专利名称：菌体培养装置和方法及采用此类装置的菌体培养系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及菌体培养装置，具体地说是进行容器内外的空气无菌交换的菌体培养装置和方法。本发明适用于菌体的扩大培养、特别是由试管菌种进行的扩大培养。
在菌体培养过程中，尤其是由试管菌种扩大培养时，广泛使用一种机械式的摇瓶机(简称“摇床”)。目前使用的摇瓶机，国内外型号及种类繁多，如上海工业微生物研究所设计监制、江苏无锡县查桥轻工机械厂制造的DXY型独轴旋转式摇瓶机，CXY-2型往复式摇瓶机，美国FORMA SCIENTIFIC公司生产的4520型摇瓶机，等等。但是，不论何种型号的摇瓶机，其原理都是在其工作台面上，放有很多玻璃瓶，瓶内装有接好菌种的液体培养基，接通电源后，该机以一定的振动频率晃动，直至菌体生长周期的完成。所以，摇瓶机的主要作用是使瓶内的培养基液面晃动，使空气进入瓶内，供菌体生长使用。但是，不论是国内或国外的摇瓶机都因工作原理，存在如下缺点(1)由于整个工作台面晃动，所以整机的功率消耗较大，通常在1KVA左右；(2)长时间的机械振荡，易发生机械故障；(3)长期机械磨损，使机械噪声变大，污染环境；(4)由于一直处在晃动工作状态，瓶内的液体不可能装得很多，通常是瓶子容量的20％左右；(5)组合性能差。有时只做一、二支瓶子的菌体实验时，也得开动整台摇瓶机，这样浪费能源；(6)机器维修困难。
1994年9月20日公开的日本特许公开6-261747披露了一种利用电磁搅拌的液体培养方法及培养装置，在该申请中一个具有磁性体和搅拌翼的搅拌子借助于浮力耦合在槽内培养液自由表面上，通过槽底部的外部磁力的旋转带动搅拌子旋转，促使槽内培养液流动，从而达到生物细胞的正常培养。但是该方法及装置并未披露气体交换的有关细节。
1995年11月28日颁发的美国专利5470152披露了一个具有磁耦合式混合器的搅拌筒。该混合器包含一个和电机耦合的驱动磁体以及一个下端固定有叶轮的从动磁体，这两个磁体之间为磁耦合，使得驱动磁体旋转一周导致从动磁体和叶轮旋转一周。该电机带动驱动磁体旋转，从而最终使叶轮旋转，使搅拌筒内的液体流动。但该专利没有提及控制空气特别是氧气进出的通道。
1976年8月2日公开的SU-808114披露了一个菌类液体中混合固态和气态物质的搅拌器，但它同样未提及搅拌器和外界是如何进行空气交换的。
本发明的目的是提供插入容器内的换气装置，促使容器内外作无菌空气交换，从而降低成本及其能源消耗。
根据本发明的第一方面是提供磁耦合式菌体培养装置，它包括用于盛放菌种培养基液体的容器，该容器具有在其顶部的一或多个出气口和一个开口，各出气口各自带有空气过滤膜；固定在容器之上并罩住所述开口的过滤密封罩，该密封罩上有配置了空气过滤膜的入口；密封罩内一个中空的吸气管，它向下穿过所述开口并伸入容器中，可相对于密封罩和瓶体转动；固定在吸气管下端的叶轮，它和吸气管气体相通；固定在吸气管上端的从动磁体；在叶轮附近相对于容器固定的阻挡结构，用于防止容器内液体产生涡流；当外加旋转磁场的时候从动磁体在其作用下带动吸气管及叶轮转动，经入口进入吸气管中的过滤空气靠离心力抛入液体中，达到空气交换的目的。
根据本发明的第二方面是提供菌体培养装置，它包括盛有液体的容器，该容器包括在其顶部的带有空气过滤膜的一或多个出气口和一个开口；固定在容器上方的空气净化室，该净化室的壁上有配置了空气过滤膜的一或多个入口；净化室内的一个中空吸气管，它向下穿过所述容器开口并伸入容器中，吸气管上端通过联轴器咬合在微电机的驱动轴上，吸气管上端口设有空气过滤膜；固定在吸气管下端的叶轮，和吸气管气体相通；在叶轮附近固定在容器上的阻挡结构，用于阻挡容器内的液体以防止其产生涡流；除吸气管外，几乎不存在由空气净化室进入容器的通道；微电机在接通的时候驱动吸气管及叶轮转动，因此经入口进入吸气管中的过滤空气靠离心力抛入液体中。
