CN1252243C - 一种具有实时检测、控制pH和补料功能的摇床 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有实时检测、控制pH和补料功能的摇床。在摇床的核心部件摇瓶内设置了传感器(如pH电极等)能实时检测培养液的pH值(或其它参数)并转化成电信号，传到电子测控装置，只要培养液的pH值偏离设置值±0.1，电子测控装置就会在0.2秒内指令开启电磁阀，使补料瓶中的料液通过弹性补料管和补料针头从摇瓶一侧的补料口进入摇瓶中，当pH恢复到预定值后，电子测控装置就会自动指令关闭电磁阀；在摇瓶内底部锥角处，紧贴瓶壁设置2～4块挡板，其功用在改善摇瓶内培养组分的混合均匀度和溶氧情况，从而提高所测pH值的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种菌种筛选和培养的摇床，特别涉及一种用于微生物、动植物细胞菌种筛选以及种子扩大培养方面改进的摇床。
背景技术
摇床是生物反应过程中必备的一种专用设备。用于微生物、动植物细胞菌种筛选、种子扩大培养等方面。在生化、医药、食品、轻工、环保、农药等领域广泛使用。早在20世纪三十年代摇床已开始使用，为后来发展起来的深层培养法奠定了技术基础，对生物技术的发展做出了不可磨灭的贡献。至今仍发挥着不可替代的作用。目前，传统的摇床经过技术改良具有速控、温控的功能。但生物反应过程是在分子水平的遗传特性、细胞水平的代谢调节和工程水平的传递特性三个水平上发生的，是这三方面综合作用的过程。而现有摇床培养仅控制一定的温度和转速是远远不够的，这些测量或控制反映不出上述情况的变化。尤其是摇瓶培养过程中，pH变化实质上是菌体生理代谢和反应器(摇瓶)混合传递过程变化的综合指标，如果我们能够对摇瓶培养过程中的H平衡进行研究分析，就能了解各种培养成分与菌种生理特性的关系，为进一步的发酵过程优化提供必要的参数和基础。因此，产业部门希望有关的工程技术人员对现有摇床进行进一步改进，以满足生物反应过程的多方面的要求。
发明内容
本发明的目的：
为克服现有摇床在培养方面的缺陷，设计了一种具有实时检测、控制pH和补料功能的摇床，可满足生物反应过程中各方面的要求。
本发明的构思是这样的：
众所周知：摇床主要由机械震荡机构，摇瓶和电子测控***等部件组成。其中摇瓶是生物反应过程的核心部件。本发明就是针对现有摇床存在的缺陷对摇床的核心部件—摇瓶进行了改进，其构思是：
1、通过在摇瓶内设置pH检测电极(或其它传感器，如溶氧电极、培养液浓度测试电极以及目标产物浓度测试电极等)，在培养过程中，摇瓶内培养液的pH(或其它参数)变化，通过检测电极将信号输入电子测控装置中，可实时测定与记录每个摇瓶内培养液的pH值(或其它参数值)。此外，当摇瓶内微生物菌种生长到一定的阶段，培养液的pH变化到某一值时，电子测定装置也可以在实时连续测定记录的同时，发出启动(或关闭)电磁阀的信号，使补料瓶中的培养液通过弹性料管微量滴加入摇瓶中；
2、自动补料(或控制pH)装置：在摇床运行时，可以通过电磁阀的开关，以阻断或开通补料管内的料液流入摇瓶，补入的量与时间可以在计算机内由人工予先设定，也可以通过摇瓶内pH电极(或其它传感器)的信号控制电磁阀达到滴加料液或调节pH的目的；
3、通过设置在摇瓶内底部锥角的挡板，提高培养液的震荡混合强度，使培养组分始终处于混合均匀态，从而提高pH值(或其它值)的准确度。本发明就是按照上述构思实现的，一种具有实时检测、控制pH和补料功能的摇床，主要由机械震荡机构，摇瓶和电子测控***组成；其中摇瓶是生物反应过程的核心部件，其特征在于：
