技术领域
本实用新型涉及微生物学装置技术领域。
背景技术
目前，大多数高校在深层发酵实验教学时，对于好氧微生物发酵，由于缺乏可通入无菌空气或通气速率可控的小型发酵罐，多以锥形瓶替代进行摇瓶培养，而这种实验教学不能让学生深刻理解代谢控制发酵机制、熟悉发酵的一般生产流程和熟练掌握达到深层发酵工艺的目的，尤其是理解溶解氧在发酵过程中的重要性。因此，设计一种小体积的、成本低的、适合较多学生同时进行实验课程的、适用于需控制通气速率的液体发酵的发酵罐，是目前需要解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种教学用简易气升式生物反应器，该生物反应器体积小、成本低、可控通气速率和罐压，易于安装和拆卸，适合较多学生同时进行实验课程。
为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种教学用简易气升式生物反应器，包括发酵罐，发酵罐的顶部设有罐盖，还包括通气装置、排气装置和接种采样装置；
通气装置包括进气导管，通气速率控制器、通气滤膜和气泵；进气导管的出气口一端穿过罐盖至发酵罐内底部，进气导管的进气口一端位于发酵罐外侧并依次设置有通气滤膜、通气速率控制器和气泵，气泵位于进气口处；
排气装置包括排气导管、排气滤膜和压强控制器；排气导管的一端穿过罐盖至发酵罐内顶部，排气导管的另一端位于发酵罐外侧并依次设置有排气滤膜和压强控制器；
接种采样装置包括接种采样管和接种采样管塞；罐盖上设有接种采样管，接种采样管的一端位于发酵罐内下部，另一端位于发酵罐外侧，接种采样管顶部管口处设有接种采样管塞。
优选的，进气导管的出气口处设有气泡石。
优选的，接种采样装置还包括连接塞，接种采样管通过连接塞与罐盖相连。
进一步优选的，接种采样管塞和连接塞的材质为橡胶。
优选的，通气速率控制器和压强控制器为输液器流量调节器。
优选的，发酵罐为圆柱体，发酵罐的材质为无色透明塑料或无色玻璃。
优选的，通气滤膜和排气滤膜的孔径为0.22μm。
优选的，接种采样管的顶部为漏斗形圆桶。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本实用新型体积小、成本低、可控通气速率和罐压，易于安装和拆卸，适合较多学生同时进行实验课程；
（2）通气速率控制器和压强控制器的设计使得本生物反应器可控通气速率和罐压；发酵罐为无色透明塑料或无色玻璃材质，适合实验教学，简单实用，成本低廉；气泡石的设计使空气由气泡石排出，产生大量气泡；接种采样管塞和连接塞的材质为橡胶，利用连接塞弹性固定穿过的接种采样管，接种采样管塞可接入压强测定管或无菌注射器；通过调节连接塞在接种采样管上的位置，可调节接种采样管末端在发酵液中的深度，从而可调节取样深度，可适应更多的实验需求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明；
图1是本实用新型的结构示意图；
图2是本实用新型罐内压强测量及调节使用状态示意图；
图3是本实用新型通气量测定及调节使用状态示意图；
图4是本实用新型接种采样使用状态示意图；
图中，1、发酵罐；2、连接塞；3、接种采样管；4、接种采样管塞；5、罐盖；6、排气滤膜；7、通气滤膜；8、排气导管；9、压强控制器；10、通气速率控制器；11、进气导管；12、进气口；13、气泵；14、出气口；15、气泡石；16、压强测定管；17、通气量测定瓶；18、通气量测定槽；19、无菌注射器。
具体实施方式
实施例1
一种教学用简易气升式生物反应器，如图1所示，包括发酵罐1，发酵罐1的顶部设有罐盖5，还包括通气装置、排气装置和接种采样装置。发酵罐1为圆柱体，发酵罐1的材质为无色透明塑料或无色玻璃。
通气装置包括进气导管11，通气速率控制器10、通气滤膜7和气泵13；进气导管11的出气口14一端穿过罐盖5至发酵罐1内底部，进气导管11的进气口12一端位于发酵罐1外侧并依次设置有通气滤膜7、通气速率控制器10和气泵13，气泵13位于进气口12处。进气导管11的出气口14处设有气泡石15。气泵13泵入空气，通过进气导管11，由速率控制器10控制空气流通速率，经过通气滤膜7除菌后，沿着进气导管11进入发酵罐1底部，由气泡石15排出，产生大量气泡。
排气装置包括排气导管8、排气滤膜6和压强控制器9；排气导管8的一端穿过罐盖5至发酵罐1内顶部，排气导管8的另一端位于发酵罐1外侧并依次设置有排气滤膜6和压强控制器9。通气速率控制器10和压强控制器9为输液器流量调节器。通气滤膜7和排气滤膜6的孔径为0.22μm。