根据本发明的第三方面是提供采用磁耦合旋转装置帮助容器内菌体进行无菌空气交换的方法，所述容器包括盛有液体的容器主体，该容器主体包括在其顶部的带有空气过滤膜的一或多个出气口；位于容器底部、相对于容器固定的阻挡结构，用于防止容器内液体产生涡流；所述磁耦合旋转装置包括过滤密封罩，该密封罩上有配置了空气过滤膜的入口；密封罩内的一个中空吸气管，可相对于密封罩转动；固定在吸气管下端的叶轮，它和吸气管气体相通；固定在吸气管上端的从动磁体；所述方法包括下列步骤将所述旋转装置的吸气管连同叶轮向下穿过容器密封盖并伸入容器中，并使叶轮在液面之下靠近所述阻挡结构；将过滤密封罩固定在容器口部，使密封罩内和容器内部之间仅有吸气管供空气流通；外加旋转磁场于从动磁体上；从动磁体带动吸气管进而是叶轮转动；经入口进入吸气管中的过滤空气靠离心力抛入液体中，实现空气交换。
根据本发明的第四方面是提供采用上述菌体培养装置的菌体培养系统，它包括一个箱体，一个可调直流电源，置于箱体内的多个菌体培养装置，和相应的数个时间继电器，其中每个菌体培养装置分别是根据本发明第一或二方面所述的菌体培养装置；所述多个培养装置分为数组，每组培养装置的微电机由各自的具有不同占空比的时间继电器控制，使不同组的培养装置有不同的供氧量，从而达到培养不同菌种的目的。
本发明与目前使用的各类摇瓶机有着工作原理上的不同。它的优越性在于(1)节约能源；(2)由于没有机械式的振荡，使机械故障及噪音大大降低。(3)提高了每个培养瓶的培养液的装填量。(4)组合性能强，做单瓶菌体培养时不浪费能源。(5)操作简单、方便、维修容易。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明，附图中相同或相似的部件以相同的标号指代
图1是根据本发明一实施例的磁耦合式菌体培养装置的剖面图；图2是图1所述培养装置的一个构成要件叶轮的基本工作原理；图3是根据本发明另一实施例的磁悬浮式菌体培养装置的剖面图；图4是根据本发明另一实施例的微功耗菌体培养装置的剖面图；图5是图1、3和4所示培养装置可能采用的控制电路；图6是根据本发明另一实施例的菌体培养系统；图7是图6所采用的系统电路示意图。
现在参看图1，它是根据本发明一实施例的磁耦合式菌体培养装置(培养瓶)。如图1所示，该装置可分为固定结构和转动结构。固定结构包括瓶体，在瓶体顶部靠近瓶口处设置有一或多个出气口8和一个开口21，固定在瓶口上方的一个和瓶盖成密封关系的空气净化室16，净化室的侧壁上是一或多个入气口15，净化室内的一个过滤密封罩3，密封罩3密封性地罩住上述开口21，并具有一个入口17，除该入口外密封罩内和其余的净化室空间没有气体交换通道。入口15和17，以及出气口8都装有空气过滤膜。转动结构包括在空气净化室内上方的一个微电机1，装在位于微电机驱动轴上的套筒2的内壁上的外磁环5，密封罩内的一个中空吸气管7，其上端安装有内磁环4。外磁环和内磁环分处密封罩的外面和内部，吸气管向下穿过瓶开口21进入瓶中。当接通电源后，微电机1高速旋转，外磁环5也随之高速旋转。外磁环的磁场穿过过滤密封罩3，作用在内磁环4上。内磁环和外磁环的定位优选使得这两个磁环的相对耦合表面基本上平行于微电机驱动轴的纵向轴线。此外，磁环的径向平行定位能够提供较大的磁环间耦合面积。在耦合磁场的作用下，外磁环旋转一周导致内磁环和叶轮旋转一周，使吸气管7也高速旋转起来。固定在吸气管7下端的是空气叶轮10，叶轮伸入液面之下。叶轮在高速旋转的过程中靠离心力不断将过滤后的新鲜空气抛入到液体培养基中去，供菌体生长使用。与液体培养基交换后的空气，通过瓶子上的出气口8排到瓶外。
培养瓶的进气过滤系统由二级空气过滤器组成。第一级是外界空气入口15，上面装有0.45μm-1μm孔径的聚四氟乙烯材料制成的空气过滤膜。经过一次过滤的空气，穿过空气净化室16，再经第二入口17，进入到吸气管7内，并进而由叶轮抛入瓶内液体中。入口17和出气口8装有由0.2微米孔径的聚四氟乙烯材料制成的空气过滤膜，它可以将任何细菌都拒于其外。从而保证进入到吸气管7的空气非常干净。