在摇瓶内设有pH实时检测电极，所说的电极通过摇瓶一侧(如右侧)上的电极插口内的橡胶塞密封***摇瓶中，电极的一端籍助保护装置予以保护，防止在震荡过程中电极被碰伤，电极的另一端通过导线将信号传递给电子测控装置；
在摇瓶的另一侧(如左侧)设有补料口，补料口用医用橡胶塞密封；补料管的一端连有类似医用针头的补料针头通过橡胶塞***摇瓶内，补料管的另一端与补料瓶相连，中间籍助电磁阀的启闭控制补料，电磁阀的启闭则按电子测控装置的指令进行，和在摇瓶的底部锥角处，紧贴瓶壁设2～4块挡板。所说的电子测控装置是由阻抗变换器、控制器以及显示器组成。所说的挡板，其材质是玻璃、不锈钢或工程塑料板中的一种。在摇瓶内除了用pH电极外，还能用溶氧电极、培养液浓度测试电极或目标产物浓度测试电极进行实时检测。其进一步体现在下述的附图和实施例中。
附图说明
图1摇床总体运作示意图
其中：
1-补料瓶，内贮存微生物生长所需补充的料液或用于调整pH的试剂；
2-阻抗变换器；
3-控制器；
4-显示器；
5-电磁阀，其内部结构另附图展示；
6-摇瓶，其内部结构另附图展示；
7-pH电极(或其它传感器)；
8-补料口；
9-摇床底盘；
10-曲轴，通过减速传动机构电动机带动(未图示)运作。
由图1可见：本发明的摇床，其中每个摇瓶6均设置有pH电极7，摇瓶中的培养液的pH值由电极转化为电流，再分别通过导线传输至各自的阻抗变换器2，然后再分别送至控制器3和显示器4，通过显示器上按钮可分别显示与记录某一特定摇瓶中的pH值，当摇瓶内的培养液偏离某一pH值±0.1时，控制器3就可在0.2秒内分别发出指令开启某个补料管上的电磁阀5，补料瓶中的培养液则通过补料管流向补料口8，并通过补料针头(一种类似于医用针头)进入摇瓶，当摇瓶中的pH值恢复至预设范围内，控制器就会自动指令关闭电磁阀5，终止补料。
由于pH电极7(或溶氧电极、培养液浓度测试电极以及目标产物浓度测试电极等)、阻抗变换器2、控制器3以及显示器4均可市售获得，故对其描述从略。
所说的电子测控装置是由阻抗变换器2、控制器3以及显示器4诸构件组成，或者输入计算机，由计算机来调控。
图2为摇瓶结构示意图
其中：
1a-补料口；
2a-医用橡皮塞；
3a-无菌密封塞；
4a-橡胶塞；
5a-传感器，可以是pH电极或其它传感器；
6a-电极插口；
7a-挡板，紧贴于摇瓶内底部锥角，数量为2～4个；它可以是玻璃挡板固接于底部锥角处，也可以用高弹性材料，如不锈钢片或工程塑料制做而成；
8a-保护装置。
图3自动补料和电磁阀的工作示意图
其中：
1b-管夹，在管夹内籍助电磁阀内的衔铁将弹性补料管顶紧，以关闭料液通路，图中处于紧闭状态；
2b-弹性补料管，它的一端连接补料瓶，另一端与针头相连***摇瓶中；
3b-固定板，其上安装有管夹等部件；
4b-摇床外壳；
5b-电磁阀内的衔铁构件；
6b-顶簧；
7b-电磁铁。
本发明的摇床，经实际试用具有如下的技术效果：
1、解决传统摇瓶发酵培养过程无法连续测量同一只摇瓶中的生长参数(如pH等)的问题，提高测量数据的可靠性；
2、解决传统摇瓶发酵过程中改变培养条件时(如调节pH、补料等)必需无菌操作以及停机操作过程所引起的生长环境变化问题，并且可以人工预先时序设定和精确控制；
3、希望通过可连续测量的实时参数变化，调整培养条件，降低操作的盲目性；
4、改善传统摇瓶培养过程培养液的混合和溶氧情况；
5、在相同的初始条件下，同时试验不同的培养条件，便于研究；
