專利名稱：一種新型生物反應器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于制藥、生物化工、發(fā)酵工程的發(fā)酵設備領域，具體涉及一種將大氣壓介質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器。
背景技術：
生物反應器是為微生物發(fā)酵、細胞培養(yǎng)、酶反應提供良好的反應環(huán)境以完成生物催化反應的核心設備。它的結構、操作方式和操作條件與生物過程產(chǎn)品的質量、轉化率及能耗有著密切關系。利用生物反應器發(fā)酵微生物過程中，往往存在菌種生產(chǎn)能力低或在發(fā)酵過程中菌種出現(xiàn)衰退現(xiàn)象。因此，如何在發(fā)酵過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題之一。大氣壓低溫等離子體是物質的第四態(tài)，放電過程可以產(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活性，因而在生物領域具有廣泛的應用。
發(fā)明內容本實用新型為了解決上述問題，而研制一種新型生物反應器，即將大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器與發(fā)酵罐通過彈性軟管和蠕動泵偶聯(lián)為一個閉合循環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)了在微生物發(fā)酵過程中，能夠高效、便捷的通過大氣壓冷等離子體的激活效應，達到反復刺激微生物生長的目的，從而保持了菌種在發(fā)酵過程中的活力、提高微生物生產(chǎn)目標產(chǎn)物的能力，本實用新型在生物化工、醫(yī)藥和發(fā)酵工程等領域具有廣泛的應用前景。本實用新型通過以下方式實現(xiàn)—種新型生物反應器，其特征在于由卡在蠕動泵I及蠕動泵II內的彈性軟管將發(fā)酵罐和大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器連接組成，所述蠕動泵I和蠕動泵II的結構一致；所述發(fā)酵罐包括罐體，罐體側面的底部設置有出樣口，罐體頂部設置有進樣口，出樣口和進樣口分別與彈性軟管連接；所述大氣壓介質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置的一對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，在石英樣品槽側面靠近底面的邊緣，分別設有樣品入口和樣品出口，且樣品入口通過彈性軟管穿過絕緣放電腔與發(fā)酵罐的出樣口相連通，樣品出口通過彈性軟管穿過絕緣放電腔與發(fā)酵罐的進樣口相連通，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；[0013]在所述下電極板的垂直軸心位置，連有高度可調的螺桿電極棒，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置有進氣口，在絕緣放電腔的圓柱體側面的邊緣，位于樣品入口正下方的位置，設置有真空泵抽氣口，在絕緣放電腔內充滿放電工作氣體；在所述絕緣放電腔的圓柱體側面設有樣品門，門上有石英觀察窗。具體的上述上電極板、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。上述絕緣放電腔內的放電工作氣體為下述的一種或幾種，空氣、氧氣、氦氣、氬氣和氮氣。由于上述發(fā)酵罐的罐體、蠕動泵和彈性軟管的結構和使用選擇均為本領域技術人員公知的常識，所以在能夠實現(xiàn)本發(fā)明構思的前提下，上述發(fā)酵罐的罐體、蠕動泵和彈性軟管可根據(jù)具體使用情況進行選擇。有益效果將大氣壓冷等離子體技術與傳統(tǒng)發(fā)酵罐相結合的新型生物反應器，應用于微生物發(fā)酵中，解決了菌種在發(fā)酵過程中活力降低的問題。與傳統(tǒng)的物理和化學方法相比，該方法具有高效性、無毒性、投入少、低能耗的特點。本實用新型所涉及的生物反應器，其結構簡單，便于拆裝，與介質阻擋放電裝置相連接，可達到激活微生物發(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)酵罐與大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器連接示意圖；圖2大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器的結構示意圖；其中11.蠕動泵I，12.蠕動泵II，2.彈性軟管，3.發(fā)酵罐，31.罐體，32.出樣口， 33.進樣口，4.大氣壓介質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.進氣口，47.真空泵抽氣口，48.樣品門，49.石英觀察窗。
具體實施方式
下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術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。