吸气管贯穿瓶盖(瓶的开口21)，且它们之间留有空隙以便吸气管可自由转动。另外内磁环的厚度与吸气管直径大于瓶的开口直径，这样保证吸气管不会落入瓶中，从而叶轮悬浮在液体中而不会和瓶底接触。
为了使更多的空气进入液体培养基中，在空气叶轮的外圈安装有相对于瓶体固定的疏气环。疏气环的结构如图2所示。当空气叶轮旋转时，抛出的空气经疏气环上的叶片疏导，并通过疏气环进入液体培养基中，供菌体生长使用。另外，也可以在瓶内底部采用一个翅结构11(图1)来代替疏气环，其作用是阻挡培养瓶内液体防止其形成涡流，使叶轮周围液体和叶轮本身有足够的速度差，有助于叶轮在旋转时抛出空气。
图2是叶轮的基本工作原理图。图中所示是培养装置的主要部件之一空气叶轮，它是一个空心的叶轮，在其圆周的四等分处各有一个出气口。叶轮的中心和吸气管底端是相通的。当它在液体培养基中高速旋转时，空气从吸气管底端经叶轮的中心，沿轴向进入叶轮，当叶轮反时针方向旋转时，它就将空气按顺时针方向抛入到液体培养基中去，供菌体生长使用。另一方面，由于培养瓶中的气压增加，导致废气从出气口排出。
在本发明中，叶轮的结构优选是相对于其转动中心对称的，以便于叶轮在转动时保持平稳。
图3是图1培养装置的改进。除图1的结构外，在吸气管7的中间部分，还安装有二对平衡磁环6(12)、9(13)，其内磁环6、12的外壁与外壁环9、13的内壁，因有相同的极性而互相排斥，所以使吸气管在旋转时始终保持其旋转轴稳定不变，也就是说，相对其贯穿的瓶盖部分而言始终处在磁悬浮状态。这样可以减少旋转时的摩擦力，有助于提高驱动功率的利用，提高空气交换率。平衡磁环的对数可以是1、2或数对，其条件是足以保持平衡，而又不会使转矩过度增加。
图4是图1培养装置的另一变型。与图1的磁耦合式装置相比，它未采用磁耦合式的旋转驱动装置，而是采用了同样置于空气净化室中的微电机来直接驱动吸气管。在该实施例中，吸气管经联轴器3’和微电机的驱动轴成固定配合关系，而且吸气管中心轴和微电机驱动轴共轴线。进入净化室的空气基本上经设置在吸气管上方的过滤膜进入吸气管。在微电机的驱动下，联轴器带动吸气管进而是叶轮旋转，将经入口过滤的新鲜空气抛入液体中。达到空气交换的目的。这一装置的特点是结构简单，成本低廉。但由于轴与轴套之间的间隙容易染菌，无菌保持时间不能太长。
图1、3、4所示的培养装置都可以在时间继电器的控制下工作。时间继电器在接通电源的时候，产生具有一定占空比的电源信号，然后或经功率放大器放大或直接地将其提供给微电机。当电源信号为通的时候，微电机开启，就给瓶内的菌体送氧，当电源信号为断的时候，微电机关闭，就停止送氧，这样就达到了控制溶氧的速率。有关的控制电路如图5所示。当然，也可以采用单片机或其它类似电子装置代替时间继电器，单片机经编程可以达到和其相同的功能。
图6是根据本发明的菌体培养系统。该系统包括一个六面体机箱，箱体的正面是透明的玻璃门，箱内可分为数层，比如说3层，每层有数只培养瓶，每一层的培养瓶组成一个工作区(A或B或C)，各工作区的培养瓶上微电机的开启时间分别由设置在最低层的三个时间继电器101(A、B、C)进行控制。不同的区域可分别设置各自不同的开启、关闭电源的时间，同时给出面板显示。当微电机开启时，就给瓶内的菌体送氧，当微电机关闭时，就停止送氧，这样就达到了控制溶氧的速率。在箱体内可以设置恒温控制器102，使箱内温度保持在微生物生长所适合的任一温度，比如在0度到40度之间的任何一温度，以适应不同的微生物培养环境。
图7是图6菌体培养系统所采用的系统电路图。市电220伏交流电压经电源变压器降压后，经过全波整流，再经过滤波网络，产生出12V的直流电源，供微电机使用。图6所示的3个区的培养瓶的微电机分别由不同的可调直流电源在各自的时间继电器控制下工作。不同的时间继电器可以设置不同的占空比，即不同的工作时间，以此控制微电机的通和/或断。微电机的转速也可以通过以可变电阻调节电源输出的电压的方式来加以改变。调节电位器R，可使电压由12V至6V变化。微电机的转速由快变慢，从而改变了进入瓶内空气的多少。换言之，就可以改变溶氧量的大小。在本实施例中，电压除用电位器进行调节之外，还可以采用其它办法，比如变压器抽头方式。
