專利名稱：一種新型生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制藥、生物化工、發(fā)酵工程的發(fā)酵設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及一種將大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器與發(fā)酵罐相連的新型生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
生物反應(yīng)器是為微生物發(fā)酵、細(xì)胞培養(yǎng)、酶反應(yīng)提供良好的反應(yīng)環(huán)境以完成生物催化反應(yīng)的核心設(shè)備。它的結(jié)構(gòu)、操作方式和操作條件與生物過(guò)程產(chǎn)品的質(zhì)量、轉(zhuǎn)化率及能耗有著密切關(guān)系。利用生物反應(yīng)器發(fā)酵微生物過(guò)程中，往往存在菌種生產(chǎn)能力低或在發(fā)酵過(guò)程中菌種出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。因此，如何在發(fā)酵過(guò)程中保持甚至提高菌體的活力是發(fā)酵工程急需解決的問(wèn)題之一。大氣壓低溫等離子體是物質(zhì)的第四態(tài)，放電過(guò)程可以產(chǎn)生大量高能電子、離子、分子、中性原子、激發(fā)態(tài)原子、光子和自由基，這些活性因子具有高度的物理和化學(xué)活性，因而在生物領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，而研制一種新型生物反應(yīng)器，即將大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器與發(fā)酵罐通過(guò)彈性軟管和蠕動(dòng)泵偶聯(lián)為一個(gè)閉合循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在微生物發(fā)酵過(guò)程中，能夠高效、便捷的通過(guò)大氣壓冷等離子體的激活效應(yīng)，達(dá)到反復(fù)刺激微生物生長(zhǎng)的目的，從而保持了菌種在發(fā)酵過(guò)程中的活力、提高微生物生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)物的能力，本發(fā)明在生物化工、醫(yī)藥和發(fā)酵工程等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)—種新型生物反應(yīng)器，其特征在于由卡在蠕動(dòng)泵I及蠕動(dòng)泵II內(nèi)的彈性軟管將發(fā)酵罐和大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器連接組成，所述蠕動(dòng)泵I和蠕動(dòng)泵II的結(jié)構(gòu)一致；所述發(fā)酵罐包括罐體，罐體側(cè)面的底部設(shè)置有出樣口，罐體頂部設(shè)置有進(jìn)樣口，出樣口和進(jìn)樣口分別與彈性軟管連接；所述大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器，包括圓柱體的絕緣放電腔以及與絕緣放電腔上下底面平行設(shè)置的一對(duì)大小一致的金屬平板電極，即上電極板和下電極板，在上電極板的下表面附有石英板，下電極板的上表面放置有石英樣品槽，在石英樣品槽側(cè)面靠近底面的邊緣，分別設(shè)有樣品入口和樣品出口，且樣品入口通過(guò)彈性軟管穿過(guò)絕緣放電腔與發(fā)酵罐的出樣口相連通，樣品出口通過(guò)彈性軟管穿過(guò)絕緣放電腔與發(fā)酵罐的進(jìn)樣口相連通，其中，彈性軟管的外壁四周與絕緣放電腔密閉連接；在所述上電極板的垂直軸心位置，連有電極棒，電極棒四周套著絕緣管，絕緣管固定于圓柱體的絕緣放電腔上底面的中心；
在所述下電極板的垂直軸心位置，連有高度可調(diào)的螺桿電極棒，和與之相配合的螺桿套電極棒，螺桿套電極棒固定于絕緣放電腔下底面的中心；所述電極棒、螺桿套電極棒分別與高壓交流電源相連；所述絕緣放電腔的圓柱體上底面邊緣設(shè)置有進(jìn)氣口，在絕緣放電腔的圓柱體側(cè)面的邊緣，位于樣品入口正下方的位置，設(shè)置有真空泵抽氣口，在絕緣放電腔內(nèi)充滿放電工作氣體；在所述絕緣放電腔的圓柱體側(cè)面設(shè)有樣品門，門上有石英觀察窗。具體的上述高壓交流電源的放電電壓為10 100kV，放電頻率為3 120kHz，放電時(shí)間為 IOs 30mino當(dāng)上述高壓交流電源的放電電壓為12kV，放電頻率為6kHz，放電時(shí)間為5min的時(shí)
