一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器的制造方法
【專利摘要】一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，包括罐體和攪拌裝置，在罐體的內(nèi)壁上設(shè)有發(fā)聲機(jī)構(gòu)；所述發(fā)聲機(jī)構(gòu)包括信號(hào)發(fā)生單元和設(shè)置在罐體內(nèi)壁上的發(fā)聲棒；所述發(fā)聲棒共有8組，每組發(fā)聲棒由一超聲波發(fā)聲棒和一可聽聲波發(fā)聲棒組成；各組發(fā)聲棒均布置在罐體內(nèi)壁合理的位置上；所述信號(hào)發(fā)生單元設(shè)有4個(gè)，每個(gè)信號(hào)發(fā)生單元通過電纜與其中兩組發(fā)聲棒相連，信號(hào)發(fā)生單元通過MAX038函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)聲棒發(fā)聲；所設(shè)的八組發(fā)聲棒在罐體內(nèi)壁的不同位置設(shè)置，可同時(shí)發(fā)出可聽聲波和超聲波，各聲波之間相互協(xié)調(diào)對(duì)罐內(nèi)的微生物進(jìn)行刺激培養(yǎng)，達(dá)到了意向不到的效果，大大提高了微生物發(fā)酵效率；具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。
【專利說明】一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種生物反應(yīng)器，具體說是一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反 應(yīng)器。

【背景技術(shù)】
[0002] 在生物反應(yīng)器的設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)的微生物發(fā)酵條件主要考慮的是培養(yǎng)基的組成、 pH值、溫度、溶氧、離子濃度、氧化還原電等因素，這些因素的控制可以對(duì)細(xì)胞的高密度培養(yǎng) 以及次級(jí)代謝產(chǎn)物產(chǎn)量的提高起到了非常大的促進(jìn)作用。目前，有研究顯示聲波可促進(jìn)微 生物的生長，然而沒有專門的用于聲波培養(yǎng)的發(fā)酵培養(yǎng)生物反應(yīng)器，尤其沒有能獲得理想 培養(yǎng)效果的攪拌式生物反應(yīng)器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有發(fā)酵罐基礎(chǔ)上通過耦合聲效應(yīng)，提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物 的最佳聲波培養(yǎng)，可促生長、促代謝、促合成的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，所述 生物反應(yīng)器可應(yīng)用在增加微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)量、加快微生物生長速度或/和增加微生物油 脂產(chǎn)量中的方面。
[0004] 一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，包括罐體和攪拌裝置，在罐體的 內(nèi)壁上設(shè)有發(fā)聲機(jī)構(gòu)；所述發(fā)聲機(jī)構(gòu)包括信號(hào)發(fā)生單元和設(shè)置在罐體內(nèi)壁上的發(fā)聲棒；所 述發(fā)聲棒共有8組，每組發(fā)聲棒由一超聲波發(fā)聲棒和一可聽聲波發(fā)聲棒組成，；其中，兩組 發(fā)聲棒設(shè)置在罐體頂部，兩者的距離為罐體內(nèi)徑長度的二分之一；在罐體高度2/3處和1/2 處的內(nèi)壁上分別設(shè)有兩組對(duì)稱分布的發(fā)聲棒，且罐體高度1/2處的兩組發(fā)聲棒與頂部設(shè)置 的兩組發(fā)聲棒之間呈等腰梯形布置；罐體高度2/3處的兩組發(fā)聲棒與高度1/2處的兩組發(fā) 聲棒的分布方向正交，且高度2/3處的每組發(fā)聲棒均和頂部設(shè)置的兩組發(fā)聲棒之間呈等腰 三角形布置；在罐體高度2/3處和罐體高度1/2處之間沿堅(jiān)直方向等間距分布有兩組發(fā)聲 棒；所述信號(hào)發(fā)生單元設(shè)有4個(gè)，每個(gè)信號(hào)發(fā)生單元通過電纜與其中兩組發(fā)聲棒相連，信 號(hào)發(fā)生單元通過MAX038函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)聲棒 發(fā)聲；所述的發(fā)聲機(jī)構(gòu)的可聽聲波頻率為1000Hz ~8000Hz，超聲波的頻率為25kHZ-35 kHZ， 強(qiáng)度為80~110dB ;所述攪拌裝置的攪拌速度為150-250rpm。