当微电机为交流微电机的时候，它可以用交流电源驱动。
本发明的操作方法比普通的摇瓶机简单。首先，将每个单元培养瓶净化室的外罩[图1-(16)]取下来，将培养基液体放入单元培养瓶，再把单元培养瓶送入灭菌舱加压灭菌，灭菌后，待培养基冷却下来后，就可进行接种，接好菌种后，将每个瓶的净化室外罩罩在基座[图1-(14)]，接通电源，就可以工作了。
下面是使用以上所述装置做菌体扩大培养的结果。
例食用菌平菇89号扩大培养液体培养基；玉米粉浆600毫升、麦芽汁100毫升、麸皮10克。
灭菌方法湿热灭菌。
灭菌条件0.1Mpa、30分钟。
培养方法将液体培养基倒入单元培养瓶内。送入高压灭菌器灭菌后，待培养基冷却到30摄氏度以下时，在超净工作台上，将平菇号斜面菌种，接种到液体培养基内。控制环境温度在22摄氏度+/-摄氏度，进行培养。
培养时间168小时培养结果1、液态菌积为27克/1000毫升醪液；2、菌球直径在1.5mm以下(占80％左右)；3、菌液具有特有栀子花香味，无异味；4、醪液PH值在5.6-5.8左右；5、液态菌种出菇正常。
本发明可广泛应用在生命科学的研究及微生物发酵工程，如发酵食品、饮料、酒类、医药、农药、酶制剂、环保、化学采矿等方面。还可在大专院校及研究院所的微生物实验室得到广泛应用。
尽管上文已经参照附图对本发明的一些示例性实施例作了说明，但是应当理解的是这样的实施例仅仅是起说明作用，而非对本发明的限制。例如，在上述实施例中瓶盖和空气净化室是密封性地固定在一起的，但是它们也可以是一体制成的。此外，空气净化室和瓶盖也可以一体合成，然后再一起密封性地固定到瓶口上。另一个例子是，上文说明中叶轮在液面下工作，但是在液体量较少的时候，叶轮在液面之上旋转，同样也能够起到空气交换，进而保持菌体正常生长的作用。本发明不应局限在上文已经图示和说明的具体构造和安排。很显然，本领域的技术人员可以对其作出各种修改和改变，而不偏离后附权利要求书所阐述的本发明的精神和范畴。
权利要求
1．菌体培养装置，它包括用于盛放菌种培养基液体的容器，该容器具有在其顶部的一或多个出气口(8)和一个开口(21)，各所述出气口各自带有空气过滤膜；固定在容器之上并罩住所述开口(21)的过滤密封罩(3)，该密封罩上具有配置了空气过滤膜的入口(17)；密封罩内一个中空的吸气管(7)，它向下穿过所述开口并伸入容器中，可相对于密封罩和瓶体转动；固定在吸气管下端的叶轮(10)，它和吸气管气体相通；固定在吸气管上端的从动磁体(4)；在叶轮附近相对于容器固定的阻挡结构(11、18)，用于防止容器内液体产生涡流；当外加旋转磁场的时候，以磁耦合方式使从动磁体在其作用下带动吸气管进而是叶轮转动，经入口进入吸气管中的过滤空气靠离心力抛入液体中，达到空气交换的目的。
2．根据权利要求1所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于还包括一个微电机(1)，一个被固定在所述微电机的驱动轴上的驱动磁体(5)，所述驱动磁体放置在密封罩外和从动磁体磁耦合，所述旋转磁场是在微电机被接通、使驱动磁体旋转时产生的。
3．根据权利要求1所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于还包括一个电磁线圈，该线圈在通以交流电流之后产生所述的旋转磁场。
4．根据权利要求2所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于由电源和时间继电器提供给微电机具有一定占空比的驱动电流，所述占空比由时间继电器选择。
5．根据权利要求2所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于由单片机经编程提供给微电机具有一定占空比的驱动电流。
