微生物培養反應系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種微生物培養反應系統，包括培養基容器、蠕動泵、培養反應器、氣體櫥、抽換氣系統。本實用新型的有益效果：含有三對平行培養反應室，在電刺激類實驗中可實現完全平行對比；六個培養反應室可獨立進行培養，提供不同流動速度與不同電極表面剪切力；長時間保持氣液密閉及隔絕化學與生物污染；實現實驗過程中培養液采樣與電極表面采樣；廣泛適應的接口與模塊化設計，方便地根據實驗需求改裝、加裝特定電極或其他部件；主要針對于海洋來源的微生物，適用于包括環境樣本、純培養樣本在內的多種生物樣本。
【專利說明】微生物培養反應系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及微生物電化學技術與培養【技術領域】，特別是指一種針對深海微生 物研究的微生物培養反應系統。
【背景技術】
[0002] 微生物燃料電池技術能夠將污水中有機物所含的能量轉換成電能收集起來，利用 微生物電化學反應開發燃料電池、處理污水等具有巨大潛力；同時，采用電化學方法研究微 生物代謝過程及微生物-環境互作機理受到廣泛關注；另一方面，海洋作為了解尚淺的自 然資源庫，具有巨大的研究與開發潛力，海洋來源微生物的研究對于解釋微生物-環境互 作機理、開發新型自然資源具有重要作用。然而，至今已發表或公開的設備方案大多基于傳 統化學研究，研究范圍較單一，難以適用于海洋來源的微生物富集等研究中對多類型生物 樣本適用性、連續培養、實驗中采樣等功能的綜合需求，成為海洋來源微生物電化學研究與 應用中的重大障礙。 實用新型內容
[0003] 針對現有技術中的缺陷，本實用新型要解決的技術問題是提供一種針對深海微生 物研究的微生物培養反應系統，在實現培養、實驗中采樣等多任務情況下，維持培養體系內 無污染，可根據不同實驗，更換所需電極等組件。
[0004] 本實用新型提供一種微生物培養反應系統，包括培養基容器、蠕動泵、培養反應 器、氣體櫥、抽換氣系統；
[0005] 所述培養基容器通過蠕動泵連接至培養反應器提供培養基，以實現所述培養基容 器通過蠕動泵為培養反應器提供培養基；所述氣體櫥通過抽換氣系統連接至培養反應器， 以實現所述氣體櫥通過抽換氣系統為培養反應器提供氣體。
[0006] 優選地，還包括采樣系統，其中，所述采樣系統連接所述培養反應器，所述采樣系 統用于米樣培養反應器中的培養物。
[0007] 優選地，還包括恒溫培養箱，其中，所述培養反應器設置在所述恒溫培養箱內，所 述恒溫培養箱用于為培養反應器提供溫度可調節環境。
[0008] 優選地，所述培養反應器包括交換膜、有機玻璃槽、硅橡膠密封圈、高純石墨電極、 硅橡膠密封墊、有機玻璃板、螺釘，其中，所述交換膜的兩側由內而外分別通過螺釘呈對稱 結構依次固定有機玻璃槽、硅橡膠密封圈、高純石墨電極、硅橡膠密封墊和有機玻璃板。
[0009] 優選地，所述培養反應器包括多對平行培養反應室。
[0010] 優選地，所述培養反應室為能夠獨立進行連續培養的培養反應室。
[0011] 優選地，有機玻璃槽設置有掏空部分，有機玻璃槽的側面設置有開孔，開孔連通了 有機玻璃槽的掏空部分與有機玻璃槽的外部；
[0012] 交換膜分布在其兩側的有機玻璃槽的掏空部分之間；
[0013] 高純石墨電極的內側通過硅橡膠密封圈與有機玻璃槽的非掏空部分的外側進行 密封連接；
[0014] 高純石墨電極的外側通過硅橡膠密封墊與有機玻璃板的內側進行密封連接。
[0015] 優選地，有機玻璃槽側面設置的開孔內塞入有硅橡膠塞實現有機玻璃槽的氣液密 閉；
[0016] 蠕動泵通過導管與普通一次性針頭相連，針頭通過硅橡膠塞插入有機玻璃槽內， 從而連接蠕動泵與培養反應器；