候，效果較佳。上述絕緣放電腔內(nèi)的放電工作氣體為下述的一種或幾種，空氣、氧氣、氦氣、氬氣和氮?dú)?。?dāng)上述絕緣放電腔內(nèi)的放電工作氣體為空氣的時(shí)候，效果較佳。上述上電極板、下電極板、電極棒、螺桿電極棒、螺桿套電極棒為下述金屬的一種 銅、鋁、不銹鋼。當(dāng)上述上電極板、下電極板、電極棒、螺桿電極棒、螺桿套電極棒的材質(zhì)為不銹鋼的時(shí)候，效果較佳。上述發(fā)酵罐的罐體總體積為1 50L，裝液量為總體積的25% 90%。上述上電極板、下電極板和石英樣品槽的底面均為圓形，其中，下電極板的直徑小于石英樣品槽的底面直徑。由于上述發(fā)酵罐的罐體、蠕動(dòng)泵和彈性軟管的結(jié)構(gòu)和使用選擇均為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常識(shí)，所以在能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明構(gòu)思的前提下，上述發(fā)酵罐的罐體、蠕動(dòng)泵和彈性軟管可根據(jù)具體使用情況進(jìn)行選擇。有益效果將大氣壓冷等離子體技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)酵罐相結(jié)合的新型生物反應(yīng)器，應(yīng)用于微生物發(fā)酵中，解決了菌種在發(fā)酵過(guò)程中活力降低的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的物理和化學(xué)方法相比，該方法具有高效性、無(wú)毒性、投入少、低能耗的特點(diǎn)。本發(fā)明所涉及的生物反應(yīng)器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆裝，與介質(zhì)阻擋放電裝置相連接，可達(dá)到激活微生物發(fā)酵、縮短發(fā)酵周期、提高微生物發(fā)酵生產(chǎn)強(qiáng)度、節(jié)約能源的目的，從而降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。


圖1 發(fā)酵罐與大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器連接示意圖；圖2 大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中11.蠕動(dòng)泵I，12.蠕動(dòng)泵II，2.彈性軟管，3.發(fā)酵罐，31.罐體，32.出樣口， 33.進(jìn)樣口，4.大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器，41.絕緣放電腔，421.上電極板，422. 下電極板，423.石英板，424.石英樣品槽，4M1.樣品入口，4M2.樣品出口，43.電極棒， 431.螺桿套電極棒，432.螺桿電極棒，44.絕緣管，45.高壓交流電源，46.進(jìn)氣口，47.真空泵抽氣口，48.樣品門，49.石英觀察窗。
具體實(shí)施例方式下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。為了便于理解和簡(jiǎn)化說(shuō)明，用于描述相應(yīng)部件直接的位置和方向的關(guān)系，如上、下、內(nèi)、外、頂和底的詞語(yǔ)僅指副圖中的位置關(guān)系和方向。實(shí)施例1本發(fā)明所述的新型生物反應(yīng)器，其由卡在蠕動(dòng)泵111及蠕動(dòng)泵1112內(nèi)的彈性軟管 2將發(fā)酵罐3和大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器4連接組成，其中所述蠕動(dòng)泵111和蠕動(dòng)泵1112的結(jié)構(gòu)一致，蠕動(dòng)泵111及蠕動(dòng)泵1112與彈性軟管2相匹配使用，其作用是通過(guò)滾輪裝置的滾動(dòng)作用，連續(xù)不斷地壓迫彈性軟管2，將充滿于彈性軟管2內(nèi)的流體按滾輪運(yùn)動(dòng)的方向輸送。由于蠕動(dòng)泵111、蠕動(dòng)泵1112與彈性軟管2均為本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的設(shè)備，因此在能夠?qū)崿F(xiàn)按照指定流量和方向傳送液體的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)具體情況選擇不同類型的蠕動(dòng)泵111、蠕動(dòng)泵1112和彈性軟管。蠕動(dòng)泵I (11)、蠕動(dòng)泵II (12)及軟管 (2)提供樣品的流速為0. 