部的过滤式通气搅拌装置通气或在前期通气基础上加大通气量，加快温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间的物质交换；经过5-60min后，关闭步骤a）中的温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间阻隔膜阀，菌体在该菌种培养液生物共培养腔室培养1-5小时后；
c）对下一温度缓冲培养腔室温度通过自动温度控制装置控制温度在20℃-30℃，打开步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室与下一温度缓冲培养腔室之间阻隔膜阀，步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室通气，将小分子物质通过半透膜压向下一温度缓冲培养腔室，经过5-60min后，关闭步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室与下一温度缓冲培养腔室之间阻隔膜阀，由下一温度缓冲培养腔室的自动温度控制装置将温度加热至30℃-40℃后；
d)打开步骤c）中的温度缓冲培养腔室与再下一次菌种培养液生物共培养腔室之间的阻隔膜阀，通气，依次类推，重复上述步骤，实现不同生长温度的细胞生物，在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养。
本发明的有益效果是：该流体生物反应器，实现了不同生长温度的细菌与真菌或藻类等细胞生物，在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养，除了能研究其相互作用外，还能分别实现独立个体的基因组、代谢组、蛋白组学的研究，打破了目前共培养中仅限于在相同培养温度下的细菌与真菌/藻类等细胞生物间的液体共培养模式。
附图说明
图1是本发明流体生物培养反应器的一种结构示意图；
图2是本发流体生物培养反应器的一种应用结构示意图；
图中：1、反应器主体，2、独立培养腔室， 3、阻隔膜阀，4、自动温度控制装置，5、过滤式通气搅拌装置，6、生物共培养腔室，7、温度缓冲培养腔室，8、阻隔膜，9、盖板开关，10、隔热阻隔板，11、细菌培养液，12、真菌培养液，13、液体小分子，14、无菌种培养液。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本领域技术人员应当理解的是，本发明所描述的实施例仅仅用于解释本发明的技术原理，而不是全部实施例，并非旨在限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其做出调整，以便适应具体的应用场合。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“底部”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
在图1、图2所示的实施例中，一种流体生物反应器，包括：
一反应器主体1，用于不同培养温度的细胞生物共生培养的生物反应器主体；所述的反应器主体1内部隔设有多个独立培养腔室2；各独立培养腔室2相互之间通过隔热阻隔板10分隔而成；
阻隔膜阀3，设置在两独立培养腔室之间用于控制培养液流体单向流动传温、传质的阀；
自动温度控制装置4，设置在各独立培养腔室2内部，用于控制独立腔室培养温度的装置；
过滤式通气搅拌装置5，设置在各独立培养腔室2内部，用于输送无菌空气并实现鼓泡通气、增压的装置；
其中，独立培养腔室2包括间隔设置的生物共培养腔室6和温度缓冲培养腔室7。各生物共培养腔室6内部的培养温度互不相同且分别为对应细胞生物的适宜培养温度。温度缓冲培养腔室7的培养温度与介质流动方向的下一生物共培养腔室的温度相一致。
所述的阻隔膜阀3为分体式结构，包括分体设置的阻隔膜8和用于阻隔膜8启闭的由聚合型耐高压隔热材料制成的盖板开关9。本实施例中，阻隔膜阀3采用阻隔膜8和盖板开关9的控制方式。盖板开关9由弹簧片和滑块式盖片构成。
所述的阻隔膜阀3为带有阻隔膜的自动控制阀。
所述的阻隔膜8为具有细小孔洞的亲水亲脂两用的半透膜；所述的阻隔膜8选自纤维素膜、聚醚砜膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚酰胺膜中的一种。本实施例中，阻隔膜8为纤维素膜。阻隔膜的孔径0.1-100nm，用于阻隔菌体，但不阻止小分子间物质的交换。
所述的自动温度控制装置4包括温度检测器、温度设定模块、加热模块与制冷模块。
该流体生物反应器的使用方法，包括以下步骤：
S1：通过自动温度控制装置设定各独立培养腔室的温度；
S2：将带有不同菌种的培养液分别放置于间隔设置的不同的生物共培养腔室中，同时在间隔设置的温度缓冲培养腔室放置不含菌种的培养液；
S3:按照设计的液体小分子流动方向：
a)打开菌种培养液生物共培养腔室与其相邻的温度缓冲培养腔室之间的阻隔膜阀，使得菌种培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间进行物质交换，同时，向细菌培养液生物共培养腔室通过过滤式通气搅拌装置通无菌空气，使得菌种培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间形成气压差，菌种培养液生物共培养腔室中液体小分子透过阻隔膜被压向温度缓冲培养腔室，液体小分子的温度在温度缓冲培养腔室进行缓冲，经过5-60min后，关闭细菌培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间的阻隔膜阀；通过温度缓冲培养腔室内部的自动温度控制装置对其内部的液体小分子的温度进行降温，降至20℃-30℃时；
