CN217973154U - 一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器，属于微生物培养设领域。该反应器中在液面上方设置了圆盘形的防止液泛装置，防止液泛装置能够通过装配孔安装在无菌空气进气管上并与培养柱内壁之间保持环形间隙，其上开设有通气微孔。微藻在柱式反应器中培养时，随着藻液密度的增高，藻液粘度将增大，容易产生液泛现象，随着液泛的上升，大量藻细胞将被带至柱塞位置，与外界接触，造成污染，且远离培养基液面，逐渐死亡，造成藻的损失。该装置可以拦截液泛，消除藻液泡，使得液泛无法粘带藻细胞向上继续运动，进而避免藻液被污染及藻液的损失。

Description

一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器

技术领域

本实用新型涉及微生物培养设备领域，具体而言，涉及一种能消除液泛现象、减少污染和减少藻液损失的装置。

背景技术

微藻通常是光合自养生物，种类繁多，具有超强的繁殖能力和适应能力，生长速度很快，光合利用率高，能够有效除去污水中的N、P、有害金属离子和有毒物质，同时将废水中的营养物质转化为生物量，进一步获得经济效益。相当多的淡水及海水微藻藻种均可在实验室培养，部分藻种已经实现大规模工业化培养。其中柱式反应器由于其结构简单、占地面积小，全方位受光因此受光良好，通气的同时实现藻液混合和物质、能量交换，具有节能的特点。因此是最为常见的微藻培养用光反应器之一。

无论是在实验室培养还是工业应用中，现有技术条件下利用柱式培养过程时，藻种刚接入时，气泡夹带藻细胞沿着内壁上行，藻细胞挂壁现象明显，这使得实际接种量低于设计的量，从而造成培养的延滞期延长。随着藻液密度增加，胞外有机代谢产物增多，藻液粘度将增大，容易产生液泛现象(连续起泡直至溢出的现象)。液泛时气泡上升的过程中，会夹带藻细胞沿着柱子内壁上升至柱式顶端出口处，此过程中，部分藻细胞会贴附在柱内壁，部分聚集在与外界环境接触的通气口，部分溢出至外部环境。直接危害是造成微藻生物质和培养液中营养盐的损失，而且离开培养环境的藻细胞死亡后由于其富含的蛋白、维生素等营养物质极易滋生细菌、真菌(尤其是霉菌)及原生动物等，这些生物污染物通过液泛路径侵入培养液系统，从而容易造成柱内藻液的污染。惯例是定时清理，但存在效果不佳、人力投入大、二次污染等问题。如何针对柱式反应器发明一种简单可行的消除液泛，减少污染，减少藻液损失的装置来解决上述问题，成为迫切需要解决的问题。

发明内容

为了弥补以上不足，本实用新型提供了一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器，旨在改善微藻培养过程中产生的液泛现象，减少藻液污染及损失，提高微藻培养成功率和效率。

本实用新型通过以下方式实现：

一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其包括出气管、无菌空气进气管、密封件、防止液泛装置和培养柱；

所述培养柱的顶部开口，所述密封件用于安装在培养柱上对顶部开口进行密封；

所述密封件上开设有用于贯通式插入出气管和无菌空气进气管的两个安装通孔；

所述防止液泛装置为直径小于培养柱内径的圆盘片，且圆盘片上开设有装配孔和若干通气微孔；所述防止液泛装置能够通过所述装配孔安装在无菌空气进气管上并与培养柱内壁之间保持环形间隙，且无菌空气进气管与所述装配孔在装配状态下构成使防止液泛装置能够悬停在无菌空气进气管上任意高度位置的间隙配合或过盈配合。

