[实用新型]摇瓶内置曲臂扰流装置

说明书

技术领域

本实用新型属于微生物培养实验设备，特别是指一种摇瓶内置曲臂扰流装置。

背景技术

微生物培养是生物发酵领域中的常用技术。根据对氧气的需求，微生物可分为好氧微生物、厌氧微生物和兼性好氧微生物。目前，发酵工业中绝大多数的发酵过程都是需氧的，发酵过程须不断向培养液中提供氧气。好氧微生物细胞的生命活动离不开氧气，细胞生长、发育和分裂繁殖等活动所需的能量主要来自于三羧酸循环过程产生的ATP，一分子的葡萄糖经过氧化生成二氧化碳和水，并同时产生32个ATP，其中25个ATP是由氧分子参与的氧化磷酸化过程产生。由葡萄糖氧化化学平衡式得出，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，而氧气难溶于水，一般来说，在一个大气压下，25℃的培养基中氧的饱和溶解度为6.4mg/L，这只供微生物维持短暂的生命活动，如果不向培养液中供给氧气，菌体的呼吸将受到强烈的抑制。因此，如何迅速不断地补充培养液中的溶解氧，保证菌体的正常代谢活动，是需氧发酵工业中的重大研究课题。

溶氧是好氧微生物发酵过程中重要的控制参数之一。微生物发酵的过程通常是在密闭反应容器中置入培养基，接种微生物菌种，搅拌并通入无菌空气，在设定的温度和pH值下进行发酵培养。在已有设备和正常发酵过程中培养液的溶氧浓度主要受搅拌和通气的影响。溶氧的大小对菌体生长和产物的性质及产量都会产生影响，如谷氨酸发酵，供氧不足时谷氨酸的积累就会明显降低，产生大量乳酸和琥珀酸。在微生物高密度发酵时，培养液的需氧量随着细胞浓度的增加而增加，若不改变培养体系的溶氧速率，细胞的呼吸和生长会受到限制，从而无法实现高密度发酵。因此，在工业发酵中为维持正常的细胞生长速度，需要提高搅拌速度和通气量以增加氧的传递速率。

在实验室的培养条件下三角瓶是最常用的发酵容器。在工业上，微生物菌种也通常是先在三角瓶中培养，进行逐步扩增后再接种至发酵罐中。三角瓶的通气及溶氧量主要是通过瓶口的进气获得的，然而三角瓶具有口径小，瓶底深且直径大的结构特点，严重限制了气体流通。且三角瓶在摇床上摇动时，培养物以瓶底中轴为轴心进行圆周旋转，这种趋于层流的运动方式不利于氧气的传质，容易导致培养物溶氧量不足、菌体生长不好，甚至出现溶菌的现象。为此实验室中三角瓶的发酵实验通常采用减少三角瓶的装量或是提高摇床转速的方法来提高三角瓶内体积溶氧系数，这在一定程度上提高了供氧速率。但对于氧需求很高的微生物,尤其是在高密度发酵时这两种措施都表现出很大的局限性。这是因为若装液量太少，培养过程中水分蒸发容易造成培养液蒸干，并且发酵液必须达到足够体积才能作为样本；而三角瓶的转速也不能无限制的增加，其受到摇床转速极限的限制，并且提高转速也会使摇床的寿命大为缩短。显然在现有三角瓶的设计及结构下，在某些发酵过程中通过单纯提高转速和减少装液量已不能满足溶氧的需求，因此，需要根据不同发酵特性设计更为合理的三角瓶，以满足微生物对溶氧的需求。

以普通三角瓶为培养容器时培养物随摇床的摇动多以层流的方式沿轴心旋转，流体以层流方式运动时混合速率低，底层培养物与顶层培养物在不同层面流动使得氧气由顶层向底层的传质速率很慢，整个体系的溶氧水平不均匀，导致底层微生物常处于缺氧状态。相反，湍流可以使流动的液体产生很好的搅拌作用，三角瓶的底层培养物被传递到顶层，增加液体与空气的接触面积，增加了溶氧速率。在工业上，大型发酵罐通常改变搅拌桨的形状或在内壁通常附加挡板以增大罐体内流体的湍流，然而工业发酵罐的形状与实验用三角瓶有很大的差异，在搅拌上发酵罐采用搅拌桨的机械搅拌方式，而三角瓶则采用摇床的旋转摇动方式，不同的容器形状和搅拌方式应该使用不同的扰流措施。