6、操作简便，降低能耗，节约成本；
7、在上述基础上，可同时比较不同菌种的代谢特性和发酵过程优化的早期研究，即用于菌种筛选和菌种选育的后技术研究。
具体实施方式
下面结合实施实例进一步阐明发明的内容，但这些实施例并不限制本发明的保护范围。
实施例1
为优化培养条件，寻找合适的培养基，使用本发明的装置培养毕赤酵母：
将初始pH为4.0的毕赤酵母培养液分为三组(n＝2)置于本摇床培养：组不控制pH，另两组的pH值分别设定为5.0、5.5，控制范围：+/-0.1。在超出控制范围时，电磁阀打开，cp＝20秒，p＝0.2秒。培养时48h后，试验数据见下表：
| pH | 不控制 | 5.0 | 5.5 |
| 48h后pH | 3.4 | 5.1 | 5.6 |
试验数据说明，控制pH在5.0、5.5时，48h后发酵液pH保持在控制范围内，达到工艺要求。同时操作简便，提高工作效率。
实施例2
为优化培养条件，寻找合适的培养基，使用本发明的装置培养南昌链霉菌：
在发酵罐中培养南昌链霉菌至生长期(48h)结束，将发酵液分为三组(n＝2)置于本摇床培养：分别控制不同pH(pH 7.0、pH 7.5、pH 8.0)，控制范围：+/-0.1。在超出控制范围时，电磁阀打开，cp＝20秒，p＝0.2秒。培养至120h后测定效价，试验数据见下表：
| pH | 7.0 | 7.5 | 8.0 |
| 120h后pH | 7.1 | 7.6 | 8.1 |
| 120h后效价(μg/ml) | 36 | 52 | 43 |
试验数据说明，使用本摇床发酵培养120h后，pH可保持在控制范围内，同时试验结果为寻找较优化的培养条件提供了有用的信息。
此外，本发明的摇床在其它菌种的筛选、培养基及培养条件的优化等方面也取得了显著的效果。数据可靠、操作简便、高效及低成本，是本发明的突出优点。本发明若与现代生物反应器结合使用，将为发酵工艺放大提供更科学、有效的试验数据，对了解生物反应过程具指导意义，具有广泛的应用前景。
总之，由于本发明的技术改进，给摇床带来新的活力，摇床的功能更加完善，从而使摇床在生物技术发展中发挥更大作用，并有效地推动生物工程的技术进步。
Claims (4)
1、一种具有实时检测、控制pH和补料功能的摇床，主要由机械震荡机构，摇瓶和电子测控***组成；其中摇瓶是生物反应过程的核心部件，其特征在于：
(1)在摇瓶内设有pH实时检测电极，所说的pH实时检测电极(5a)通过摇瓶一侧上的电极插口(6a)内的橡胶塞(4a)密封***摇瓶中，电极的一端籍助保护装置(8a)予以保护，防止在震荡过程中电极被碰伤，电极的另一端通过导线将信号传递给电子测控装置；
(2)在摇瓶的另一侧设有补料口(1a)，补料口(1a)用医用橡胶塞(2a)密封；补料管的一端连有类似医用针头的补料针头通过橡胶塞(2a)***摇瓶内，补料管的另一端与补料瓶(1)相连，中间籍助电磁阀的启闭控制补料，电磁阀的启闭则按电子测控装置的指令进行，和在摇瓶的底部锥角处，紧贴瓶壁设2～4块挡板(7a)。
2、如权利要求1所述的摇床，其特征在于所说的电子测控装置是由阻抗变换器(2)、控制器(3)以及显示器(4)组成。
3、如权利要求1所述的摇床，其特征在于(2)所说的挡板(7a)，其材质是玻璃、不锈钢或工程塑料板中的一种。
4、如权利要求1所述的摇床，其特征在于除了pH电极外，还能用溶氧电极。
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