作为优选，所述密封件为能半插入培养柱顶部开口的柱塞。

作为优选，所述圆盘片上的通气微孔孔径介于1～10mm。

作为优选，所述圆盘片上的装配孔直径介于5～20mm。

作为优选，所述装配孔开设于圆盘片的中心，且圆盘片位于培养柱的一个横截面上并与无菌空气进气管垂直。

作为优选，所述若干通气微孔均匀分布于所述圆盘片上。

作为优选，所述圆盘片的材质为玻璃、硅胶或聚四氟乙烯。

作为优选，所述圆盘片的厚度为1～5mm。

作为优选，所述环形间隙的宽度介于0～5mm。

作为优选，所述培养柱底部为倒锥形。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过上述设计得到了一种能消除液泛现象，减少污染、防止藻液损失的装置。使用时，培养柱内为特定体积的微藻培养液，圆盘片穿于无菌空气进气管上，稍高于藻液液面。圆盘片上的通气孔，能够使气体顺利流通，实现气液交换，即有利于光合放氧的解析和微藻所需碳源CO₂的溶解。在微藻生长过程中，一旦有气泡产生，圆盘片能阻止气泡进一步扩大和沿内壁向上延伸，阻止了气泡夹带藻细胞向培养柱上方移动，杜绝液泛现象。藻液产生的气泡绝大部分集聚在圆盘片下方，待形成一定体积后降落回藻液面。极少气泡通过圆盘片上的微小气孔来到圆盘片上表面，但不具备形成大气泡并向上延伸的条件，破碎后通过上述微小气孔回流至主体藻液中。因此在培养微藻的整个过程中，粘附的藻细胞主要在圆盘片上下表面及附近区域，此部分黏附的藻细胞，由于离液面较近，在蒸发的水分及气泡推上的水分的联合作用下，仍然保持湿润和活力，仍是活细胞且未被污染。采收时利用藻液冲洗圆盘片及附近极小面积的区域即可实现藻细胞的完全回收，从而减少藻细胞的损失。另一方面，由于没有液泛，柱式反应器上端出口与藻液液面之间的内壁上有一段区间仍为洁净区域，而且由于柱式反应器通常情况下持续通无菌空气，能保持内部藻液与外部环境的相对隔离状态，因此避免了外部环境中的细菌、真菌及原生动物等进入柱式反应器并对藻液产生污染作用。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要实用的附图作简单地介绍，以及实施例中所得结果示意图简单分析。

图1是本实用新型实施例中提供的一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器示意图；

图2是本实用新型实施例中提供的防止液泛装置示意图；

图3是本实用新型实施例的实验组与对照组中所得结果的比较，即不同处理下因气泡夹带或液泛损失的藻细胞数对比；

图4是本实用新型实施例的实验组与对照组中所得结果的比较，即不同处理下气泡夹带或液泛高度。

附图标记如下：

图1中：1-出气管；2-无菌空气进气管；3-密封件；4-防止液泛装置；5-培养柱；41-通气微孔；42-装配孔。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。

应注意到：相似的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中央”、“上方”、“高于”、“底部”、“上下附近”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的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实用新型的限制。

如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器，该反应器的组成元件包括出气管1、无菌空气进气管2、密封件3、防止液泛装置4和培养柱5。下面对各组成元件之间的配合关系和防止液泛的原理进行详细描述。

其中柱式生物反应器的主体为培养柱5，培养柱5一般采用顶部开口且内部中空的圆柱体，内部空间用于培养藻类生物，培养柱5的具体形式不限，可根据实际培养需要进行调整。培养柱5的材质一般采用玻璃，当然也可以采用其他不易反应、抗老化的高分子材料，对此可不做限定。培养柱5底部一般设计为倒锥形。

在培养过程中，培养柱5的顶部开口需要进行密封，以保证无菌环境，因此培养柱5的顶部开口上需要安装一个可拆卸式的密封件3。密封件3的形式可以是多样的，常见的是采用橡胶、硅胶等弹性材质的柱塞。柱塞可设计成圆台形状，其小直径端可插入培养柱5的顶部开口中而大直径端位于培养柱5外部，对培养柱5的顶部开口进行密封。在藻液的培养过程中，往往需要向藻液中通入无菌空气(含CO₂)，以保证藻细胞生存环境中有充足的碳源。因此，密封件3上需要开设有用于贯通式插入出气管1和无菌空气进气管2的两个安装通孔，在使用时可以将出气管1和无菌空气进气管2分别插入安装通孔中，然后将密封件3安装在培养柱5的顶部开口上，调整无菌空气进气管2底部插入藻液液面以下，而出气管1的底部底部则位于培养柱5的顶空，出气管1和无菌空气进气管2的顶部分别伸出密封件3。无菌空气可通过无菌空气进气管2注入，而管内气体则通过出气管1排出，由此平衡培养柱5内部的气压。