[0005] 所述發(fā)聲機(jī)構(gòu)的聲波頻率優(yōu)選為5000Hz ;聲強(qiáng)優(yōu)選為90-110 dB ;所述的攪拌裝 置的攪拌速度優(yōu)選為150r/min。
[0006] 所述信號(hào)發(fā)生單元上設(shè)有外源音頻播放器接口、調(diào)節(jié)MAX038函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生高 頻信號(hào)波形的波形選擇開關(guān)、調(diào)節(jié)聲波頻率大小的頻率調(diào)節(jié)旋鈕、調(diào)節(jié)聲波強(qiáng)度的聲強(qiáng)調(diào) 節(jié)旋鈕和可顯示聲波的頻率和強(qiáng)度的顯示面板45。
[0007] 所述攪拌裝置包括電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)和攪拌軸；所述減速機(jī)設(shè)置在電機(jī)與攪拌軸 之間；攪拌軸伸入到罐體內(nèi)部，攪拌軸上還設(shè)有攪拌槳。所述攪拌槳為三個(gè)，等距離設(shè)置 在攪拌軸上。
[0008] 所述罐體上設(shè)有溫控裝置，所述的溫控裝置包括四列均勻分布在罐體內(nèi)壁上的蛇 管，其中兩個(gè)蛇管內(nèi)為循環(huán)熱水，另外兩個(gè)蛇管內(nèi)為循環(huán)冷卻水。
[0009] 所述罐體上有設(shè)有接種口、壓力檢測表、溫度顯示器、pH測量孔、溶氧檢測孔、進(jìn)氣 口和進(jìn)料口；罐體頂部有出氣口；罐體底部有發(fā)酵液排放口和三角支架。
[0010] 所述發(fā)聲棒和信號(hào)發(fā)生單元均設(shè)有防護(hù)套，可用于保護(hù)發(fā)生機(jī)構(gòu)，提高生物培養(yǎng) 基的使用壽命。
[0011] 有益效果： 1、本發(fā)明在傳統(tǒng)的發(fā)酵罐上設(shè)計(jì)出用于聲波培養(yǎng)微生物的生物反應(yīng)器，在發(fā)酵罐的內(nèi) 部設(shè)置發(fā)生機(jī)構(gòu)，所設(shè)的八組發(fā)聲棒在罐體內(nèi)壁的不同位置設(shè)置，可同時(shí)發(fā)出可聽聲波和 超聲波，各聲波之間相互協(xié)調(diào)對(duì)罐內(nèi)的微生物進(jìn)行刺激培養(yǎng)，達(dá)到了意向不到的效果，大大 提高了微生物發(fā)酵效率；可使生長速度提高3倍以上，微生物代謝產(chǎn)量達(dá)到了普通培養(yǎng)的 2倍以上，微生物油脂產(chǎn)量提高1.9倍。另外，所發(fā)出的聲波與發(fā)酵罐的攪拌速度相結(jié)合， 通過耦合聲效應(yīng)促進(jìn)微生物的生長；該培養(yǎng)方式在發(fā)酵的過程中除增強(qiáng)了裝置的傳質(zhì)動(dòng)力 夕卜，通過聲對(duì)生物細(xì)胞進(jìn)行周期性"擠壓"，誘發(fā)細(xì)胞表面周期性的機(jī)械應(yīng)力，進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞 代謝、基因表達(dá)、細(xì)胞生長和增殖。另一方面，這種周期性"擠壓"將加速胞內(nèi)流體的運(yùn)動(dòng)， 并引起細(xì)胞質(zhì)膜的形變，導(dǎo)致細(xì)胞膜流動(dòng)性增加，并引起膜蛋白構(gòu)象的改變，并最終影響膜 轉(zhuǎn)運(yùn)功能的調(diào)節(jié)，加速了胞內(nèi)的代謝活動(dòng)，從而有效發(fā)揮聲效應(yīng)促生長、促代謝和促合成的 過程。
