[實用新型]搖瓶內置曲臂擾流裝置

有效

• 申請號: 201620013077.7
• 申請日: 2016-01-06
• 公開（公告）號: CN205295317U
• 公開（公告）日: 2016-06-08
• 發明（設計）人: 陳峰;柳澤深;姜悅
• 申請（專利權）人: 北京大學;廣東潤科生物工程有限公司
• 主分類號: C12M1/02
• 分類號: C12M1/02
• 代理公司: 石家莊海天知識產權代理有限公司 13101
• 代理人: 田文其

技術領域

本實用新型屬于微生物培養實驗設備，特別是指一種搖瓶內置曲臂擾流裝置。

背景技術

微生物培養是生物發酵領域中的常用技術。根據對氧氣的需求，微生物可分為好氧微生物、厭氧微生物和兼性好氧微生物。目前，發酵工業中絕大多數的發酵過程都是需氧的，發酵過程須不斷向培養液中提供氧氣。好氧微生物細胞的生命活動離不開氧氣，細胞生長、發育和分裂繁殖等活動所需的能量主要來自于三羧酸循環過程產生的ATP，一分子的葡萄糖經過氧化生成二氧化碳和水，并同時產生32個ATP，其中25個ATP是由氧分子參與的氧化磷酸化過程產生。由葡萄糖氧化化學平衡式得出，每180g葡萄糖完全氧化需要190g氧。微生物只能利用溶解于水中的氧，而氧氣難溶于水，一般來說，在一個大氣壓下，25℃的培養基中氧的飽和溶解度為6.4mg/L，這只供微生物維持短暫的生命活動，如果不向培養液中供給氧氣，菌體的呼吸將受到強烈的抑制。因此，如何迅速不斷地補充培養液中的溶解氧，保證菌體的正常代謝活動，是需氧發酵工業中的重大研究課題。

溶氧是好氧微生物發酵過程中重要的控制參數之一。微生物發酵的過程通常是在密閉反應容器中置入培養基，接種微生物菌種，攪拌并通入無菌空氣，在設定的溫度和pH值下進行發酵培養。在已有設備和正常發酵過程中培養液的溶氧濃度主要受攪拌和通氣的影響。溶氧的大小對菌體生長和產物的性質及產量都會產生影響，如谷氨酸發酵，供氧不足時谷氨酸的積累就會明顯降低，產生大量乳酸和琥珀酸。在微生物高密度發酵時，培養液的需氧量隨著細胞濃度的增加而增加，若不改變培養體系的溶氧速率，細胞的呼吸和生長會受到限制，從而無法實現高密度發酵。因此，在工業發酵中為維持正常的細胞生長速度，需要提高攪拌速度和通氣量以增加氧的傳遞速率。

在實驗室的培養條件下三角瓶是最常用的發酵容器。在工業上，微生物菌種也通常是先在三角瓶中培養，進行逐步擴增后再接種至發酵罐中。三角瓶的通氣及溶氧量主要是通過瓶口的進氣獲得的，然而三角瓶具有口徑小，瓶底深且直徑大的結構特點，嚴重限制了氣體流通。且三角瓶在搖床上搖動時，培養物以瓶底中軸為軸心進行圓周旋轉，這種趨于層流的運動方式不利于氧氣的傳質，容易導致培養物溶氧量不足、菌體生長不好，甚至出現溶菌的現象。為此實驗室中三角瓶的發酵實驗通常采用減少三角瓶的裝量或是提高搖床轉速的方法來提高三角瓶內體積溶氧系數，這在一定程度上提高了供氧速率。但對于氧需求很高的微生物,尤其是在高密度發酵時這兩種措施都表現出很大的局限性。這是因為若裝液量太少，培養過程中水分蒸發容易造成培養液蒸干，并且發酵液必須達到足夠體積才能作為樣本；而三角瓶的轉速也不能無限制的增加，其受到搖床轉速極限的限制，并且提高轉速也會使搖床的壽命大為縮短。顯然在現有三角瓶的設計及結構下，在某些發酵過程中通過單純提高轉速和減少裝液量已不能滿足溶氧的需求，因此，需要根據不同發酵特性設計更為合理的三角瓶，以滿足微生物對溶氧的需求。

以普通三角瓶為培養容器時培養物隨搖床的搖動多以層流的方式沿軸心旋轉，流體以層流方式運動時混合速率低，底層培養物與頂層培養物在不同層面流動使得氧氣由頂層向底層的傳質速率很慢，整個體系的溶氧水平不均勻，導致底層微生物常處于缺氧狀態。相反，湍流可以使流動的液體產生很好的攪拌作用，三角瓶的底層培養物被傳遞到頂層，增加液體與空氣的接觸面積，增加了溶氧速率。在工業上，大型發酵罐通常改變攪拌槳的形狀或在內壁通常附加擋板以增大罐體內流體的湍流，然而工業發酵罐的形狀與實驗用三角瓶有很大的差異，在攪拌上發酵罐采用攪拌槳的機械攪拌方式，而三角瓶則采用搖床的旋轉搖動方式，不同的容器形狀和攪拌方式應該使用不同的擾流措施。