本发明中的防止液泛装置4在使用时需要安装在培养柱5内部，其核心作用是抑制藻液培养过程中的液泛现象。下面对防止液泛装置4的具体结构和原理进行详细描述。

如图2所示，该防止液泛装置4为直径小于培养柱5内径的圆盘片，且圆盘片上开设有装配孔42和若干通气微孔41。其中，装配孔42的作用是供无菌空气进气管2穿过，使得圆盘片可以安装在无菌空气进气管2上，从而被固定在内壁光滑的培养柱5内，另外也可以方便取出及清洗。在装配状态下，防止液泛装置4通过装配孔42安装在无菌空气进气管2上，而且其圆盘片的外周与培养柱5内壁之间保持一圈环形间隙。圆盘片上开设的通气微孔41的作用是保证圆盘片上下空间中的气体能够顺利流通，实现气液交换，从而有利于光合放氧的解析和微藻所需碳源CO₂的溶解。

该防止液泛装置4抑制藻液培养过程中的液泛现象的原理是：圆盘片的存在，使得微藻生长过程中产生的气泡上升过程中被圆盘片阻挡，从而无法扩大气泡体积也无法沿内壁向上顺利延伸，由此阻止了气泡夹带藻细胞向培养柱上方移动，杜绝液泛现象。这些气泡会被聚集在圆盘片的下方，待形成一定体积后会逐渐破裂并降落回藻液面。虽然圆盘片上存在通气微孔41，可能会导致有极少量的气泡通过通气微孔41继续进入圆盘片上方，但由于通气微孔41的直径较小，因此大气泡会被破碎，不具备形成大气泡并向上延伸的条件，破碎后的气泡会沿着通气微孔41重新回流至圆盘片下方的藻液中。

由此可见，本发明的防止液泛装置4在使用时，需要悬空于藻液上方，并与下方藻液液面保持一定间距。而培养柱5中的藻液高度可能随着不同试验要求调整，因此防止液泛装置4在培养柱5内的高度也最好能够调整。这可以通过调节无菌空气进气管2与装配孔42的直径来控制，装配孔42的孔径应当与无菌空气进气管2的外径匹配，两者基本相等或者保持装配孔42的孔径略小于无菌空气进气管2的外径，从而使得无菌空气进气管2与装配孔42在装配状态下构成间隙配合或过盈配合。由此，无菌空气进气管2与装配孔42之间存在一定的摩擦力，使得防止液泛装置4能够悬停在无菌空气进气管2上任意的高度位置。一般而言，圆盘片上的装配孔42直径可设置为介于5～20mm，与无菌空气进气管2的外径相匹配即可，具体取值根据实际进行试验确定。无菌空气进气管2与装配孔42两者之间的摩擦力不宜过大也不宜过小，以能够顺畅的相对滑动但又能保持悬停为宜。

在每次试验之前，由于防止液泛装置4的安装位置可以上下移动，因此即可根据内部藻液的液面高度来调节防止液泛装置4的高度，使其满足使用要求。一般而言，防止液泛装置4需要调整为距离鼓泡时的液面高度以上5～50mm，优选为20mm。

从兼顾通气性和防止大气泡通过的角度考虑，圆盘片上的通气微孔41孔径介于1～10mm为宜，优选为5mm。而且各通气微孔41应当尽量均匀分布于圆盘片上，避免出现分布不均匀的现象。在图2所示的圆盘片上共设置了8个通气微孔41，其等角度分布在以装配孔42为中心的外圆周上。

另外，装配孔42在圆盘片上的开设位置需要根据无菌空气进气管2在培养柱5内的空间位置来定，以能够装配防止液泛装置4且使得防止液泛装置4与培养柱5构成环形间隙为准。为了减少不均匀现象，无菌空气进气管2最好固定在培养柱5的中心，即培养柱5穿过密封件3后沿培养柱5的中心布置，而圆盘片上的装配孔42也开设于圆盘片的中心，使得圆盘片在培养柱5内与无菌空气进气管2同轴布置，圆盘片位于培养柱5的一个横截面上并与无菌空气进气管2垂直，其外部的环形间隙保持均匀的间隙宽度。

