一种气升式磁负离子生物反应器

摘要

本发明公开了一种气升式磁负离子生物反应器，包括液体培养罐，液体培养罐的顶部设置有罐顶盖，液体培养罐的底部通过空气循环通道与液体培养罐的顶部连通，空气循环通道内设置有用于循环空气的气泵和用于加热空气循环通道内温度的温度控制器，空气循环通道上还套设有磁场-高压发生器，还包括电解氧水槽，电解氧水槽的电解正电极的输出管道与空气循环通道连通，还包括设置在液体培养罐内的用于检测溶氧率的氧电极和用于检测pH值和温度的pH计及温度计。本发明通过电解氧来供应培养液中的细胞、组织或生物体所需的氧；采用发生负离子的方式调节培养液的pH值和氧化还原电位，中和细胞生长过程中产生的氧化剂或自由基。

权利要求

1.一种气升式磁负离子生物反应器，包括液体培养罐(11)，其特征在于，液体培养罐(11)的顶部设置有罐顶盖(15)，液体培养罐(11)的底部通过空气循环通道(12)与液体培养罐(11)的顶部连通，空气循环通道(12)内设置有用于循环空气的气泵(9)和用于加热空气循环通道内温度的温度控制器(7)，空气循环通道(12)上还套设有磁场-高压电发生器(2)，还包括电解氧水槽(1)，电解氧水槽(1)的电解正电极的输出管道与空气循环通道(12)连通，还包括设置在液体培养罐(11)内的用于检测溶氧率的氧电极(5)和用于检测pH值和温度的pH计及温度计(13)，磁场-高压电发生器(2)的高压电极以犬牙交错的方式深入到空气循环通道(12)内，磁场-高压电发生器(2)为直流高压，高压范围在2000-20000伏特，

罐顶盖(15)上设置有取样管和进料管(8)，取样管上设置有取样阀门，进料管上设置有空气过滤器，所述的空气循环通道(12)内设置有空气过滤器，液体培养罐(11)的底部与空气循环通道(12)连通的部分设置有底部阀门(10)，温度控制器(7)、磁场-高压电发生器(2)、气泵(9)和空气循环通道(12)内的空气过滤器从液体培养罐(11)的顶部到底部依次排列设置，且温度控制器(7)、磁场-高压电发生器(2)、气泵(9)和空气循环通道(12)内的空气过滤器均高于液体培养罐(11)内的液面高度，电解氧水槽(1)的电解正电极的输出管道与空气循环通道(12)上温度控制器(7)与磁场-高压电发生器(2)之间的部分连通。

说明书

一种气升式磁负离子生物反应器

技术领域

[0001] 本发明属于生命科学实验室生化培养技术领域，更具体涉及一种气升式磁负离子生物反应器，适用自养细胞、异养细胞和动植物细胞或组织的液体培养研究。

背景技术

[0002] 生化工程是生命科学领域高新技术方向之一。通过生化工程手段生产人类需要的药品、食品乃至组织或器官是生命科学发展趋势之一。在生化反应的基础研究和工业化应用中，细胞培养是最常用的一种研究野生型细胞和工程细胞合成目的产物的手段。气升式液体培养由于搅拌温和，易于控制而被广泛使用。然而，目前的好氧微生物和动植物细胞气升式培养方式主要是采用外界空气供氧的。这势必由于大气污染而引起液体培养效率大大降低，例如空气中的二氧化硫超标将导致菌种或细胞迅速衰退或中毒，目的产物产量急剧减少。而且空气中的氧气比率是固定的，因此传统气升式液体培养罐不利于调节氧气比率的液体培养研究需要和生产需要。

[0003] 本装置除了解决目前传统的气升式液体培养罐采用空气供氧的缺陷外，还重点解决了细胞培养过程中采用可控的氧气浓度进行供氧的技术问题和不需要添加碱性盐类就能控制pH值的问题，并能维持液体培养液的还原态，对通入发酵液的气体分子进行磁化，可以延缓细胞、组织衰老和提高细胞、组织活力。

[0004] 该装置除了用来进行微生物和动植物细胞与组织的好氧培养之外，还可以用于厌氧液体培养研究或生产，无论在好氧液体培养还是厌氧液体培养中，都能够直接调节pH值和氧化还原电位，而不需要通过添加碱性盐类，该方法可以大大提高细胞的活力和延长代谢产物生产时间及产量。

