微生物培养反应系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种微生物培养反应系统，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应器、气体橱、抽换气系统。本实用新型的有益效果：含有三对平行培养反应室，在电刺激类实验中可实现完全平行对比；六个培养反应室可独立进行培养，提供不同流动速度与不同电极表面剪切力；长时间保持气液密闭及隔绝化学与生物污染；实现实验过程中培养液采样与电极表面采样；广泛适应的接口与模块化设计，方便地根据实验需求改装、加装特定电极或其他部件；主要针对于海洋来源的微生物，适用于包括环境样本、纯培养样本在内的多种生物样本。
【专利说明】微生物培养反应系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及微生物电化学技术与培养【技术领域】，特别是指一种针对深海微生 物研究的微生物培养反应系统。
【背景技术】
[0002] 微生物燃料电池技术能够将污水中有机物所含的能量转换成电能收集起来，利用 微生物电化学反应开发燃料电池、处理污水等具有巨大潜力；同时，采用电化学方法研究微 生物代谢过程及微生物-环境互作机理受到广泛关注；另一方面，海洋作为了解尚浅的自 然资源库，具有巨大的研究与开发潜力，海洋来源微生物的研究对于解释微生物-环境互 作机理、开发新型自然资源具有重要作用。然而，至今已发表或公开的设备方案大多基于传 统化学研究，研究范围较单一，难以适用于海洋来源的微生物富集等研究中对多类型生物 样本适用性、连续培养、实验中采样等功能的综合需求，成为海洋来源微生物电化学研究与 应用中的重大障碍。 实用新型内容
[0003] 针对现有技术中的缺陷，本实用新型要解决的技术问题是提供一种针对深海微生 物研究的微生物培养反应系统，在实现培养、实验中采样等多任务情况下，维持培养体系内 无污染，可根据不同实验，更换所需电极等组件。
[0004] 本实用新型提供一种微生物培养反应系统，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应 器、气体橱、抽换气系统；
[0005] 所述培养基容器通过蠕动泵连接至培养反应器提供培养基，以实现所述培养基容 器通过蠕动泵为培养反应器提供培养基；所述气体橱通过抽换气系统连接至培养反应器， 以实现所述气体橱通过抽换气系统为培养反应器提供气体。
[0006] 优选地，还包括采样系统，其中，所述采样系统连接所述培养反应器，所述采样系 统用于米样培养反应器中的培养物。
[0007] 优选地，还包括恒温培养箱，其中，所述培养反应器设置在所述恒温培养箱内，所 述恒温培养箱用于为培养反应器提供温度可调节环境。
[0008] 优选地，所述培养反应器包括交换膜、有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、 硅橡胶密封垫、有机玻璃板、螺钉，其中，所述交换膜的两侧由内而外分别通过螺钉呈对称 结构依次固定有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫和有机玻璃板。
[0009] 优选地，所述培养反应器包括多对平行培养反应室。
[0010] 优选地，所述培养反应室为能够独立进行连续培养的培养反应室。
[0011] 优选地，有机玻璃槽设置有掏空部分，有机玻璃槽的侧面设置有开孔，开孔连通了 有机玻璃槽的掏空部分与有机玻璃槽的外部；
[0012] 交换膜分布在其两侧的有机玻璃槽的掏空部分之间；
[0013] 高纯石墨电极的内侧通过硅橡胶密封圈与有机玻璃槽的非掏空部分的外侧进行 密封连接；
[0014] 高纯石墨电极的外侧通过硅橡胶密封垫与有机玻璃板的内侧进行密封连接。
[0015] 优选地，有机玻璃槽侧面设置的开孔内塞入有硅橡胶塞实现有机玻璃槽的气液密 闭；
[0016] 蠕动泵通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内， 从而连接蠕动泵与培养反应器；
[0017] 抽换气系统通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽 内，从而连接抽换气系统与培养反应器；
[0018] 采样系统连接穿刺针，穿刺针插入硅橡胶塞，从而连接采样系统与培养反应器。
[0019] 与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
[0020] 1、含有三对平行培养反应室，在电刺激类实验中可实现完全平行对比；
[0021] 2、六个培养反应室可独立进行培养，提供不同流动速度与不同电极表面剪切力；
[0022] 3、长时间保持气液密闭及隔绝化学与生物污染；
[0023] 4、实现实验过程中采样与电极表面采样；
[0024] 5、广泛适应的接口与模块化设计，方便地根据实验需求改装、加装特定电极或其 他部件；
[0025] 6、主要针对于海洋来源的微生物，适用于包括环境样本、纯培养样本在内的多种 生物样本。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特 征、目的和优点将会变得更明显：