b）打开步骤a）中的温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间阻隔膜阀，通过温度缓冲培养腔室内部的过滤式通气搅拌装置通气或在前期通气基础上加大通气量，加快温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间的物质交换；经过5-60min后，关闭步骤a）中的温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间阻隔膜阀，菌体在该菌种培养液生物共培养腔室培养1-5小时后；
c）对下一温度缓冲培养腔室温度通过自动温度控制装置控制温度在20℃-30℃，打开步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室与下一温度缓冲培养腔室之间阻隔膜阀，步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室通气，将小分子物质通过半透膜压向下一温度缓冲培养腔室，经过5-60min后，关闭步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室与下一温度缓冲培养腔室之间阻隔膜阀，由下一温度缓冲培养腔室的自动温度控制装置将温度加热至30℃-40℃后；
d)打开步骤c）中的温度缓冲培养腔室与再下一次菌种培养液生物共培养腔室之间的阻隔膜阀，通气，依次类推，重复上述步骤，实现不同生长温度的细胞生物，在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养。
如图2所示，以在反应器主体1内部隔设成4个独立培养腔室为例，详细说明本流体生物反应器的工作原理：用横隔热阻隔板10将一个上部呈锥体结构的反应器主体1划分为反应器主体1的上部空间和下部四个的独立培养腔室2，分别为A独立培养腔室、B独立培养腔室、C独立培养腔室、D独立培养腔室，其中，A独立培养腔室、C独立培养腔室设置定为生物共培养腔室6，B独立培养腔室和D独立培养腔室设置定温度缓冲培养腔室7，在每个独立培养腔室2内部分别设置一自动温度控制装置4和一过滤式通气搅拌装置5。每块隔热阻隔板10上分别设置有阻隔膜8和盖板开关9。
根据细菌的适宜培养温度范围为30℃-38℃，真菌的适宜培养温度为20℃-28℃，具体实施举例：以大肠杆菌最适生长温度37℃，某曲霉/红藻最适生长温度为25℃为例，将A独立培养腔室的温度设为37℃用于大肠杆菌的培养，C独立培养腔室温度设为25℃用于曲霉/红藻的培养；B独立培养腔室、D独立培养腔室为温度控制缓冲间；分别将大肠杆菌培养液11和曲霉/红藻培养液12放入到A独立培养腔室和C独立培养腔室。B独立培养腔室和D独立培养腔室放入不带菌种的无菌种培养液14。
如图2所示，打开A独立培养腔室与B独立培养腔室之间的阻隔膜8上的盖板开关9，其他腔室之间的阻隔膜阀3处于关闭状态，使得A独立培养腔室与B独立培养腔室之间进行物质交换，这时A独立培养腔室通过过滤式通气搅拌装置5通无菌空气、鼓泡、搅拌、增压，使得A独立培养腔室与B独立培养腔室之间形成气压差，A独立培养腔室中液体小分子13透过阻隔膜被压向B独立培养腔室，液体小分子13的温度在B独立培养腔室进行缓冲，待一定时间后，本实施例中为15min后，关闭A独立培养腔室与B独立培养腔室之间的阻隔膜阀3；通过B独立培养腔室内部的自动温度控制装置4对其内部的液体小分子的温度进行降温，降至25℃时，打开B独立培养腔室与C独立培养腔室之间阻隔膜阀3，露出阻隔膜8上的半透膜孔，通过B独立培养腔室内部的过滤式通气搅拌装置5通气或在前期通气基础上加大通气量、鼓泡、搅拌、增压，加快B独立培养腔室与C独立培养腔室（菌种培养室）之间的物质交换；待一定时间（15min）后，关闭B独立培养腔室与C独立培养腔室之间阻隔膜阀3，菌体在C独立培养腔室培养一定时间1小时后，D独立培养腔室温度通过自动温度控制装置4控制温度不高于25℃，打开C独立培养腔室与D独立培养腔室之间阻隔膜阀3，C独立培养腔室通气，将小分子物质通过半透膜压向D独立培养腔室（温度缓冲间），待一定时间（15min）后，关闭C独立培养腔室与D独立培养腔室之间阻隔膜阀3，由D独立培养腔室（温度缓冲间）的电自动温度控制装置4将温度加热至37℃后，打开D独立培养腔室与A独立培养腔室之间的阻隔膜阀3，通气、鼓泡、搅拌、增压，将D独立培养腔室（温度缓冲间）物质与A独立培养腔室（菌种培养室）进行物质交换。最终通过在两个不同培养温度菌种间设置温度缓冲间的方法，完成了一个非接触性共培养单向流体物质交流与循环过程。
该流体生物反应器，解决了现有技术中，不能够对多种不同生长温度的细菌和真菌在液体条件下共培养的难题，两种及多种不同生长温度的细菌与真菌或藻类等细胞生物，通过利用流体生物反应器的单向温度循环控制系统，从而实现在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养，除了能研究其相互作用，又能分别实现独立个体的基因组、代谢组、蛋白组学的研究，打破了目前共培养中仅限于在相同培养温度下的细菌与真菌/藻类等细胞生物间的液体共培养模式。
