CN117431145B - 一种用于丝状真菌的生物反应器及培养方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于丝状真菌生产领域，公开了一种用于丝状真菌的生物反应器及培养方法。该生物反应器的搅拌装置包括上下依次设置的上搅拌桨、中搅拌桨及下搅拌桨；上搅拌桨的每个上叶片具有弧状的第一过渡部、倾斜的第一上直段及第一下直段，第一上直段和第一下直段之间构成60°~80°的夹角；中搅拌桨的每个中叶片具有弧状的第二过渡部、倾斜的第二上直段及第二下直段，第二上直段和第二下直段之间构成145°~165°的夹角；下搅拌桨的每个下叶片具有弧状的第三过渡部、倾斜的第三上直段及第三下直段，第三上直段和第三下直段之间构成145°~165°的夹角。该生物反应器在不切断菌丝的前提下，允许较高的搅拌速度。
Description
技术领域
本发明属于丝状真菌生产领域，涉及一种用于丝状真菌的生物反应器及培养方法。
背景技术
微生物反应器常用于微生物液态发酵以培养微生物。搅拌桨是微生物反应执行物料混合功能的主要部件。目前比较常见的搅拌桨形状主要有竖直或倾斜的矩形、月牙形等。针对普通的单核细胞发酵，常规的搅拌桨可以满足使用要求。但是针对丝状真菌，尤其是菌丝较长的丝状真菌，如米根霉，上述常规的搅拌桨则存在问题。例如，对于竖直的矩形桨（桨整体为矩形且竖直设置），虽然搅拌力强大，但因为锋利的边缘，在搅拌过程中，会出现搅拌切断菌丝的问题以及缠绕桨叶的卡桨问题；对于倾斜的矩形桨（桨整体为矩形且倾斜设置），虽然可以形成向上或者向下的搅拌力，但是会切断菌丝；月牙形桨（从侧面或上方看桨的形状为弧形）虽然可以保护菌丝不被切断，但是因为叶面圆润，搅拌力降低，不利于培养基与丝状真菌混合，其次，丝状真菌搅拌不均匀会有起球的问题，降低菌与培养基的接触面，降低生长效率。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于丝状真菌的生物反应器及培养方法，适于培养丝状真菌，在不切断菌丝的前提下，允许较高的搅拌速度，使得菌丝均匀接触培养基，进而提高了丝状真菌的生长效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于丝状真菌的生物反应器，包括发酵罐及设置于所述发酵罐内的搅拌装置，所述搅拌装置包括自上至下依次设置的上搅拌桨、中搅拌桨及下搅拌桨；
所述上搅拌桨包括多个上叶片，每个所述上叶片具有弧状的第一过渡段、自所述第一过渡段向上且倾斜地延伸的第一上直段及自所述第一过渡段向下且倾斜地延伸的第一下直段，所述第一上直段和所述第一下直段之间构成第一夹角，所述第一夹角为60°~80°；
所述中搅拌桨包括多个中叶片，每个所述中叶片具有弧状的第二过渡段、自所述第二过渡段向上且倾斜地延伸的第二上直段及自所述第二过渡段向下且倾斜地延伸的第二下直段，所述第二上直段和所述第二下直段之间构成第二夹角，所述第二夹角为145°~165°；
所述下搅拌桨包括多个下叶片，每个所述下叶片具有弧状的第三过渡段、自所述第三过渡段向上且倾斜地延伸的第三上直段及自所述第三过渡段向下且倾斜地延伸的第三下直段，所述第三上直段和所述第三下直段之间构成第三夹角，所述第三夹角为145°~165°；
其中，所述第一上直段、所述第二上直段及所述第三上直段向上倾斜延伸的长度分别为L11、L21和L31，所述第一下直段、所述第二下直段及所述第三下直段向下倾斜延伸的长度分别为L12、L22和L32，L11＜L12，L31＞L32，且L11＜L21＜L31，L12＞L22＞L32。
优选地，所述第一上直段与水平面之间的倾角和所述第一下直段与水平面之间的倾角相等。
优选地，所述第二上直段与水平面之间的倾角和所述第二下直段与水平面之间的倾角相等。
优选地，所述第三上直段与水平面之间的倾角和所述第三下直段与水平面之间的倾角相等。
优选地，所述第一过渡段、所述第二过渡段及所述第三过渡段分别由一段圆弧构成，所述第一过渡段对应的圆弧的圆心角为60°~80°，所述第二过渡段对应的圆弧的圆心角为145°~165°，所述第三过渡段对应的圆弧的圆心角为145°~165°。