[0027] 图1为本实用新型的应用原理框图。
[0028] 图2为图1中培养反应器的结构示意图。
[0029] 图3为本实用新型第一实施例中有机玻璃板的结构示意图。
[0030] 图4为本实用新型第一实施例中有机玻璃板的结构参数图。
[0031] 图5为本实用新型第一实施例中有机玻璃板、硅橡胶密封垫、高纯石墨电极的结 构示意图，其中，阴影部分表示重叠的硅橡胶密封垫和高纯石墨电极。
[0032] 图6为本实用新型第一实施例中有机玻璃槽的结构示意图。
[0033] 图7为本实用新型第一实施例中有机玻璃槽的结构参数图。
[0034] 图8为本实用新型第一实施例中交换膜以及重叠的有机玻璃槽和硅橡胶密封圈 的结构示意图，其中，阴影部分表示交换膜。
[0035] 图9为示出结构参数的本实用新型第二实施例中培养反应器的正视图。
[0036] 图10为示出结构参数的本实用新型第二实施例中培养反应器沿图9中点划线的 剖面图。
[0037] 图11为示出结构参数的本实用新型第二实施例中培养反应器的左视图。
[0038] 图12为示出结构参数的本实用新型第二实施例中培养反应器的顶视图。
[0039] 图中：
[0040] A为螺孔；
[0041] B为掏空部分；
[0042] C为侧面开孔；
[0043] D为高纯石墨电极铜导线出口；
[0044] E为广适应性接口；
[0045] F为2mm厚的硅橡胶垫片；
[0046] G为18mm厚的有机玻璃板；
[0047] Η为18mm厚的有机玻璃板；
[0048] I为2mm厚的硅橡胶垫片。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的 技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领 域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。 这些都属于本实用新型的保护范围。
[0050] 本实用新型针对现有技术的不足提供一种针对深海微生物研究的微生物培养反 应系统，如图1所示，包括培养基容器、蠕动泵、培养反应器、气体橱、抽换气系统，在一个应 用中，还配置有计算机和电化学工作站。所述培养基容器用于通过蠕动泵为培养反应器提 供培养基；所述气体橱用于通过抽换气系统为培养反应器提供气体；所述计算机用于输入 控制指令；所述电化学工作站用于根据计算机输入的控制指令实时检测培养反应器的数据 参数；所述电化学工作站还用于根据计算机输入的控制指令为培养反应器输入电刺激；所 述计算机还用于存储电化学工作站所检测到的数据参数。
[0051] 所述培养反应器还连接有用于采样培养反应器中的培养物的采样系统。
[0052] 所述培养反应器外还设有用于为培养反应器提供温度可调节环境的恒温培养箱。
[0053] 如图2所不，所述培养反应器包括一交换膜7、两有机玻璃槽6、两娃橡胶密封圈5、 两高纯石墨电极4、两硅橡胶密封垫3、两有机玻璃板2和十字螺钉1，所述十字螺钉分别固 定培养反应器四周，所述交换膜的两侧由内而外分别通过螺钉呈对称结构依次固定有机玻 璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫和有机玻璃板。有机玻璃板夹住有机玻 璃槽，一起构成了培养反应室。
[0054] 具体地，有机玻璃槽设置有掏空部分，有机玻璃槽的侧面设置有开孔，开孔连通了 有机玻璃槽的掏空部分与有机玻璃槽的外部；交换膜分布在其两侧的有机玻璃槽的掏空部 分之间；高纯石墨电极的内侧通过硅橡胶密封圈与有机玻璃槽的非掏空部分的外侧进行密 封连接；高纯石墨电极的外侧通过硅橡胶密封垫与有机玻璃板的内侧进行密封连接。
[0055] 更为具体地，有机玻璃槽侧面设置有开孔，该开孔可以塞入硅橡胶塞实现有机玻 璃槽的气液密闭。与蠕动泵连接的培养反应器部件为含硅橡胶塞的开孔；蠕动泵通过导管 与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接蠕动泵与培养反 应器。与抽换气系统连接的培养反应器部件为含硅橡胶塞的开孔；抽换气系统通过导管与 普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而连接抽换气系统与培养 反应器。与采样系统连接的培养反应器部件为含硅橡胶塞的开孔；采样系统连接加长加硬 穿刺针，穿刺针插入硅橡胶塞，从而连接采样系统与培养反应器。特别地，通过调整穿刺针 角度与插入长度，可以实现对电极表面或培养物特定区域采样。
[0056] 与电化学工作站相连的培养反应器部件为高纯石墨电极；高纯石墨电极含一铜导 线，将电极线一端与铜导线相连。电极线另一端插入电化学工作站信号输入输出口中，从而 连接高纯石墨电极与电化学工作站。
[0057] 在一个优选的【具体实施方式】中，本实用新型提供的微生物培养反应系统的培养反 应器含有三对平行培养反应室，在电刺激类实验中可实现完全平行对比；六个培养反应室 可独立进行连续培养，提供不同流动速度与不同电极表面剪切力，具体来说，利用六通道蠕 动泵或者六个独立蠕动泵控制每个培养反应室的溶液注入速度，选用不同口径的针头、调 节溶液注入速度（六个独立蠕动泵）来控制表面剪切力；长时间保持气液密闭及隔绝化学 与生物污染；实现实验过程中采样与电极表面采样；广泛适应的接口与模块化设计，方便 地根据实验需求改装、加装特定电极或其他部件；针对海洋来源的微生物，包括环境样本、 纯培养样本在内的多种生物样本分析。