[0017] 抽換氣系統通過導管與普通一次性針頭相連，針頭通過硅橡膠塞插入有機玻璃槽 內，從而連接抽換氣系統與培養反應器；
[0018] 采樣系統連接穿刺針，穿刺針插入硅橡膠塞，從而連接采樣系統與培養反應器。
[0019] 與現有技術相比，本實用新型具有如下的有益效果：
[0020] 1、含有三對平行培養反應室，在電刺激類實驗中可實現完全平行對比；
[0021] 2、六個培養反應室可獨立進行培養，提供不同流動速度與不同電極表面剪切力；
[0022] 3、長時間保持氣液密閉及隔絕化學與生物污染；
[0023] 4、實現實驗過程中采樣與電極表面采樣；
[0024] 5、廣泛適應的接口與模塊化設計，方便地根據實驗需求改裝、加裝特定電極或其 他部件；
[0025] 6、主要針對于海洋來源的微生物，適用于包括環境樣本、純培養樣本在內的多種 生物樣本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特 征、目的和優點將會變得更明顯：
[0027] 圖1為本實用新型的應用原理框圖。
[0028] 圖2為圖1中培養反應器的結構示意圖。
[0029] 圖3為本實用新型第一實施例中有機玻璃板的結構示意圖。
[0030] 圖4為本實用新型第一實施例中有機玻璃板的結構參數圖。
[0031] 圖5為本實用新型第一實施例中有機玻璃板、硅橡膠密封墊、高純石墨電極的結 構示意圖，其中，陰影部分表示重疊的硅橡膠密封墊和高純石墨電極。
[0032] 圖6為本實用新型第一實施例中有機玻璃槽的結構示意圖。
[0033] 圖7為本實用新型第一實施例中有機玻璃槽的結構參數圖。
[0034] 圖8為本實用新型第一實施例中交換膜以及重疊的有機玻璃槽和硅橡膠密封圈 的結構示意圖，其中，陰影部分表示交換膜。
[0035] 圖9為示出結構參數的本實用新型第二實施例中培養反應器的正視圖。
[0036] 圖10為示出結構參數的本實用新型第二實施例中培養反應器沿圖9中點劃線的 剖面圖。
[0037] 圖11為示出結構參數的本實用新型第二實施例中培養反應器的左視圖。
[0038] 圖12為示出結構參數的本實用新型第二實施例中培養反應器的頂視圖。
[0039] 圖中：
[0040] A為螺孔；
[0041] B為掏空部分；
[0042] C為側面開孔；
[0043] D為高純石墨電極銅導線出口；
[0044] E為廣適應性接口；
[0045] F為2mm厚的硅橡膠墊片；
[0046] G為18mm厚的有機玻璃板；
[0047] Η為18mm厚的有機玻璃板；
[0048] I為2mm厚的硅橡膠墊片。
【具體實施方式】
[0049] 下面結合具體實施例對本實用新型進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的 技術人員進一步理解本實用新型，但不以任何形式限制本實用新型。應當指出的是，對本領 域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。 這些都屬于本實用新型的保護范圍。
[0050] 本實用新型針對現有技術的不足提供一種針對深海微生物研究的微生物培養反 應系統，如圖1所示，包括培養基容器、蠕動泵、培養反應器、氣體櫥、抽換氣系統，在一個應 用中，還配置有計算機和電化學工作站。所述培養基容器用于通過蠕動泵為培養反應器提 供培養基；所述氣體櫥用于通過抽換氣系統為培養反應器提供氣體；所述計算機用于輸入 控制指令；所述電化學工作站用于根據計算機輸入的控制指令實時檢測培養反應器的數據 參數；所述電化學工作站還用于根據計算機輸入的控制指令為培養反應器輸入電刺激；所 述計算機還用于存儲電化學工作站所檢測到的數據參數。
[0051] 所述培養反應器還連接有用于采樣培養反應器中的培養物的采樣系統。