优选地，各所述上叶片的所述第一过渡段连接于搅拌轴上，各所述中叶片的所述第二过渡段连接于所述搅拌轴上，各所述下叶片的所述第三过渡段连接于所述搅拌轴上；多个所述上叶片、多个所述中叶片及多个所述下叶片分别沿所述搅拌轴的圆周方向均匀布置。
更优选地，多个所述上叶片、多个所述中叶片及多个所述下叶片的数量和位置一一对应，每个所述上叶片和一个所述中叶片及一个所述下叶片在上下方向上相互对齐。
优选地，所述上叶片、所述中叶片及所述下叶片的数量相等，且分别为3~10个。
优选地，在俯视视角下，各所述上叶片、各所述中叶片及各所述下叶片分别沿所述发酵罐的直径方向延伸。
优选地，L11小于L12的一半，L21和L22相等，L32小于L31的一半。
优选地，所述发酵罐的发酵规模为5~10L，所述搅拌装置的搅拌转速为850~1100rpm；更优选为900~1000rpm。
本发明还采用如下技术方案：
一种丝状真菌的培养方法，包括如下步骤：将丝状真菌的菌种和培养基投入所述的生物反应器中，开启搅拌装置，使所述菌种和所述培养基混匀，培养。
优选地，控制所述发酵罐中的发酵规模为5~10L，控制所述搅拌装置的搅拌速率为850~1100rpm。
本发明采用以上方案，相比现有技术具有如下优点：
本发明的生物反应器，通过三种特殊形状的搅拌桨的相互配合，相对圆润的过渡段减小了丝状真菌卡桨的可能性，切断菌丝的可能性极低；同时，向上倾斜延伸的上直段及向下倾斜延伸的下直段可以提供较高的搅拌力，特别是上中下三种叶片的特殊形状的协同作用，能够使液体分散良好，并允许较高的搅拌速度（可到850rpm以上），使得菌丝均匀接触培养基，提高了丝状真菌的生长效率和产量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的一种生物反应器的示意图。
图2为根据本发明实施例的三种搅拌桨的组合示意图。
图3为根据本发明实施例的三种搅拌桨组合的俯视图。
图4为根据本发明实施例的一种上搅拌桨的立体图。
图5为根据本发明实施例的一种中搅拌桨的立体图。
图6为根据本发明实施例的一种下搅拌桨的立体图。
图7为根据本发明实施例的一种上叶片的结构图。
图8为根据本发明实施例的一种中叶片的结构图。
图9为根据本发明实施例的一种下叶片的结构图。
图10和图11为根据本发明实施例的生物反应器的两个不同角度的流体动力学模型。
其中：
100、发酵罐；200、搅拌装置；
1、上搅拌桨；10、上叶片；11、第一上直段；12、第一下直段；13、第一过渡段；14、第一轮毂；
2、中搅拌桨；20、中叶片；21、第二上直段；22、第二下直段；23、第二过渡段；24、第二轮毂；
3、下搅拌桨；30、下叶片；31、第三上直段；32、第三下直段；33、第三过渡段；34、第三轮毂；
4、搅拌轴。
具体实施方式
下面结合对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本实施例提供一种适用于丝状真菌的生物反应器，适于培养丝状真菌。丝状真菌包括但不限于壶菌属、绵霉属、根霉属、木霉属、曲霉属及毛霉属中的真菌，例如米根霉。参照图1所示，该用于丝状真菌的生物反应器包括发酵罐100及设置于发酵罐100内的搅拌装置200，搅拌装置200包括自上至下依次设置的上搅拌桨1、中搅拌桨2及下搅拌桨3。上搅拌桨1、中搅拌桨2和下搅拌桨3自上至下间隔地设置于搅拌轴4上，搅拌轴4的轴心线沿上下方向延伸，搅拌轴4的上端部连接驱动装置M。驱动装置M启动后，搅拌轴4绕自身轴心线转动，从而带动上搅拌桨1、中搅拌桨2及下搅拌桨3同步转动。驱动装置M包括电机。