[0058] 以下为采用本实用新型提供的微生物培养反应系统以及计算机、电化学工作站所 组成的微生物电化学系统进行对Shewanella piezotolerans WP3菌株进行连续培养、采样 与实时检测的具体过程，步骤如下：
[0059] 步骤1、通过蠕动泵将培养基（培养基组成：34克氯化钠，5克蛋白胨，1克酵母菌 膏加入双蒸水至1升）注入培养反应器内的培养反应室中，将该菌株移入培养反应器内的 培养反应室中，进行连续培养；连续培养过程中，恒温培养箱温度设为37°C;开启气体橱，通 过抽换气系统为培养反应器提供培养所需的气体，同时，电化学工作站根据计算机输入的 控制指令向培养反应器输入电刺激。
[0060] 培养时间：针对一次培养模式，培养72小时；针对连续培养模式，培养时间根据实 验需要决定，培养基以10%日更新率流动。
[0061] 电刺激电压数值：lmV-50mV恒压
[0062] 电刺激目的：为微生物培养物提供环境电势差，从而改变微生物与电极（环境）的 电子交换与代谢互作。
[0063] 电化学工作站的地线电极与不含培养物的培养反应室（空白室）连接，检测电极 与含菌液的培养反应室（菌液室）连接。
[0064] 步骤2、电化学工作站根据计算机输入的指令实时检测培养反应器的数据参数。
[0065] 检测参数：在外加电压模式下，电化学工作站可以检测实时电流值（I-t图），电子 流动量累计值（Q-t图）；在非外加电压模式下，电化学工作站可以检测实时电势差值（V-t 图），实时电流值（I-t图）与电子流动量累计值（Q_t图）。
[0066] 步骤3、在连续培养的任何时段，通过采样系统采样培养反应室的培养物，对其进 行检测。
[0067] 举例：从反应开始起，每两小时通过采样针在电极表面附近采样200微升。采集样 本可用于生物化学参数检测（比如，NADPH/NADP测定），转录组分析（比如，RNASeq分析）， 蛋白质组分析（比如，2D-Gel分析）。
[0068] 需要理解的是，本实用新型所保护的技术方案仅是微生物培养反应系统这一硬件 结构，并不包含计算机以及电化学工作站，上述的微生物电化学系统等举例是为了体现本 实用新型在微生物电化学系统中的应用，而不是本实用新型所能够解决的技术问题或能够 获得的技术效果。
[0069] 以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局 限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改， 这并不影响本实用新型的实质内容。
【权利要求】
1. 一种微生物培养反应系统，其特征在于，包括培养基容器、懦动泵、培养反应器、气体 橱、抽换气系统； 所述培养基容器通过蠕动泵连接至培养反应器；所述气体橱通过抽换气系统连接至培 养反应器。
2. 根据权利要求1所述的微生物培养反应系统，其特征在于，还包括采样系统，其中， 所述采样系统连接所述培养反应器。
3. 根据权利要求1所述的微生物培养反应系统，其特征在于，还包括恒温培养箱，其 中，所述培养反应器设置在所述恒温培养箱内。
4. 根据权利要求1或2所述的微生物培养反应系统，其特征在于，所述培养反应器包 括交换膜、有机玻璃槽、硅橡胶密封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫、有机玻璃板、螺钉，其 中，所述交换膜的两侧由内而外分别通过螺钉呈对称结构依次固定有机玻璃槽、硅橡胶密 封圈、高纯石墨电极、硅橡胶密封垫和有机玻璃板。
5. 根据权利要求4所述的微生物培养反应系统，其特征在于，位于交换膜两侧的有机 玻璃板夹住有机玻璃槽，一起构成了培养反应室，所述培养反应器包括多对平行培养反应 室。
6. 根据权利要求4所述的微生物培养反应系统，其特征在于， 有机玻璃槽设置有掏空部分，有机玻璃槽的侧面设置有开孔，开孔连通了有机玻璃槽 的掏空部分与有机玻璃槽的外部； 交换膜分布在其两侧的有机玻璃槽的掏空部分之间； 高纯石墨电极的内侧通过硅橡胶密封圈与有机玻璃槽的非掏空部分的外侧进行密封 连接； 高纯石墨电极的外侧通过硅橡胶密封垫与有机玻璃板的内侧进行密封连接。
7. 根据权利要求6所述的微生物培养反应系统，其特征在于， 有机玻璃槽侧面设置的开孔内塞入有硅橡胶塞实现有机玻璃槽的气液密闭； 蠕动泵通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内，从而 连接蠕动泵与培养反应器； 抽换气系统通过导管与普通一次性针头相连，针头通过硅橡胶塞插入有机玻璃槽内， 从而连接抽换气系统与培养反应器； 采样系统连接穿刺针，穿刺针插入硅橡胶塞，从而连接采样系统与培养反应器。
【文档编号】C12M1/04GK203947097SQ201420226963
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2013年10月9日
【发明者】张宇, 李介夫, 肖湘 申请人:上海交通大学