6．根据权利要求4或5所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于还可以采用电位器或抽头变压装置，在6伏-12伏之间调节供给微电机的电压，以改变微电机的转速，进而改变溶氧速率。
7．根据权利要求1或2所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于还包括设置在吸气管(7)中间部位的两对或两对以上的平衡内磁环(6、12)和外磁环(9、13)，内磁环固定在吸气管的外壁上，而外磁环则与容器成固定关系，内磁环的外壁和外磁环的内壁具有相同的磁性因而互相排斥，从而使吸气管在转动时和周围容器壁脱离接触。
8．根据权利要求1或2所述的磁耦合式菌体培养装置，其特征在于在过滤密封罩之外还有空气净化室，其上有一或多个空气入口，并在该入口上设置空气过滤膜，以强化对进入空气的过滤。
9．菌体培养装置，它包括用于盛放菌种培养基液体的容器，该容器包括在其顶部的带有空气过滤膜的一或多个出气口(8)和一个开口(21)；固定在容器上方的空气净化室(16)，该净化室的壁上有配置了空气过滤膜的一或多个入口(17)；净化室内的一个中空吸气管(7)，它向下穿过所述容器开口(21)并伸入容器中，吸气管上端通过联轴器咬合在微电机的驱动轴上，吸气管上端口设有空气过滤膜；固定在吸气管下端的叶轮(10)，和吸气管气体相通；在叶轮附近固定在容器上的阻挡结构(11)，用于阻挡容器内的液体产生涡流；除吸气管外，几乎不存在由空气净化室进入容器的通道；微电机在接通的时候驱动吸气管进而是叶轮转动，因此经入口进入吸气管中的过滤空气靠离心力抛入液体中。
10．采用磁耦合旋转装置对容器内菌体进行无菌空气交换的方法，所述容器包括盛有液体的容器主体，该容器主体包括在其顶部的带有空气过滤膜的一或多个出气口(8)和开口(21)；位于容器底部、相对于容器固定的阻挡结构(11、18)，用于防止容器内液体产生涡流；所述磁耦合旋转装置包括过滤密封罩(3)，该密封罩上有配置了空气过滤膜的入口(17)；密封罩内的一个中空吸气管(7)，可相对于密封罩转动；固定在吸气管下端的叶轮(10)，它和吸气管气体相通；固定在吸气管上端的从动磁体(4)；所述方法包括下列步骤将所述旋转装置的吸气管连同叶轮向下穿过容器密封盖并伸入容器中，并使叶轮靠近所述阻挡结构；将过滤密封罩固定在容器上方并罩住所述容器开口(21)，使密封罩内和容器内部之间仅有吸气管供空气流通；外加旋转磁场于从动磁体上；从动磁体带动吸气管进而是叶轮转动；经入口进入吸气管中的过滤空气靠离心力抛入液体中，实现空气交换。
11．采用根据权利要求2或9所述菌体培养装置的菌体培养系统，它包括一个箱体，一个可调直流电源，置于所述箱体内的多个菌体培养装置，和相应的数个时间继电器，其中每个菌体培养装置可以分别是根据权利要求2或9之一的菌体培养装置；所述多个培养装置分为数组，每组培养装置的微电机由各自的具有不同占空比的时间继电器控制，使不同组的培养装置有不同的供氧量，从而达到培养不同菌种的目的。
12．根据权利要求11所述的系统，其特征在于还配置有温度控制器，用于控制箱体内部温度，使其保持恒定在某一温度，以适应不同菌种的培养温度。
全文摘要
本发明是在菌体扩大培养、特别是由试管菌种进行扩大培养时使用的磁耦合式菌体培养装置。在一个实施例中,培养装置由微型电机做动力,微电机的转动靠磁耦合方式传递给空气叶轮,使空气叶轮高速旋转,在离心力的作用下,空气叶轮中的空气被抛入容器内的培养基溶液中,供菌体生长使用。本发明与目前使用的摇瓶机(简称“摇床”)有本质的不同,从而达到了降低成本、节约能源的目的。
文档编号B01F7/00GK1324924SQ0011763
公开日2001年12月5日 申请日期2000年5月18日 优先权日2000年5月18日
发明者周镭 申请人:周镭