结合图2至图6所示，上搅拌桨1包括多个上叶片10，中搅拌桨2包括多个中叶片20，下搅拌桨3包括多个下叶片30。多个上叶片10、多个中叶片20及多个下叶片30的数量和位置一一对应，每个上叶片10和一个中叶片20及一个下叶片30在上下方向上相互对齐。在如图3所示的俯视视角下，各上叶片10、各中叶片20及各下叶片30分别沿发酵罐100的直径方向延伸；也就是说，每个上叶片10、中叶片20或下叶片30在搅拌轴4的直径方向上未作弯折或弯曲加工。进一步地，上叶片10、中叶片20及下叶片30的数量相等，且分别为3~10个。具体到本实施例中，上叶片10、中叶片20及下叶片30的数量均为6个。
图7示出了沿搅拌轴4的直径方向观察到的上叶片10的结构。如图7所示，每个上叶片10具有弧状的第一过渡段13、自第一过渡段13向上且倾斜地延伸的第一上直段11及自第一过渡段13向下且倾斜地延伸的第一下直段12，第一上直段11和第一下直段12之间构成第一夹角，第一夹角为60°~80°，优选为65~75°，本实施例中具体为73°。
进一步地，第一上直段11和第一下直段12分别为倾斜的平板状，第一过渡段13为弧形板状。第一过渡段13的轮廓可由一段或多段圆弧构成；本实施例中，第一过渡段13的轮廓由一段圆弧构成，各处的曲率相等，上述的第一夹角即为第一过渡段13对应的圆心角。
第一上直段11的长度记为L11，第一下直段12的长度记为L12，L11＜L12，也即第一上直段11的长度小于第一下直段12的长度。进一步地，L11小于L12的一半，以提供较大的向下搅拌力。第一上直段11与水平面之间的倾角和第一下直段12与水平面之间的倾角相等。
图8示出了沿搅拌轴4的直径方向观察到的中叶片20的结构。如图8所示，每个中叶片20具有弧状的第二过渡段23、自第二过渡段23向上且倾斜地延伸的第二上直段21及自第二过渡段23向下且倾斜地延伸的第二下直段22，第二上直段21和第二下直段22之间构成第二夹角，第二夹角为145°~165°，优选为145~155°，本实施例中具体为148°。进一步地，第二上直段21和第二下直段22分别为倾斜的平板状，第二过渡段23为弧形板状。第二过渡段23的轮廓可由一段或多段圆弧构成；本实施例中，第二过渡段23的轮廓由一段圆弧构成，各处的曲率相等，上述的第二夹角即为第二过渡段23对应的圆心角。
第二上直段21的长度记为L21，第二下直段22的长度记为L22，L21=L22，也即第二上直段21的长度和第二下直段22的长度相等。第二上直段21与水平面之间的倾角和第二下直段22与水平面之间的倾角相等。进一步地，中叶片20上下镜像对称。
图9示出了沿搅拌轴4的直径方向观察到的下叶片30的结构。如图9所示，每个下叶片30具有弧状的第三过渡段33、自第三过渡段33向上且倾斜地延伸的第三上直段31及自第三过渡段33向下且倾斜地延伸的第三下直段32，第三上直段31和第三下直段32之间构成第三夹角，第三夹角为145°~165°，优选为145~155°，本实施例中具体为148°。进一步地，第三上直段31和第三下直段32分别为倾斜的平板状，第三过渡段33为弧形板状。第三过渡段33的轮廓可由一段或多段圆弧构成；本实施例中，第三过渡段33的轮廓由一段圆弧构成，各处的曲率相等，上述的第三夹角即为第三过渡段33对应的圆心角。
第三上直段31的长度记为L31，第三下直段32的长度记为L32，L31＞L32，也即第三上直段31的长度大于第三下直段32的长度。进一步地，L32小于L31的一半，以提供较大的向上搅拌力。第三上直段31与水平面之间的倾角和第三下直段32与水平面之间的倾角相等。
进一步地，L11＜L21＜L31，L12＞L22＞L32。也就是说，第一上直段11的长度小于第二上直段21的长度，第二上直段21的长度小于第三上直段31的长度；第一下直段12的长度大于第二下直段22的长度，第二下直段22的长度大于第三下直段32的长度。
还需要说明的是，各上叶片10、中叶片20及下叶片30的弯折方向一致。以图3所示俯视图中的最上侧的那个叶片来举例说明，上叶片10的第一上直段11和第一下直段12相对第一过渡段13向左倾斜延伸，则相对应的那个中叶片20的第二上直段21和第二下直段22相对第二过渡段23也向左倾斜延伸，相对应的那个下叶片30的第三上直段31和第三下直段32相对第三过渡段33也向左延伸。每个叶片一体成型，在过渡段处进行弯折倒圆处理，形成两个直段和一个过渡段。