[0012] 2、本發(fā)明打破了傳統(tǒng)的培養(yǎng)方式，米用可聽聲波與超聲波相互結(jié)合方式的對(duì)微生 物進(jìn)行培養(yǎng)，設(shè)計(jì)出了相關(guān)的生物反應(yīng)器；可直接將本發(fā)明生物反應(yīng)器進(jìn)行培養(yǎng)，就可以達(dá) 到很好的培養(yǎng)效果；本發(fā)明通過從罐體內(nèi)不同位置發(fā)出的特定頻率和強(qiáng)度的聲波作用于罐 體內(nèi)培養(yǎng)的微生物，結(jié)合合理的攪拌轉(zhuǎn)速，可有效增加細(xì)胞膜酯的流動(dòng)性，并有利于營養(yǎng)物 質(zhì)的吸收，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景，在發(fā)基于聲效應(yīng)的促生長、促代謝、促合成的新型生 物技術(shù)等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中生物反應(yīng)器的發(fā)聲棒在罐體內(nèi)的分布示意圖； 圖3是圖1中生物反應(yīng)器的信號(hào)發(fā)生單元的示意圖； 圖4是圖1中生物反應(yīng)器的發(fā)聲機(jī)構(gòu)的示意圖； 圖中標(biāo)記是：1、罐體；2、攪拌裝置；21、電動(dòng)機(jī)；22、減速機(jī)；23、攪拌軸；24、攪拌槳；3、 發(fā)聲棒；4、信號(hào)發(fā)生單元；41、外源音頻播放器接口；42、波形選擇開關(guān)；43、頻率調(diào)節(jié)旋鈕； 44、聲強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕；45、顯示面板；11、蛇管；12、壓力檢測表；13、溫度顯示器；14、進(jìn)氣口； 15、接種口；16、發(fā)酵液排放口；17、出氣口；18、PH測量孔；19、溶氧檢測孔；20、進(jìn)料口。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 如圖所示，一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，包括罐體1和攪拌裝 置2 ;在罐體1的內(nèi)壁上設(shè)有發(fā)聲機(jī)構(gòu)；所述發(fā)聲機(jī)構(gòu)包括信號(hào)發(fā)生單元4和設(shè)置在罐體1 內(nèi)壁上的發(fā)聲棒3 ;所述發(fā)聲棒3共有8組，每組發(fā)聲棒3由一超聲波發(fā)聲棒和一可聽聲波 發(fā)聲棒組成，;其中，兩組發(fā)聲棒3設(shè)置在罐體1頂部，兩者的距離為罐體1內(nèi)徑長度的二分 之一；在罐體1高度2/3處和1/2處的內(nèi)壁上分別設(shè)有兩組對(duì)稱分布的發(fā)聲棒3,且罐體1 高度1/2處的兩組發(fā)聲棒3與頂部設(shè)置的兩組發(fā)聲棒3之間呈等腰梯形布置；罐體1高度 2/3處的兩組發(fā)聲棒3與高度1/2處的兩組發(fā)聲棒3的分布方向正交，且高度2/3處的每 組發(fā)聲棒3均和頂部設(shè)置的兩組發(fā)聲棒3之間呈等腰三角形布置；在罐體1高度2/3處和 罐體1高度1/2處之間沿堅(jiān)直方向等間距分布有兩組發(fā)聲棒3 ;所述信號(hào)發(fā)生單元4設(shè)有 4個(gè)，每個(gè)信號(hào)發(fā)生單元4通過電纜與其中兩組發(fā)聲棒3相連，信號(hào)發(fā)生單元4通過MAX038 函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生高頻信號(hào)，高頻信號(hào)通過信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)聲棒3發(fā)聲；所述的發(fā)聲機(jī)構(gòu) 的可聽聲波頻率為1000Hz ~8000Hz，超聲波的頻率為25kHZ-35 kHZ，強(qiáng)度為80~110dB;所 述攪拌裝置2的攪拌速度為150-250rpm。
[0015] 所述發(fā)聲機(jī)構(gòu)的可聽聲波頻率為5000Hz，超聲波的頻率為30 kHZ;聲強(qiáng)為90-110 dB ;所述的攪拌裝置2的攪拌速度為150r/min。
[0016] 所述信號(hào)發(fā)生單元4上設(shè)有外源音頻播放器接口 41、調(diào)節(jié)MAX038函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生 高頻信號(hào)波形的波形選擇開關(guān)42、調(diào)節(jié)聲波頻率大小的頻率調(diào)節(jié)旋鈕43、調(diào)節(jié)聲波強(qiáng)度的 聲強(qiáng)調(diào)節(jié)旋鈕44和可顯示聲波的頻率和強(qiáng)度的顯示面板45。
[0017] 所述攪拌裝置2包括電動(dòng)機(jī)21、減速機(jī)22和攪拌軸23 ;所述減速機(jī)22設(shè)置在電 機(jī)21與攪拌軸23之間；攪拌軸23伸入到罐體1內(nèi)部，攪拌軸23上還設(shè)有攪拌槳24。所 述攪拌槳24為三個(gè)，等距離設(shè)置在攪拌軸23上。