圆盘片的材质优选为黏附力弱、易清洗、耐高温的材料，具体为玻璃、硅胶及聚四氟乙烯等材质。圆盘片的厚度优选为1～5mm，优选为2mm。

另外，从抑制液泛的效果来看，防止液泛装置4与培养柱5环形间隙的宽度优选介于0～5mm，进一步优选为2～4mm。

为了进一步展示本发明中上述防止液泛装置4对于藻液培养过程中液泛现象的具体抑制效果，下面通过具体实验进行展示。

实施例

本实施例中，采用了图1和图2所示的防止柱式生物反应器液泛的装置进行试验。培养所用的藻种为小球藻，所用的柱式反应器为1L柱式，培养柱5为玻璃材质，内径50mm，高度600mm，底部呈倒锥形，装液体积800mL。所用培养基为BG11。将反应器的玻璃培养柱5及出气管1、无菌空气进气管2、柱塞式的密封件3及防止液泛装置4组装后加入培养基，而后整体高温蒸汽灭菌冷却至室温，随后无菌操作台接种藻细胞。培养过程中往柱式反应器通入含有2％CO₂的无菌空气，流量为0.1vvm，培养为单侧光照射，光照强度为2500lux。本实施例的防止液泛装置4采用2mm厚的圆盘形带孔硅胶片，其中心开设与无菌空气进气管2构成过盈配合的装配孔42，绕装配孔42外侧开设8个5mm的通气微孔41。装配完毕后，圆盘形带孔硅胶片位于鼓泡时的液位高度以上20mm处。为便于描述，后续将该试验称为实验组。

同时为了对比防止液泛装置4的设置与否以及盘片形状对于液泛抑制效果的影响，还设置了两个对照组。

在对照组1中，将实验组中的圆盘形带孔硅胶片替换为三角形硅胶片，三角形硅胶片为培养柱5内截面的内接正三角形形状，而厚度、材质与圆盘形带孔硅胶片完全相同。以此探究硅胶片形状是否会影响小球藻在玻璃柱式反应器内的培养效果。

在对照组2中，取消了实验组中的圆盘形带孔硅胶片，即不设置防止液泛装置4。

对于上述实验组和两个对照组，分别在培养结束后，收集柱塞处的小球藻，并使用血球计数板计数小球藻藻细胞数量。同时测量液泛的扩散范围，即液泛达到最高位置与藻液液面位置的高度差。以挂壁小球藻细胞数以及液泛的扩散范围两个指标来反映不同形状硅胶片对于藻培养的影响。

从实验组和两个对照组的结果比较可以看出：未设置盘片的对照组2及设置了三角形盘片的对照组1均发生了液泛现象。而实验组培养正常，未发生明显的气泡夹带黏附内壁的情况，更未发生液泛。如图3所示，该图为不同处理条件下各组挂壁损失细胞数，实验组残留在柱内壁的藻细胞数呈极显著差异，说明圆盘形带孔硅胶片具有消除气泡、避免液泛的功能。如图4所示，该图为不同处理条件下挂壁细胞范围，设置圆盘形带孔硅胶片的实验组挂壁细胞范围极小，与另两组呈极显著差异，说明圆盘形带孔硅胶片可以有效地拦截液泡，防止其持续上升，避免后者达到柱塞位置与外界空气接触从而造成主体藻液污染。通过显微观察亦证实了，发生了液泛的两组均有不同程度的原生动物污染，细胞生长状况欠佳。而实验组至培养结束(2周)时，藻液未发生污染现象，生长状态良好。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，包括出气管(1)、无菌空气进气管(2)、密封件(3)、防止液泛装置(4)和培养柱(5)；

所述培养柱(5)的顶部开口，所述密封件(3)用于安装在培养柱(5)上对顶部开口进行密封；

所述密封件(3)上开设有用于贯通式插入出气管(1)和无菌空气进气管(2)的两个安装通孔；

所述防止液泛装置(4)为直径小于培养柱(5)内径的圆盘片，且圆盘片上开设有装配孔(42)和若干通气微孔(41)；所述防止液泛装置(4)能够通过所述装配孔(42)安装在无菌空气进气管(2)上并与培养柱(5)内壁之间保持环形间隙，且无菌空气进气管(2)与所述装配孔(42)在装配状态下构成使防止液泛装置(4)能够悬停在无菌空气进气管(2)上任意高度位置的间隙配合或过盈配合。

2.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述密封件(3)为能半插入培养柱(5)顶部开口的柱塞。

3.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述圆盘片上的通气微孔(41)孔径介于1～10mm。

4.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述圆盘片上的装配孔(42)直径介于5～20mm。

5.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述装配孔(42)开设于圆盘片的中心，且圆盘片位于培养柱(5)的一个横截面上并与无菌空气进气管(2)垂直。

6.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述若干通气微孔(41)均匀分布于所述圆盘片上。

7.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述圆盘片的材质为玻璃、硅胶或聚四氟乙烯。

8.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述圆盘片的厚度为1～5mm。

9.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述环形间隙的宽度介于0～5mm。

10.如权利要求1所述的具有防止液泛装置的柱式生物反应器，其特征在于，所述培养柱(5)底部为倒锥形。

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