各上叶片10的第一过渡段13连接于搅拌轴4上，各中叶片20的第二过渡段23连接于搅拌轴4上，各下叶片30的第三过渡段33连接于搅拌轴4上。多个上叶片10、多个中叶片20及多个下叶片30分别沿搅拌轴4的圆周方向均匀布置。进一步地，如图4所示，上搅拌桨1具有第一轮毂14，第一轮毂14同心地安装在搅拌轴4上，每个上叶片10的第一过渡段13和搅拌轴4固定连接或一体设置。如图5所示，中搅拌桨2具有第二轮毂24，第二轮毂24同心地安装在搅拌轴4上，每个中叶片20的第二过渡段23和搅拌轴4固定连接或一体设置。如图6所示，下搅拌桨3具有第三轮毂34，第三轮毂34同心地安装在搅拌轴4上，每个下叶片30的第三过渡段33和搅拌轴4固定连接或一体设置。
发酵罐100的容积为7~15L，发酵规模（具体是指发酵罐100中发酵体系的体积）为5~10L，搅拌装置200的搅拌转速为850~1100rpm，优选为900~1000rpm。
本实施例还提供一种丝状真菌的培养方法，包括如下步骤：将丝状真菌的菌种和培养基投入到生物反应器中，开启搅拌装置，使菌种和培养基混匀，培养。
进一步地，控制发酵罐100中的发酵规模为5~10L，控制搅拌装置200的搅拌速率为850~1100rpm，优选为900~1000rpm。
对本实施例的生物反应器制作模拟流动力学模型，图10和图11示出了其中的两个不同角度。可以看出，该模拟实验表明该新的桨形可以产生如同矩形桨叶的水平+垂直搅拌力，但是形状却相对柔和。液体在罐中分散良好，模拟出了不输于矩形桨叶的液体流动扩散方向，使得菌丝均匀接触培养基，生长效率提高。
应用实施例：向上述的发酵罐100中投入液体培养基，接入米根霉菌种（初始孢子数约为1×107个），开启搅拌装置200，转速为900rpm，在25至30℃下培养，20小时后在发酵罐100内通过肉眼可以观察到大量菌丝。
本实施例的生物反应器，搅拌速率达到900rpm后，通过显微镜观察，所培育的丝状真菌的菌丝仍然较完整；而且无结团现象。而若将各叶片替换为常规的竖直矩形桨，搅拌速率至多达到300~500rpm，且真菌的菌丝断裂较多。
该生物反应器中，采用三种不同形状的叶片相互组合，协同配合，丝状真菌卡桨的可能性减小，切断菌丝的可能性极低，同时直的角边可以弥补搅拌力，使得该形状缺失的搅拌力可以通过稍稍加快搅拌速度就得以弥补，搅拌速率可达900rpm以上，极大提高了丝状真菌的生产效率。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
除非特别定义，否则所有于此所用的技术及科学名词均与本领域技术人员所通常理解的意义相同。若与本文中所用定义与其他公开文献中所载定义有所矛盾或不一致，则应以此处所用的定义为准。
除非上下文明确说明，否则位于本文的元素或成份之前的不定冠词“一”、“一个”及“一种”旨在非限制性地说明元素或成份的实例数目(即出现数)。因此，“一”、“一个”及“一种”应理解为包括一个或至少一个，且元素或成分的单数词形也包括复数形式。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，是一种优选的实施例，其目的在于熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限定本发明的保护范围。凡根据本发明的原理所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (13)
1.一种用于丝状真菌的生物反应器，包括发酵罐及设置于所述发酵罐内的搅拌装置，所述搅拌装置包括自上至下依次设置的上搅拌桨、中搅拌桨及下搅拌桨；其特征在于：
所述上搅拌桨包括多个上叶片，每个所述上叶片具有弧状的第一过渡段、自所述第一过渡段向上且倾斜地延伸的第一上直段及自所述第一过渡段向下且倾斜地延伸的第一下直段，所述第一上直段和所述第一下直段之间构成第一夹角，所述第一夹角为60°~80°；