001 70mL/min。所述發(fā)酵罐3包括罐體31，罐體31側(cè)面的底部設(shè)置有出樣口 32，罐體頂部設(shè)置有進(jìn)樣口 33，出樣口 32和進(jìn)樣口 33分別與彈性軟管2連接；發(fā)酵罐3的罐體31是用來(lái)進(jìn)行微生物發(fā)酵的主要裝置，由于培養(yǎng)微生物的種類不同，發(fā)酵罐3的罐體31分為多種類型，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以通過(guò)一般常識(shí)性的判斷來(lái)選擇不同罐體31類型的發(fā)酵罐3以滿足發(fā)酵要求，但無(wú)論使用何種類型的發(fā)酵罐3，為滿足本發(fā)明中系統(tǒng)循環(huán)的要求，均需要在罐體 31側(cè)面的底部設(shè)置有出樣口 32，罐體頂部設(shè)置有進(jìn)樣口 33，并且石英樣品槽(似4)的樣品入口 GMl)通過(guò)彈性軟管O)與發(fā)酵罐(3)的出樣口(32)相連，石英樣品槽GM)的樣品出口 0 通過(guò)彈性軟管( 與發(fā)酵罐C3)的進(jìn)樣口(3 相連；出樣口 32和進(jìn)樣口 33 在發(fā)酵罐3的罐體31上的位置也可以根據(jù)發(fā)酵罐3的安裝或使用方式不同而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。所述大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器4，包括圓柱體的絕緣放電腔41，以及與絕緣放電腔41上下底面平行設(shè)置的一對(duì)大小一致的金屬平板電極，即上電極板421和下電極板422，在上電極板421的下表面附有石英板423，下電極板422的上表面放置有石英樣品槽424，在石英樣品槽似4側(cè)面靠近底面的邊緣，分別設(shè)有樣品入口 4241和樣品出口 4242，且樣品入口 4241通過(guò)彈性軟管2穿過(guò)絕緣放電腔41與發(fā)酵罐3的出樣口 32相連通， 樣品出口 4242通過(guò)彈性軟管2穿過(guò)絕緣放電腔41與發(fā)酵罐3的進(jìn)樣口 33相連通，其中， 彈性軟管2的外壁四周與絕緣放電腔41密閉連接；其中，上電極板421、下電極板422、電極棒43、螺桿電極棒432、螺桿套電極棒431 為下述金屬的一種銅、鋁、不銹鋼；下述實(shí)施例2中給出了以不銹鋼為導(dǎo)電金屬材料的具體實(shí)施方式
。在所述上電極板421的垂直軸心位置，連有電極棒43，電極棒43四周套著絕緣管 44，絕緣管44固定于圓柱體的絕緣放電腔41上底面的中心；
在所述下電極板422的垂直軸心位置，連有高度可調(diào)的螺桿電極棒432，和與之相配合的螺桿套電極棒431，螺桿套電極棒431固定于絕緣放電腔41下底面的中心；所述電極棒43、螺桿套電極棒431分別與高壓交流電源45相連；高壓交流電源45 的放電電壓10 100kV，放電頻率3 120kHz，處理菌液的放電時(shí)間為IOs 30min。為了調(diào)節(jié)石英樣品槽似4內(nèi)樣品與上電極板421的垂直距離為1 8mm，可以通過(guò)調(diào)節(jié)下電極板 422的垂直高度，具體通過(guò)螺桿套電極棒431與螺桿電極棒432的相對(duì)旋轉(zhuǎn)加以實(shí)現(xiàn)。所述絕緣放電腔41的圓柱體上底面邊緣設(shè)置有進(jìn)氣口 46，在絕緣放電腔41的圓柱體側(cè)面的邊緣，位于樣品入口 4241正下方的位置，設(shè)置有真空泵抽氣口 47，在絕緣放電腔41內(nèi)充滿放電工作氣體；從進(jìn)氣口 46可以向絕緣放電腔41的腔內(nèi)注入等離子體放電過(guò)程中所用的氣體，即下述放電工作氣體的一種或幾種，空氣、氧氣、氦氣、氬氣和氮?dú)?。從真空泵抽氣?47可以。真空泵抽氣口 47可以與真空泵相連，從而在更換放電工作氣體時(shí)排空氣體；當(dāng)大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器4工作狀態(tài)下，絕緣放電腔41內(nèi)充滿工作氣體，且密閉性良好。在所述絕緣放電腔41的圓柱體側(cè)面設(shè)有樣品門48，門上有石英觀察窗49，石英觀察窗49的設(shè)置目的是便于在處理樣品時(shí)，對(duì)放電現(xiàn)象進(jìn)行觀察。實(shí)施例2(一 )大氣壓低溫等離子體強(qiáng)化克雷伯氏菌間歇發(fā)酵(a)樣品發(fā)酵菌種克雷伯氏菌(Klebsiella pneumoniae)，購(gòu)自中國(guó)普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，菌種保藏號(hào)是1. 