[0018] 所述攪拌裝置2包括電動(dòng)機(jī)21、減速機(jī)22和攪拌軸23 ;所述減速機(jī)22設(shè)置在電 機(jī)21與攪拌軸23之間；攪拌軸23伸入到罐體1內(nèi)部，攪拌軸23上還設(shè)有攪拌槳24。所 述攪拌槳24為三個(gè)，等距離設(shè)置在攪拌軸23上。
[0019] 所述罐體1上設(shè)有溫控裝置，所述的溫控裝置包括四列均勻分布在罐體1內(nèi)壁上 的蛇管11，其中兩個(gè)蛇管11內(nèi)為循環(huán)熱水，另外兩個(gè)蛇管內(nèi)為循環(huán)冷卻水。
[0020] 所述罐體1上有設(shè)有接種□ 15、壓力檢測表12、溫度顯示器13、pH測量孔18、溶 氧檢測孔19、進(jìn)氣口 14和進(jìn)料口 20 ;罐體1頂部有出氣口 17 ;罐體1底部有發(fā)酵液排放口 16和三角支架。
[0021] 所述發(fā)聲棒3和信號(hào)發(fā)生單元4均設(shè)有防護(hù)套。
[0022] 實(shí)施例1用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器在增加微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)量 中的應(yīng)用及產(chǎn)量結(jié)果對(duì)比 微生物材料：納塔爾鏈霉菌液體菌種 培養(yǎng)基：1、平板及斜面培養(yǎng)基g/L:葡萄糖10,麥芽汁3,酵母膏3,蛋白胨5,瓊脂20， PH7.0?pH7. 3 ;2、種子培養(yǎng)基g/L :葡萄糖20,大豆蛋白胨10,酵母膏6,氯化鈉10，pH7. 3 ; 3、發(fā)酵培養(yǎng)基g/L :黃豆餅粉40,葡萄糖20,可溶性淀粉40,酵母膏7, pH7. 0。
[0023] 操作步驟：將微生物納塔爾鏈霉菌液體菌分為兩組，第一組采用傳統(tǒng)的培養(yǎng)方式 進(jìn)行培養(yǎng)；第二組采用本發(fā)明用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器進(jìn)行培養(yǎng)，具體操 作方式為：先通過進(jìn)氣口 14通入蒸汽進(jìn)行生物反應(yīng)器的空罐滅菌。然后將已滅菌的培養(yǎng)基 由進(jìn)料口 20注入罐體1內(nèi)。待溫度降至接種溫度時(shí)，由接種口 15注入納塔爾鏈霉菌液體 菌種，開啟電動(dòng)機(jī)2進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速控制在150rpm。從進(jìn)氣口 16通入無菌空氣， 通風(fēng)比按1:0.8 V / V*m進(jìn)行。開啟聲發(fā)生裝置，調(diào)節(jié)可聽聲波頻率為5000Hz，超聲波頻 率為30 kHZ;聲強(qiáng)為lOOdB，進(jìn)行持續(xù)刺激處理。培養(yǎng)過程中，通過冷卻水對(duì)發(fā)酵罐進(jìn)行 溫度控制。培養(yǎng)96小時(shí)，由發(fā)酵液排放口 16排出發(fā)酵液，進(jìn)行后續(xù)處理并測定納他霉素產(chǎn) 量。
[0024] 表1.納塔爾鏈霉菌液體菌發(fā)酵產(chǎn)納他霉素結(jié)果對(duì)比

【權(quán)利要求】
1. 一種用于微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，包括罐體（1)和攪拌裝置（2)，其特 征在于：在罐體（1)的內(nèi)壁上設(shè)有發(fā)聲機(jī)構(gòu)；所述發(fā)聲機(jī)構(gòu)包括信號(hào)發(fā)生單元（4)和設(shè)置在 罐體（1)內(nèi)壁上的發(fā)聲棒（3);所述發(fā)聲棒（3)共有8組，每組發(fā)聲棒（3)由一超聲波發(fā)聲 棒和一可聽聲波發(fā)聲棒組成；其中，兩組發(fā)聲棒（3)設(shè)置在罐體（1)頂部，兩者的距離為罐 體（1)內(nèi)徑長度的二分之一；在罐體（1)高度2/3處和1/2處的內(nèi)壁上分別設(shè)有兩組對(duì)稱 分布的發(fā)聲棒（3)，且罐體（1)高度1/2處的兩組發(fā)聲棒（3)與頂部設(shè)置的兩組發(fā)聲棒（3) 之間呈等腰梯形布置；罐體（1)高度2/3處的兩組發(fā)聲棒（3)與高度1/2處的兩組發(fā)聲棒 (3)的分布方向正交，且高度2/3處的每組發(fā)聲棒（3)均和頂部設(shè)置的兩組發(fā)聲棒（3)之間 呈等腰三角形布置；在罐體（1)高度2/3處和罐體（1)高度1/2處之間沿堅(jiān)直方向等間距 分布有兩組發(fā)聲棒（3);所述信號(hào)發(fā)生單元（4)設(shè)有4個(gè)，每個(gè)信號(hào)發(fā)生單元（4)通過電 纜與其中兩組發(fā)聲棒（3)相連，信號(hào)發(fā)生單元（4)通過MAX038函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生高頻信號(hào)， 高頻信號(hào)通過信號(hào)放大后驅(qū)動(dòng)發(fā)聲棒（3)發(fā)聲；所述的發(fā)聲機(jī)構(gòu)的可聽聲波頻率為1000Hz ~8000Hz，超聲波的頻率為25kHZ-35 kHZ，強(qiáng)度為80~110dB;所述攪拌裝置（2)的攪拌速度 為 150_250rpm。
2. 如權(quán)利要求書1所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述發(fā) 聲機(jī)構(gòu)的可聽聲波頻率為5000Hz，超聲波的頻率為30 kHZ;聲強(qiáng)為90-110 dB;所述的攪拌 裝置（2)的攪拌速度為150r/min。
3. 如權(quán)利要求書1所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述信 號(hào)發(fā)生單元（4)上設(shè)有外源音頻播放器接口（41)、調(diào)節(jié)MAX038函數(shù)發(fā)聲器產(chǎn)生高頻信號(hào)波 形的波形選擇開關(guān)（42)、調(diào)節(jié)聲波頻率大小的頻率調(diào)節(jié)旋鈕（43)、調(diào)節(jié)聲波強(qiáng)度的聲強(qiáng)調(diào) 節(jié)旋鈕（44)和可顯示聲波的頻率和強(qiáng)度的顯示面板（45)。
4. 如權(quán)利要求書1所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述攪 拌裝置⑵包括電動(dòng)機(jī)（21)、減速機(jī)（22)和攪拌軸（23);所述減速機(jī)（22)設(shè)置在電機(jī) (21)與攪拌軸（23)之間；攪拌軸（23)伸入到罐體（1)內(nèi)部，攪拌軸（23)上還設(shè)有攪拌槳 (24)。
5. 如權(quán)利要求書4所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述攪 拌槳（24)為三個(gè)，等距離設(shè)置在攪拌軸（23)上。
6. 如權(quán)利要求書1所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述罐 體（1)上設(shè)有溫控裝置，所述的溫控裝置包括四列均勻分布在罐體（1)內(nèi)壁上的蛇管（11)， 其中兩個(gè)蛇管（11)內(nèi)為循環(huán)熱水，另外兩個(gè)蛇管內(nèi)為循環(huán)冷卻水。
7. 如權(quán)利要求書1所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在于：所述罐 體（1)上有設(shè)有接種口（15)、壓力檢測表（12)、溫度顯示器（13)、pH測量孔（18)、溶氧檢 測孔（19)、進(jìn)氣口（14)和進(jìn)料口（20);罐體⑴頂部有出氣口（17);罐體⑴底部有發(fā)酵 液排放口（16)和三角支架。
8. 如權(quán)利要求書1-7其中之一所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于：所述發(fā)聲棒（3)和信號(hào)發(fā)生單元（4)均設(shè)有防護(hù)套。
9. 如權(quán)利要求書1-7其中之一所述的微生物聲波培養(yǎng)的攪拌式生物反應(yīng)器，其特征在 于：所述生物反應(yīng)器在增加微生物代謝產(chǎn)物產(chǎn)量、加快微生物生長速度或/和增加微生物 油脂產(chǎn)量中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C12M1/42GK104450517SQ201410666724
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】古紹彬, 吳影, 張永柱, 喬蘇瑜, 李市場, 王大紅, 孫建瑞 申請(qǐng)人:河南科技大學(xué)