[0052] 所述培養反應器外還設有用于為培養反應器提供溫度可調節環境的恒溫培養箱。
[0053] 如圖2所不，所述培養反應器包括一交換膜7、兩有機玻璃槽6、兩娃橡膠密封圈5、 兩高純石墨電極4、兩硅橡膠密封墊3、兩有機玻璃板2和十字螺釘1，所述十字螺釘分別固 定培養反應器四周，所述交換膜的兩側由內而外分別通過螺釘呈對稱結構依次固定有機玻 璃槽、硅橡膠密封圈、高純石墨電極、硅橡膠密封墊和有機玻璃板。有機玻璃板夾住有機玻 璃槽，一起構成了培養反應室。
[0054] 具體地，有機玻璃槽設置有掏空部分，有機玻璃槽的側面設置有開孔，開孔連通了 有機玻璃槽的掏空部分與有機玻璃槽的外部；交換膜分布在其兩側的有機玻璃槽的掏空部 分之間；高純石墨電極的內側通過硅橡膠密封圈與有機玻璃槽的非掏空部分的外側進行密 封連接；高純石墨電極的外側通過硅橡膠密封墊與有機玻璃板的內側進行密封連接。
[0055] 更為具體地，有機玻璃槽側面設置有開孔，該開孔可以塞入硅橡膠塞實現有機玻 璃槽的氣液密閉。與蠕動泵連接的培養反應器部件為含硅橡膠塞的開孔；蠕動泵通過導管 與普通一次性針頭相連，針頭通過硅橡膠塞插入有機玻璃槽內，從而連接蠕動泵與培養反 應器。與抽換氣系統連接的培養反應器部件為含硅橡膠塞的開孔；抽換氣系統通過導管與 普通一次性針頭相連，針頭通過硅橡膠塞插入有機玻璃槽內，從而連接抽換氣系統與培養 反應器。與采樣系統連接的培養反應器部件為含硅橡膠塞的開孔；采樣系統連接加長加硬 穿刺針，穿刺針插入硅橡膠塞，從而連接采樣系統與培養反應器。特別地，通過調整穿刺針 角度與插入長度，可以實現對電極表面或培養物特定區域采樣。
[0056] 與電化學工作站相連的培養反應器部件為高純石墨電極；高純石墨電極含一銅導 線，將電極線一端與銅導線相連。電極線另一端插入電化學工作站信號輸入輸出口中，從而 連接高純石墨電極與電化學工作站。
[0057] 在一個優選的【具體實施方式】中，本實用新型提供的微生物培養反應系統的培養反 應器含有三對平行培養反應室，在電刺激類實驗中可實現完全平行對比；六個培養反應室 可獨立進行連續培養，提供不同流動速度與不同電極表面剪切力，具體來說，利用六通道蠕 動泵或者六個獨立蠕動泵控制每個培養反應室的溶液注入速度，選用不同口徑的針頭、調 節溶液注入速度（六個獨立蠕動泵）來控制表面剪切力；長時間保持氣液密閉及隔絕化學 與生物污染；實現實驗過程中采樣與電極表面采樣；廣泛適應的接口與模塊化設計，方便 地根據實驗需求改裝、加裝特定電極或其他部件；針對海洋來源的微生物，包括環境樣本、 純培養樣本在內的多種生物樣本分析。
[0058] 以下為采用本實用新型提供的微生物培養反應系統以及計算機、電化學工作站所 組成的微生物電化學系統進行對Shewanella piezotolerans WP3菌株進行連續培養、采樣 與實時檢測的具體過程，步驟如下：
[0059] 步驟1、通過蠕動泵將培養基（培養基組成：34克氯化鈉，5克蛋白胨，1克酵母菌 膏加入雙蒸水至1升）注入培養反應器內的培養反應室中，將該菌株移入培養反應器內的 培養反應室中，進行連續培養；連續培養過程中，恒溫培養箱溫度設為37°C;開啟氣體櫥，通 過抽換氣系統為培養反應器提供培養所需的氣體，同時，電化學工作站根據計算機輸入的 控制指令向培養反應器輸入電刺激。
[0060] 培養時間：針對一次培養模式，培養72小時；針對連續培養模式，培養時間根據實 驗需要決定，培養基以10%日更新率流動。
[0061] 電刺激電壓數值：lmV-50mV恒壓
[0062] 電刺激目的：為微生物培養物提供環境電勢差，從而改變微生物與電極（環境）的 電子交換與代謝互作。
[0063] 電化學工作站的地線電極與不含培養物的培養反應室（空白室）連接，檢測電極 與含菌液的培養反應室（菌液室）連接。