6366。將克雷伯氏菌種子按照10% (ν/ν)接種量接入發(fā)酵罐中，5L發(fā)酵罐中，發(fā)酵培養(yǎng)基的液量為2L，克雷伯氏菌發(fā)酵至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期之后，通過(guò)蠕動(dòng)泵111，將發(fā)酵的菌液從發(fā)酵罐3的出樣口 32，經(jīng)軟管2和樣品入口似41，泵入大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器4 的石英樣品槽424中。泵入石英樣品槽424中的發(fā)酵液體積為10mL。(b)等離子體樣品處理大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器4的上電極板421、下電極板422和石英樣品槽的底面均為圓形，其中，上電極板的直徑小于石英樣品槽的底面直徑。下電極板通過(guò)螺桿套電極棒431與螺桿電極棒432的相對(duì)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)下電極板422的垂直高度，從而使上電極板421與石英樣品槽4 中發(fā)酵液液面之間的間隙為3mm，通過(guò)進(jìn)氣口 46向絕緣放電腔41 的內(nèi)部按15slpm的氣體流量通入空氣，其中，上電極板421、下電極板422、電極棒43、螺桿電極棒432、螺桿套電極棒431均為不銹鋼材質(zhì)。在絕緣放電腔41充滿空氣的密閉條件下， 調(diào)節(jié)高壓交流電源45的電壓，使其放電電壓為12kV，放電頻率為6kHz，絕緣放電腔41內(nèi)產(chǎn)生冷等離子體，并作用于石英樣品槽424內(nèi)的發(fā)酵液，處理時(shí)間為5min。處理過(guò)程中，可以通過(guò)樣品門48上的石英觀察窗49觀察等離子體放電狀態(tài)。(c)樣品繼續(xù)發(fā)酵再通過(guò)蠕動(dòng)泵1112，將石英樣品槽424內(nèi)的發(fā)酵液，按下述順序方向經(jīng)石英樣品槽424的樣品出口似42、彈性軟管2和發(fā)酵罐3的進(jìn)樣口 33，泵回發(fā)酵罐3內(nèi)繼續(xù)發(fā)酵至發(fā)酵終止。
重復(fù)上述步驟(a)到(C)三次，獲得三批發(fā)酵樣品，利用此樣品進(jìn)行下述發(fā)酵產(chǎn)物測(cè)定。( 二)大氣壓低溫等離子體強(qiáng)化克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)物測(cè)定在同樣的發(fā)酵總時(shí)間、發(fā)酵條件下，將發(fā)酵期間未經(jīng)過(guò)大氣壓低溫等離子體處理的發(fā)酵產(chǎn)物作為對(duì)照，與發(fā)酵期間經(jīng)過(guò)一次大氣壓低溫等離子體處理的發(fā)酵產(chǎn)物做樣品， 對(duì)上述三批發(fā)酵樣品，分別做以下實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，其檢測(cè)方法如下，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。(1)生物量測(cè)定以蒸餾水為空白對(duì)照，測(cè)定樣品在波長(zhǎng)為650nm條件下的吸光度值(OD) [1]，吸光度值乘以系數(shù)0. 5轉(zhuǎn)化為菌體干重(CDW)。(2)發(fā)酵產(chǎn)物1，3-丙二醇濃度測(cè)定采用氣相色譜法[2]進(jìn)行檢測(cè)。表1經(jīng)大氣壓低溫等離子體強(qiáng)化克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)物
權(quán)利要求
1.一種新型生物反應(yīng)器，其特征在于由卡在蠕動(dòng)泵1(11)及蠕動(dòng)泵11(1 內(nèi)的彈性軟管( 將發(fā)酵罐C3)和大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器(4)連接組成，其中所述蠕動(dòng)泵I(Il)和蠕動(dòng)泵11(12)的結(jié)構(gòu)一致；所述發(fā)酵罐C3)包括罐體(31)，罐體(31)側(cè)面的底部設(shè)置有出樣口(32)，罐體頂部設(shè)置有進(jìn)樣口(33)，出樣口 (32)和進(jìn)樣口 (33)分別與彈性軟管(2)連接；所述大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器(4)包括圓柱體的絕緣放電腔01)，以及與絕緣放電腔Gl)上下底面平行設(shè)置的一對(duì)大小一致的金屬平板電極，即上電極板(421) 