接种采样装置包括接种采样管3、接种采样管塞4和连接塞2，接种采样管3通过连接塞2与罐盖5相连。接种采样管3的一端位于发酵罐1内下部，另一端位于发酵罐1外侧，接种采样管3顶部管口处设有接种采样管塞4。接种采样管塞3和连接塞2的材质为橡胶。接种采样管3的顶部为漏斗形圆桶。
本生物反应器使用方法包括罐内压强、通气量测量及调节方法，接种采样装置的使用方法。
罐内压强测量及调节方法，如图2所示，在发酵罐1内加入1L水，将本生物反应器组装完毕后，在接种采样管3上接一压强测定管16（压强测定管16为尾部楔形的玻璃管或硬塑料管），接通气泵13电源，待压强测定管16内液面稳定后，测量与发酵罐1内液面差H，根据P=ρgH求得本生物反应器的内部压强。可通过调节压强控制器9调节本生物反应器的内部压强。
通气量测定及调节方法，如图3所示，在发酵罐1内加入1L水，将生物反应器组装完毕后，将一通气量测定瓶17（通气量测定瓶17为量筒或容量瓶）装满水后，倒置于盛有适量水的通气量测定槽18（通气量测定槽18为水槽或烧杯）中。接通气泵13电源，气流稳定后，将排气导管8末端置于通气量测定瓶17内，并开始计时，测量出单位时间内通气体积或通入一定体积所用时间，计算出通气速率。可通过调节通气速率控制器10调节本生物反应器的通气速率。
在发酵过程中接种及采样的方法，如图4所示，使用无菌注射器19通过接种采样管3实现接种及取样，显著减少了传统方式接种或取样时染菌机会。通过调节连接塞2在接种采样管3上的位置，可调节接种采样管3末端在发酵液中的深度，从而可调节取样深度，可适应更多的实验需求。
实施例2：本生物反应器的应用示例。
1：黑曲霉发酵
菌种活化。取保藏黑曲霉菌种，用接种环挑取少许孢子接种于斜面试管中，于35℃下恒温培养3d。
摇瓶种子制备。待培养基温度降至40℃以下时，将活化的黑曲霉孢子接种入培养基中，接入量应达0.6～1.5万个/mL，在35℃，200/min的摇床中20h左右，菌丝球为致密形的，菌球直径不应超过0.1mm，菌丝短，且粗壮，分支少，瘤状，部分膨胀为优。
发酵培养。调节培养基的pH在2～4之间，取1000mL培养基加入发酵罐1，将本生物反应器组装完毕后灭菌，待培养基温度降至30℃以下时，将进气导管11与气泵13连接，接通气泵13电源，调节通气速率控制器10、压强控制器9，提供5.0cm3/min的通风条件并保证发酵罐1内压强为1～3KPa，使用无菌注射器19通过接种采样管3接入发酵种子50mL，置于恒温培养箱中28-30℃连续培养72h，待处理。
发酵过程检测。接种后使用无菌注射器19通过接种采样管3取样作第一次测定，以后每半天测定一次，直至结束。测定项目有：还原糖、总糖、酸度、柠檬酸测定、显微镜检查。
2：啤酒生产
取1000mL培养基加入发酵罐1，将本生物反应器组装完毕后灭菌，待培养基温度降至30℃以下时，将进气导管11与气泵13连接，接通气泵13电源，调节通气速率控制器10提供适量氧气，使用无菌注射器19通过接种采样管3接入酵母菌100ml含1*108个酵母/ml的菌种，置于恒温培养箱中10℃培养20h。
之后进入主发酵，停止供氧，品温应控制在8～12℃为宜，发酵时间约经过5～7天左右。
自然升温至12℃，并关闭通气速率控制器10、压强控制器9，利用菌体产生二氧化碳提高罐内压强，保持时间为4天。若无明显双乙酰味，可降温，若有明显双乙酰味，可推迟1～3天降温。
后发酵，还原结束后，在24小时内按规定降温至2～3℃并保持罐内压力在0.1MPa左右，保持3～5天。
发酵过程检测。接种后使用无菌注射器19通过接种采样管3取样作第一次测定，以后每半天测定一次，直至结束。测定项目有：总还原糖，细胞浓度，出芽率，染色率，酸度和pH，α─氨基氮，色度。
本实用新型主要根据供氧方面影响溶解氧的两个主要因素（即罐内压强、通气速率）设计，并主要根据氧传递方程OTR=KLa(C*-CL)，通过调节罐内压强、通气速率而改变KLa、C*，使发酵供氧得到改善。另外参照发酵罐设计基本原理对整体结构进行了合理设计。
式中：OTR--单位体积培养液的氧传递速率；
KLa--以浓度差为推动力的体积溶氧系数；
C*--与气象中氧分压p相平衡时氧的浓度；
CL--液相中和气、液界面处氧的浓度。
本实用新型体积小、成本低、可控通气速率和罐压，易于安装和拆卸，适合较多学生同时进行实验课程。其使用方法包括罐内压强、通气量测量及调节方法，接种采样装置的使用方法。