发明内容

[0005] 本发明的目的是在于针对现有气升式液体培养罐存在的上述问题，提供一种气升式磁负离子生物反应器，适用自养细胞、异养细胞和动植物组织或器官的液体培养研究与生产，还可以用于水生动植物培养等。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种气升式磁负离子生物反应器，包括液体培养罐，液体培养罐的顶部设置有罐顶盖，液体培养罐的底部通过空气循环通道与液体培养罐的顶部连通，空气循环通道内设置有用于循环空气的气泵和用于加热空气循环通道内温度的温度控制器，空气循环通道上还套设有磁场-高压电发生器，还包括电解氧水槽，电解氧水槽的电解正电极的输出管道与空气循环通道连通，还包括设置在液体培养罐内的用于检测溶氧率的氧电极和用于检测pH值和温度的pH计及温度计。

[0008] 如上所述的磁场-高压电发生器的高压电极以犬牙交错的方式深入到空气循环通道内。

[0009] 如上所述的罐顶盖上设置有取样管和进料管，取样管上设置有取样阀门，进料管上设置有空气过滤器，所述的空气循环通道内设置有空气过滤器，液体培养罐的底部与空气循环通道连通的部分设置有底部阀门。

[0010] 如上所述的温度控制器、磁场-高压电发生器、气泵和空气循环通道内的空气过滤器从液体培养罐的顶部到底部依次排列设置，且温度控制器、磁场-高压电发生器、气泵和空气循环通道内的空气过滤器均高于液体培养罐内的液面高度，电解氧水槽的电解正电极的输出管道与空气循环通道上温度控制器与磁场-高压电发生器之间的部分连通。

[0011] 本发明与现有技术相比，本装置具有以下优点和效果：

[0012] 1、通过电解氧来供应培养液中的细胞、组织或生物体所需的氧，氧浓度可调，可以很方便地通过氧浓度调节培养液中的细胞、组织或生物体的生长和代谢，达到研究或生产的目的；

[0013] 2、气升式搅拌所用的空气循环采用内循环气体，避免了大气污染(如二氧化硫)对培养液中的细胞、组织或生物体带来的不利影响；

[0014] 3、无论在好氧培养还是厌氧培养，都可以采用发生负离子的方式调节培养液的pH值和氧化还原电位，而不需要添加酸碱调节剂，而且全程可调pH值和氧化还原电位，解决了传统发酵过程中难于控制pH值变化的问题和避免了添加酸碱调节试剂的环节；

[0015] 4、无论在好氧培养还是厌氧培养，都可以采用发生负离子的方式中和细胞生长过程中产生的氧化剂或自由基，从而提高细胞的活力和代谢产物生产时间及产量；

[0016] 5、内循环气体中含有大量的水汽分子等气体，通过高强磁场对这些气体尤其是水汽分子进行磁化，再将这些磁化的分子通入到发酵罐内，可以显著地提高细胞生长活力和生长量并促进代谢。

附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图。

[0018] 图中：1-电解氧水槽，2-磁场-高压电发生器，3-电解正电极，4-电解负电极，5-氧电极，6-电源控制器，7-温度控制器，8-进料管，9-气泵，10-底部阀门，11-液体培养罐，12-空气循环通道，13-pH计及温度计，14-取样口及其阀门，15-罐顶盖，16-空气过滤器。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

[0020] 实施1：

[0021] 如图1所示，一种气升式磁负离子生物反应器，包括电解氧水槽1，设置在电解氧水槽1上的氧气通路上的磁场-高压电发生器2，电解正电极3和电解负电极4、氧电极5和电源控制器6、液体培养罐11及其底部阀门10、空气循环通道12及其内部的温度控制器7、进料管8和气泵9、与控制器连接的pH计及温度计13、取样口及其阀门14、罐顶盖15、空气循环通道12上的空气过滤器16。

[0022] 电解氧水槽1的电解正电极3通过电解水的方式释放出氧气进入磁场-高压电发生器2，位于空气循环通道12上的磁场-高压电发生器2的高压电极以犬牙交错的方式深入到管道内，所述的磁场-高压电发生器2为直流高压，高压范围在2000-20000伏特，经过磁场-高压电发生器2的气体再进入空气循环通道12再进入液体培养罐11；所述的磁场-高压电发生器2对通过的氧气和二氧化碳进行电离产生负氧离子；位于液体培养罐11内的氧电极5与电源控制器6连接。该电源控制器6可以根据氧电极5的设置范围控制电解正电极3的开关或电流电压，所述的氧电极5测量的溶氧率范围在0-30.0mg/L，[0023] 磁场-高压电发生器2对通过的氧气、二氧化碳和水分子气体等气体进行电离产生负离子。在厌氧发酵时，内循环气体中带有大量的水汽分子、氮气分子和二氧化碳分子，氮气、二氧化碳和水汽分子在高压泵的推动下经过磁场-高压电发生器的时候，二氧化碳等气体分子在水分子的催化下被带上负电荷形成活泼负离子，该负离子进入发酵液后一方面可以提高发酵液的pH值，另一方面可以中和细胞生长过程中产生的自由基、维持发酵液的还原态，提高细胞活力；在好氧发酵时，通入的氧气分子则成为内循环气体的主要负离子，起到如上有益作用。