和下電極板022)，在上電極板021)的下表面附有石英板023)，下電極板022)的上表面放置有石英樣品槽GM)，在石英樣品槽(424)側(cè)面靠近底面的邊緣，分別設(shè)有樣品入口 (4241)和樣品出口(4242)，且樣品入口通過(guò)彈性軟管(2)穿過(guò)絕緣放電腔與發(fā)酵罐(3)的出樣口(32)相連通，樣品出口 GM2)通過(guò)彈性軟管(2)穿過(guò)絕緣放電腔Gl) 與發(fā)酵罐⑶的進(jìn)樣口(33)相連通，其中，彈性軟管(2)的外壁四周與絕緣放電腔Gl)密閉連接；在所述上電極板G21)的垂直軸心位置，連有電極棒(43)，電極棒四周套著絕緣管(44)，絕緣管04)固定于圓柱體的絕緣放電腔Gl)上底面的中心；在所述下電極板G22)的垂直軸心位置，連有高度可調(diào)的螺桿電極棒032)，和與之相配合的螺桿套電極棒G31)，螺桿套電極棒031)固定于絕緣放電腔Gl)下底面的中心；所述電極棒(43)、螺桿套電極棒031)分別與高壓交流電源0 相連；所述絕緣放電腔Gl)的圓柱體上底面邊緣設(shè)置有進(jìn)氣口(46)，在絕緣放電腔的圓柱體側(cè)面的邊緣，位于樣品入口 GMl)正下方的位置，設(shè)置有真空泵抽氣口(47)，在絕緣放電腔Gl)內(nèi)充滿放電工作氣體；在所述絕緣放電腔Gl)的圓柱體側(cè)面設(shè)有樣品門(48)，門上有石英觀察窗09)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述高壓交流電源0 的放電電壓為10 100kV，放電頻率為3 120kHz，放電時(shí)間為IOs 30min。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述高壓交流電源0 的放電電壓為12kV，放電頻率為6kHz，放電時(shí)間為5min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述絕緣放電腔Gl)內(nèi)的放電工作氣體為下述的一種或幾種，空氣、氧氣、氦氣、氬氣和氮?dú)狻?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述絕緣放電腔Gl)內(nèi)的放電工作氣體為空氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述上電極板(421)、下電極板022)、電極棒(43)、螺桿電極棒032)、螺桿套電極棒031)為下述金屬的一種銅、鋁、 不銹鋼。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述上電極板021)、下電極板(422)和電極棒03)的材質(zhì)為不銹鋼。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述發(fā)酵罐(3)的罐體總體積為1 50L，裝液量為總體積的25% 90%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型生物反應(yīng)器，其特征在于所述上電極板(421)、下電極板(42 和石英樣品槽(424)的底面均為圓形，其中，下電極板022)的直徑小于石英樣品槽GM)的底面直徑。
全文摘要
本發(fā)明屬于制藥、生物化工、發(fā)酵工程的發(fā)酵設(shè)備領(lǐng)域，公開(kāi)一種新型生物反應(yīng)器，包括一個(gè)由蠕動(dòng)泵、彈性軟管將發(fā)酵罐和大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器連接成的閉合循環(huán)系統(tǒng)。其中發(fā)酵罐頂部設(shè)置有進(jìn)樣口，罐體側(cè)面的底部設(shè)置有出樣口；出樣口和進(jìn)樣口通過(guò)彈性軟管與大氣壓介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器中的樣品槽相連。發(fā)酵液在整個(gè)體系中的流動(dòng)通過(guò)蠕動(dòng)泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明通過(guò)等離子體對(duì)菌種的激活效應(yīng)，解決了菌種在發(fā)酵過(guò)程中活力下降的問(wèn)題。實(shí)用性強(qiáng)，操作彈性大，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C12M1/42GK102337205SQ20111029576
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月27日
發(fā)明者修志龍, 朱曉麗, 董曉宇, 袁玉蓮, 遲乃玉 申請(qǐng)人:大連大學(xué)