[0064] 步驟2、電化學工作站根據計算機輸入的指令實時檢測培養反應器的數據參數。
[0065] 檢測參數：在外加電壓模式下，電化學工作站可以檢測實時電流值（I-t圖），電子 流動量累計值（Q-t圖）；在非外加電壓模式下，電化學工作站可以檢測實時電勢差值（V-t 圖），實時電流值（I-t圖）與電子流動量累計值（Q_t圖）。
[0066] 步驟3、在連續培養的任何時段，通過采樣系統采樣培養反應室的培養物，對其進 行檢測。
[0067] 舉例：從反應開始起，每兩小時通過采樣針在電極表面附近采樣200微升。采集樣 本可用于生物化學參數檢測（比如，NADPH/NADP測定），轉錄組分析（比如，RNASeq分析）， 蛋白質組分析（比如，2D-Gel分析）。
[0068] 需要理解的是，本實用新型所保護的技術方案僅是微生物培養反應系統這一硬件 結構，并不包含計算機以及電化學工作站，上述的微生物電化學系統等舉例是為了體現本 實用新型在微生物電化學系統中的應用，而不是本實用新型所能夠解決的技術問題或能夠 獲得的技術效果。
[0069] 以上對本實用新型的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本實用新型并不局 限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改， 這并不影響本實用新型的實質內容。
【權利要求】
1. 一種微生物培養反應系統，其特征在于，包括培養基容器、懦動泵、培養反應器、氣體 櫥、抽換氣系統； 所述培養基容器通過蠕動泵連接至培養反應器；所述氣體櫥通過抽換氣系統連接至培 養反應器。
2. 根據權利要求1所述的微生物培養反應系統，其特征在于，還包括采樣系統，其中， 所述采樣系統連接所述培養反應器。
3. 根據權利要求1所述的微生物培養反應系統，其特征在于，還包括恒溫培養箱，其 中，所述培養反應器設置在所述恒溫培養箱內。
4. 根據權利要求1或2所述的微生物培養反應系統，其特征在于，所述培養反應器包 括交換膜、有機玻璃槽、硅橡膠密封圈、高純石墨電極、硅橡膠密封墊、有機玻璃板、螺釘，其 中，所述交換膜的兩側由內而外分別通過螺釘呈對稱結構依次固定有機玻璃槽、硅橡膠密 封圈、高純石墨電極、硅橡膠密封墊和有機玻璃板。
5. 根據權利要求4所述的微生物培養反應系統，其特征在于，位于交換膜兩側的有機 玻璃板夾住有機玻璃槽，一起構成了培養反應室，所述培養反應器包括多對平行培養反應 室。
6. 根據權利要求4所述的微生物培養反應系統，其特征在于， 有機玻璃槽設置有掏空部分，有機玻璃槽的側面設置有開孔，開孔連通了有機玻璃槽 的掏空部分與有機玻璃槽的外部； 交換膜分布在其兩側的有機玻璃槽的掏空部分之間； 高純石墨電極的內側通過硅橡膠密封圈與有機玻璃槽的非掏空部分的外側進行密封 連接； 高純石墨電極的外側通過硅橡膠密封墊與有機玻璃板的內側進行密封連接。
7. 根據權利要求6所述的微生物培養反應系統，其特征在于， 有機玻璃槽側面設置的開孔內塞入有硅橡膠塞實現有機玻璃槽的氣液密閉； 蠕動泵通過導管與普通一次性針頭相連，針頭通過硅橡膠塞插入有機玻璃槽內，從而 連接蠕動泵與培養反應器； 抽換氣系統通過導管與普通一次性針頭相連，針頭通過硅橡膠塞插入有機玻璃槽內， 從而連接抽換氣系統與培養反應器； 采樣系統連接穿刺針，穿刺針插入硅橡膠塞，從而連接采樣系統與培養反應器。
【文檔編號】C12M1/04GK203947097SQ201420226963
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年5月5日 優先權日:2013年10月9日
【發明者】張宇, 李介夫, 肖湘 申請人:上海交通大學