以下結合附圖對本發(fā)明的裝置作進一步詳細說明。為了便于理解和簡化說明，用于描述相應部件直接的位置和方向的關系，如上、下、內、外、頂和底的詞語僅指副圖中的位置關系和方向。實施例1本發(fā)明所述的新型生物反應器，其由卡在蠕動泵I 11及蠕動泵II 12內的彈性軟管2將發(fā)酵罐3和大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器4連接組成，其中[0029]所述蠕動泵I 11和蠕動泵II 12的結構一致，蠕動泵I 11及蠕動泵II 12與彈性軟管2相匹配使用，其作用是通過滾輪裝置的滾動作用，連續(xù)不斷地壓迫彈性軟管2，將充滿于彈性軟管2內的流體按滾輪運動的方向輸送。由于蠕動泵I 11、蠕動泵II 12與彈性軟管2均為本領域技術人員常用的設備，因此在能夠實現(xiàn)按照指定流量和方向傳送液體的前提下，本領域技術人員可以根據(jù)具體情況選擇不同類型的蠕動泵I 11、蠕動泵II 12和彈性軟管。所述發(fā)酵罐3包括罐體31，罐體31側面的底部設置有出樣口 32，罐體頂部設置有進樣口 33，出樣口 32和進樣口 33分別與彈性軟管2連接；發(fā)酵罐3的罐體31是用來進行微生物發(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，本領域的技術人員可以通過一般常識性的判斷來選擇不同罐體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側面的底部設置有出樣口 32，罐體頂部設置有進樣口 33，并且石英樣品槽(似4)的樣品入口 GMl)通過彈性軟管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 GM2)通過彈性軟管( 與發(fā)酵罐C3)的進樣口(3 相連；出樣口 32和進樣口 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行相應的調整。所述大氣壓介質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上下底面平行設置的一對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側面靠近底面的邊緣，分別設有樣品入口 4241和樣品出口 4242，且樣品入口 4241通過彈性軟管2穿過絕緣放電腔41與發(fā)酵罐3的出樣口 32相連通， 樣品出口 4242通過彈性軟管2穿過絕緣放電腔41與發(fā)酵罐3的進樣口 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；下述實施例2中給出了以不銹鋼為導電金屬材料的具體實施方式
。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，處理菌液的放電時間為IOs 30min。為了調節(jié)石英樣品槽似4內樣品與上電極板421的垂直距離為1 8mm，可以通過調節(jié)下電極板 422的垂直高度，具體通過螺桿套電極棒431與螺桿電極棒432的相對旋轉加以實現(xiàn)。所述絕緣放電腔41的圓柱體上底面邊緣設置有進氣口 46，在絕緣放電腔41的圓柱體側面的邊緣，位于樣品入口 4241正下方的位置，設置有真空泵抽氣口 47，在絕緣放電腔41內充滿放電工作氣體；從進氣口 46可以向絕緣放電腔41的腔內注入等離子體放電過程中所用的氣體，即下述放電工作氣體的一種或幾種，空氣、氧氣、氦氣、氬氣和氮氣。從真空泵抽氣口 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排空氣體；當大氣壓介質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的圓柱體側面設有樣品門48，門上有石英觀察窗49，石英觀察窗49的設置目的是便于在處理樣品時，對放電現(xiàn)象進行觀察。實施例2(一 )大氣壓低溫等離子體強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)，購自中國普通微生物菌種保藏管理中心(CGMCC)，菌種保藏號是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)酵至對數(shù)生長期之后，通過蠕動泵I 11，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)等離子體樣品處理通過螺桿套電極棒431與螺桿電極棒432的相對旋轉調節(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424中發(fā)酵液液面之間的間隙為3mm，通過進氣口 46向絕緣放電腔41的內部按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。在絕緣放電腔41充滿空氣的密閉條件下，調節(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內產(chǎn)生冷等離子體，并作用于石英樣品槽4 內的發(fā)酵液，處理時間為5min。 處理過程中，可以通過樣品門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)酵再通過蠕動泵II 12，將石英樣品槽424內的發(fā)酵液，按下述順序方向經(jīng)石英樣品槽424的樣品出口 4M2、彈性軟管2和發(fā)酵罐3的進樣口 33，泵回發(fā)酵罐3內繼續(xù)發(fā)酵至發(fā)酵終止。重復上述步驟(a)到(C)三次，獲得三批發(fā)酵樣品，利用此樣品進行下述發(fā)酵產(chǎn)物測定。( 二)大氣壓低溫等離子體強化克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)物測定在同樣的發(fā)酵總時間、發(fā)酵條件下，將發(fā)酵期間未經(jīng)過大氣壓低溫等離子體處理的發(fā)酵產(chǎn)物作為對照，與發(fā)酵期間經(jīng)過一次大氣壓低溫等離子體處理的發(fā)酵產(chǎn)物做樣品， 對上述三批發(fā)酵樣品，分別做以下實驗檢測，其檢測方法如下，其檢測結果見表1。(1)生物量測定以蒸餾水為空白對照，測定樣品在波長為650nm條件下的吸光度值(OD)[1]，吸光度值乘以系數(shù)0. 5轉化為菌體干重(CDW)。(2)發(fā)酵產(chǎn)物1，3-丙二醇濃度測定采用氣相色譜法[2]進行檢測。表1經(jīng)大氣壓低溫等離子體強化克雷伯氏菌發(fā)酵產(chǎn)物[0055]