所述中搅拌桨包括多个中叶片，每个所述中叶片具有弧状的第二过渡段、自所述第二过渡段向上且倾斜地延伸的第二上直段及自所述第二过渡段向下且倾斜地延伸的第二下直段，所述第二上直段和所述第二下直段之间构成第二夹角，所述第二夹角为145°~165°；
所述下搅拌桨包括多个下叶片，每个所述下叶片具有弧状的第三过渡段、自所述第三过渡段向上且倾斜地延伸的第三上直段及自所述第三过渡段向下且倾斜地延伸的第三下直段，所述第三上直段和所述第三下直段之间构成第三夹角，所述第三夹角为145°~165°；
其中，所述第一上直段、所述第二上直段及所述第三上直段向上倾斜延伸的长度分别为L11、L21和L31，所述第一下直段、所述第二下直段及所述第三下直段向下倾斜延伸的长度分别为L12、L22和L32，L11＜L12，L31＞L32，且L11＜L21＜L31，L12＞L22＞L32。
2.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，所述第一上直段与水平面之间的倾角和所述第一下直段与水平面之间的倾角相等。
3.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，所述第二上直段与水平面之间的倾角和所述第二下直段与水平面之间的倾角相等。
4.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，所述第三上直段与水平面之间的倾角和所述第三下直段与水平面之间的倾角相等。
5.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，所述第一过渡段、所述第二过渡段及所述第三过渡段分别由一段圆弧构成，所述第一过渡段对应的圆弧的圆心角为60°~80°，所述第二过渡段对应的圆弧的圆心角为145°~165°，所述第三过渡段对应的圆弧的圆心角为145°~165°。
6.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，各所述上叶片的所述第一过渡段连接于搅拌轴上，各所述中叶片的所述第二过渡段连接于所述搅拌轴上，各所述下叶片的所述第三过渡段连接于所述搅拌轴上；多个所述上叶片、多个所述中叶片及多个所述下叶片分别沿所述搅拌轴的圆周方向均匀布置。
7.根据权利要求6所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，多个所述上叶片、多个所述中叶片及多个所述下叶片的数量和位置一一对应，每个所述上叶片和一个所述中叶片及一个所述下叶片在上下方向上相互对齐。
8.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，所述上叶片、所述中叶片及所述下叶片的数量相等，且分别为3~10个。
9.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，在俯视视角下，各所述上叶片、各所述中叶片及各所述下叶片分别沿所述发酵罐的直径方向延伸。
10.根据权利要求1所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，L11小于L12的一半，L21和L22相等，L32小于L31的一半。
11.根据权利要求1至10任一项所述的用于丝状真菌的生物反应器，其特征在于，所述发酵罐的发酵规模为5~10L，所述搅拌装置的搅拌转速为850~1100rpm。
12.一种丝状真菌的培养方法，其特征在于，包括如下步骤：将丝状真菌的菌种和培养基投入如权利要求1至11任一项所述的生物反应器中，开启搅拌装置，使所述菌种和所述培养基混匀，培养。
13.根据权利要求12所述的丝状真菌的培养方法，其特征在于，控制所述发酵罐中的发酵规模为5~10L，控制所述搅拌装置的搅拌速率为850~1100rpm。
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