[0024] 磁场-高压电发生器2带有强磁场，对经过的气体分子尤其是水分子进行磁化后再通入发酵罐内，可以提高发酵罐内细胞的活力、促进生长与代谢。磁场强度为1000-7000mT(毫特斯拉)，所述的磁场可以是外加永磁体产生的，也可以是电磁铁通电产生的。

[0025] 位于液体培养罐11内的pH计及温度计13与电源控制器6连接。该电源控制器6可以根据液体培养罐内液体培养液的氧化还原电位数据来控制磁场-高压电发生器2的工作，根据发酵液温度的变化控制加热器的工作。

[0026] 实施例2：在好氧细胞培养中的应用示例。

[0027] 以北虫草菌丝发酵为例：

[0028] 步骤1、先根据北虫草菌种生长的适宜温度设置温度控制器，液体培养罐11内的温度范围控制在15-16摄氏度，通过循环气体来调节液体培养罐11内的温度，再按照常规无菌操作将无菌培养基注入到罐体内，无菌培养液的成分包括去离子水、酵母膏、葡萄糖、磷酸二氢钾和硫酸锌，质量比率为：1500(g):5(g):50(g):0.3(g):0.3(g)，在无菌条件下接入北虫草菌种(Cordyceps militatirs)。

[0029] 步骤2、开启气泵9，空气循环通道12内的气体开始循环，对液体培养罐11内的发酵液进行搅拌，对电源控制器6进行设置溶氧率范围在16-18mg/L和pH值范围在6.0-7.5。

[0030] 步骤3、当发酵液的溶氧率低于16mg/L时，电源控制器6自动开启电解电源，电解正电极3产生氧气并进入循环管道补充循环空气中的氧气浓度，直至发酵液中的溶氧率达到18mg/L后，电解电源自动关闭；当发酵液中的pH值低于设定6.0时，温度控制器7自动开启磁场-高压电发生器2的电源，磁场-高压电发生器2产生2500伏特电压，对循环气体进行高压电离产生负离子，大量的负离子进入发酵液导致pH值升高，当达到7.5时，磁场-高压电发生器2的电源自动关闭。如此自动控制发酵液的溶氧率稳定在16-18mg/L和pH值始终稳定在6.0-7.5，而不需要人为添加调节试剂。

[0031] 磁场-高压电发生器2除带有高压电极之外，还带有高强电磁场，磁场强度设置在7000mT(毫特斯拉)，该磁场为电磁铁通入市电产生的高强磁场。该磁场对通过的内循环水分子等气体进行磁化，这些磁化的负离子或磁化分子进入发酵液后可以提高细胞的活力、促进生长和代谢。

[0032] 采用如上方法培养北虫草菌种，以常规方法发酵作为对照，结果如下：

[0033]

[0034] 实施例2：在厌氧细胞培养中的应用示例。

[0035] 以大肠杆菌培养为例，

[0036] 步骤1、先根据大肠杆菌生长的适宜温度设置温度控制器，液体培养罐11内的温度控制在36-37摄氏度，再按照常规无菌操作向罐体内注入LB无菌培养基，在无菌条件下接入大肠杆菌菌种(TOP10)。开启气泵，循环管道内的气体开始循环，对罐体内的发酵液进行搅拌，关闭控制器的电解电源进行厌氧发酵，对控制器(6)进行设置pH值范围在6.0-7.0，当发酵液中的pH值低于6.0时，控制器自动开启磁场-高压电发生器的电源，对循环气体进行高压电离产生负离子，大量的负离子进入发酵液导致pH值升高，当达到7.0时，磁场-高压电发生器2的电源自动关闭。如此自动控制发酵液pH值。

[0037] 采用如上方法培养大肠杆菌，与常规培养方法(不对用于搅拌的气体进行高压电离)相比，大肠杆菌的生长量提高了一倍以上，菌种衰退期推迟了2周以上。

[0038] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。