組別生物量(g/L)1,3-丙二醇(g/L)對照組1.561.651.4516.015.017.1經(jīng)等離子體處理后2.221.912.2525.824.227.5結果表明對上述三次發(fā)酵樣品進行檢測的結果顯示，發(fā)酵期間經(jīng)過一次大氣壓低溫等離子體處理獲得的發(fā)酵產(chǎn)物，其生物量明顯高于未經(jīng)處理的對照組，同時其發(fā)酵產(chǎn)物1，3-丙二醇的濃度也明顯高于未經(jīng)處理的對照組。以上數(shù)據(jù)可以證明，本實用新型所涉及的生物反應器，應用于提高1，3_丙二醇產(chǎn)量的試驗中，實驗具有可重復性，從而證明本實用新型的生物反應器在生物化工、生物制藥、發(fā)酵工程領域具有廣闊的應用前景。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施例，但本實用新型的保護范圍不僅限于此，任何熟悉本技術領域的人員在本實用新型揭露的技術范圍內，根據(jù)本實用新型的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。參考文獻[1]XY Dong, et al. Enhanced production of 1,3-propanediol in Klebsiella pneumoniae induced by dielectric barrier discharge plasma in atmospheric air. IEEE Transaction on Plasma Science,2009,37(6) :920-926.[2]JF Wang et al. Determination of glycerin concentration during the fermentation of glycerin to 1, 3-propanediol. Industrial microbiology,2001, 31 (2) :33-35.
權利要求1.一種新型生物反應器，其特征在于由卡在蠕動泵1(11)及蠕動泵11(1 內的彈性軟管( 將發(fā)酵罐C3)和大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器(4)連接組成，其中所述蠕動泵I(Il)和蠕動泵11(12)的結構一致；所述發(fā)酵罐C3)包括罐體(31)，罐體(31)側面的底部設置有出樣口(32)，罐體頂部設置有進樣口(33)，出樣口 (32)和進樣口 (33)分別與彈性軟管(2)連接；所述大氣壓介質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)上下底面平行設置的一對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)側面靠近底面的邊緣，分別設有樣品入口 (4241)和樣品出口(4242)，且樣品入口通過彈性軟管(2)穿過絕緣放電腔與發(fā)酵罐(3)的出樣口(32)相連通，樣品出口 GM2)通過彈性軟管(2)穿過絕緣放電腔Gl) 與發(fā)酵罐⑶的進樣口(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置有進氣口(46)，在絕緣放電腔的圓柱體側面的邊緣，位于樣品入口 GMl)正下方的位置，設置有真空泵抽氣口(47)，在絕緣放電腔Gl)內充滿放電工作氣體；在所述絕緣放電腔Gl)的圓柱體側面設有樣品門(48)，門上有石英觀察窗09)。
2.根據(jù)權利要求1所述的新型生物反應器，其特征在于所述上電極板G21)、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。
3.根據(jù)權利要求1所述的新型生物反應器，其特征在于所述絕緣放電腔Gl)內的放電工作氣體為下述的一種或幾種，空氣、氧氣、氦氣、氬氣和氮氣。
專利摘要本實用新型屬于制藥、生物化工、發(fā)酵工程的發(fā)酵設備領域，公開一種新型生物反應器，包括一個由蠕動泵、彈性軟管將發(fā)酵罐和大氣壓介質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)酵罐頂部設置有進樣口，罐體側面的底部設置有出樣口；出樣口和進樣口通過彈性軟管與大氣壓介質阻擋放電等離子體發(fā)生器中的樣品槽相連。發(fā)酵液在整個體系中的流動通過蠕動泵來實現(xiàn)。本實用新型通過等離子體對菌種的激活效應，解決了菌種在發(fā)酵過程中活力下降的問題。實用性強，操作彈性大，具有廣闊的應用前景。
文檔編號C12M1/00GK202322802SQ201120370838

公開日2012年7月11日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權日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 申請人:大連大學