以上所述之具体实施例仅为本发明较佳的实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围。凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化理应均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种流体生物反应器，其特征在于包括：
一反应器主体（1），用于不同培养温度的细胞生物共生培养的生物反应器主体；所述的反应器主体内部隔设有多个独立培养腔室（2）；
阻隔膜阀（3），设置在两独立培养腔室之间用于控制培养液流体单向流动传温、传质的阀；
自动温度控制装置（4），设置在各独立培养腔室内部，用于控制独立腔室培养温度的装置；
过滤式通气搅拌装置（5），设置在各独立培养腔室内部，用于输送无菌空气并实现鼓泡通气、增压的装置；
其中，独立培养腔室（2）包括间隔设置的生物共培养腔室（6）和温度缓冲培养腔室（7）。
2.根据权利要求1所述的一种流体生物反应器，其特征在于：所述的阻隔膜阀（3）为分体式结构，包括分体设置的阻隔膜（8）和用于阻隔膜启闭的由聚合型耐高压隔热材料制成的盖板开关（9）。
3.根据权利要求1所述的一种流体生物反应器，其特征在于：所述的阻隔膜阀（3）为带有阻隔膜（8）的自动控制阀。
4.根据权利要求2或3所述的一种流体生物反应器，其特征在于：所述的阻隔膜（8）为具有细小孔洞的亲水亲脂两用的半透膜；所述的阻隔膜（8）选自纤维素膜、聚醚砜膜、聚甲基丙烯酸甲酯膜、聚酰胺膜中的一种。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种流体生物反应器，其特征在于：所述的自动温度控制装置（4）包括温度检测器、温度设定模块、加热模块与制冷模块。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种流体生物反应器，其特征在于：各独立培养腔室（2）相互之间通过隔热阻隔板（10）分隔而成。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种流体生物反应器，其特征在于：该流体生物反应器应用于不同培养温度条件下生物的流体非接触性共培养。
8.根据权利要求7所述的一种流体生物反应器，其特征在于：各生物共培养腔室内部的培养温度互不相同且分别为对应细胞生物的适宜培养温度。
9.根据权利要求7所述的一种流体生物反应器，其特征在于：温度缓冲培养腔室的培养温度与介质流动方向的下一生物共培养腔室的温度相一致。
10.一种权利要求1至9任意一项所述的流体生物反应器的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：通过自动温度控制装置设定各独立培养腔室的温度；
S2：将带有不同菌种的培养液分别放置于间隔设置的不同的生物共培养腔室中，同时在间隔设置的温度缓冲培养腔室放置不含菌种的培养液；
S3:按照设计的液体小分子流动方向：
a)打开菌种培养液生物共培养腔室与其相邻的温度缓冲培养腔室之间的阻隔膜阀，使得菌种培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间进行物质交换，同时，向细菌培养液生物共培养腔室通过过滤式通气搅拌装置通无菌空气，使得菌种培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间形成气压差，菌种培养液生物共培养腔室中液体小分子透过阻隔膜被压向温度缓冲培养腔室，液体小分子的温度在温度缓冲培养腔室进行缓冲，经过5-60min后，关闭细菌培养液生物共培养腔室与温度缓冲培养腔室之间的阻隔膜阀；通过温度缓冲培养腔室内部的自动温度控制装置对其内部的液体小分子的温度进行降温，降至20℃-30℃时；
b）打开步骤a）中的温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间阻隔膜阀，通过温度缓冲培养腔室内部的过滤式通气搅拌装置通气或在前期通气基础上加大通气量，加快温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间的物质交换；经过5-60min后，关闭步骤a）中的温度缓冲培养腔室与下一菌种培养液生物共培养腔室之间阻隔膜阀，菌体在该菌种培养液生物共培养腔室培养1-5小时后；
c）对下一温度缓冲培养腔室温度通过自动温度控制装置控制温度在20℃-30℃，打开步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室与下一温度缓冲培养腔室之间阻隔膜阀，步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室通气，将小分子物质通过半透膜压向下一温度缓冲培养腔室，经过5-60min后，关闭步骤b）中的菌种培养液生物共培养腔室与下一温度缓冲培养腔室之间阻隔膜阀，由下一温度缓冲培养腔室的自动温度控制装置将温度加热至30℃-40℃后；
d)打开步骤c）中的温度缓冲培养腔室与再下一次菌种培养液生物共培养腔室之间的阻隔膜阀，通气，依次类推，重复上述步骤，实现不同生长温度的细胞生物，在独立空间非接触性小分子物质交换的共培养。
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