一种恒化器及其肠道菌群的生长调节方法技术

本发明专利技术公开了一种恒化器，包括营养液储备器，所述的营养液储备器依次连接有蠕动泵、培养器和溢出器，本发明专利技术的恒化器，设置储备器，蠕动泵，培养器和溢出器等结构，专门用于培养肠道菌群；本发明专利技术同时公开了所述恒化器的单种群肠道菌群和两种群肠道菌群的生长调节方法，通过引入了菌群营养存储过程，刻画了具有营养存储过程的菌群生长繁殖过程，描述了具有营养存储过程的营养基消耗过程，考虑了肠道壁的吸附作用，刻画了附着细菌与浮游细菌间的转化过程。

Chemostat and method for regulating growth of intestinal flora

The invention discloses a chemostat, including nutrient storage, storage of the nutrient solution is sequentially connected with a peristaltic pump, incubator and overflow device, the invention of the chemostat, set the reserve, peristaltic pump, incubator and overflow device structure, specifically for the cultivation of intestinal flora; the invention also discloses the chemostat with single species of intestinal flora and two species of intestinal flora growth regulation method, by introducing the nutrient storage process flora, characterize with nutritional growth of bacteria during the storage process, describes the nutrient storage process with nutrition consumption process, adsorption of intestinal tract the wall is taken into account, describes the transformation process of attachment between bacteria and planktonic bacteria.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微生物菌液培养
，具体涉及一种恒化器及其肠道菌群的生长调节方法。
技术介绍
恒化器是一种微生物连续培养器，它通过调节培养基的流速控制微生物生长繁殖与代谢速度，并保持培养基的化学环境恒定。微生物的连续培养是相对于分批培养而言的。连续培养是指在深入研究分批培养中生长曲线形成的内在机制的基础上，开放培养系统，不断补充营养液、解除抑制因子、优化生长代谢环境的培养方式。由于培养系统的相对开放性，因此，连续培养也称为开放培养。恒化连续培养往往控制微生物在低于最高生长速率的条件下生长繁殖，它是研究微生物生长、繁殖、产物代谢规律和基因表达与调控机理的重要技术手段。目前的恒化器的酸碱pH调控系统、补料系统、反应系统、出料及取样系统和进气系统的设置比较复杂，使用不方便，只针对筛选琥珀酸突变菌。由于肠道菌群菌种的复杂性和对条件的敏感性，目前，尚没有一种适合肠道菌群培养的恒化器装置及方法。同时微生物恒化培养是一个复杂的生化反应过程，它受到微生物生长代谢生理、基质浓度、环境等诸多因素的影响。生物量守恒定律是微生物恒化培养模型建模的基本原理，现有的肠道菌群恒化器模型主要考虑了培养基的消耗与菌群的生长过程，忽略了菌群营养存储过程和肠道壁对菌群的吸附作用。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种恒化器及其肠道菌群的生长调节方法，模拟菌群营养存储过程以及肠道壁对菌群的吸附作用，从而更加准确的揭示肠道菌群连续恒化培养过程的内在机理和规律。为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：一种恒化器，包括营养液储备器，所述的营养液储备器依次连接有蠕动泵、培养器和溢出器；所述的蠕动泵连接有控制系统，所述的控制系统连接在电源上，所述的控制系统连接有电机的一端，所述的电机的另一端连接有搅拌叶，所述的搅拌叶置于培养器中；所述的培养器中设有无菌空气管和空气过滤器，空气过滤器置于培养器外的一端设有取样口，培养器和溢出器之间的管道上设有排液阀；所述的控制系统还连接有温度传感器和pH值传感器，所述的温度传感器和pH值传感器均伸入培养器中液体液面以下。恒化器的两种群肠道菌群的生长调节方法，所述的两种群为浮游细菌菌群和附着细菌菌群，包括以下步骤：步骤一：计算培养液的输入率、输出率和肠道菌群的输出率；培养液的输入率为D0*S0，培养液的输出率为D*S(t)，菌群的输出率为D*u(t)；其中，S0为培养液的初始输入浓度，mol·L-1，S(t)为t时刻培养液的浓度，mol·L-1，D为培养液输出到溢出器的速率，D＝D0，day-1,u(t)为t时刻肠道菌群的浓度，mol·L-1；步骤二：计算肠道菌群对培养液的吸收率；单位菌群对培养液的吸收率表示为：其中，i＝1,2，i＝1表示浮游细菌，i＝2表示附着细菌，ki为i的半饱和常数，Qi(t)为t时刻i的细胞配额，mol·cell-1Qmax,i为i的最大细胞配额，mol·cell-1，Qmin,i为i的最小细胞配额，mol·cell-1，ρmax,i为i肠道菌群的最大消耗率，mol·cell-1·day-1；步骤三：计算菌群细胞对培养液的消耗率；浮游细菌对培养液总的消耗为：附着细菌对培养液总的消耗为：其中，u(t)为t时刻浮游细菌浓度，mol·L-1，ν(t)为t时刻附着细菌浓度，mol·L-1；γ1为浮游细菌的消耗率，γ2为附着细菌的消耗率；步骤四：计算单位菌群的增长率；其中，μmax,i为i菌群的最大生长率，day-1，(Qi-Qmin,i)+是函数(Qi-Qmin,i)的正部；步骤五：建立两种群肠道菌群的生长模型；培养液浓度的变化率：浮游细菌浓度的变化率：浮游细菌细胞配额的变化率：附着细菌浓度的变化率：附着细菌细胞配额的变化率：其中，α为浮游细菌吸附到肠道壁上的概率，0<α<1，β为附着细菌游离于肠道壁的概率，0<β<1，α和β的大小取决于培养器壁的光滑程度，培养器壁越光滑，α越小，β越大；；步骤六：根据步骤五所得的两种群肠道菌群生长模型，通过改变营养液输入到培养器的输入速率、培养液输出到溢出器中的速率和培养器壁的光滑程度来控制两种群肠道菌群的增长率；培养液输出到溢出器中的速率越大，培养器壁越粗糙，肠道菌群即浮游细菌的增长率越小。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的恒化器，设置储备器，蠕动泵，培养器和溢出器等结构，专门用于培养肠道菌群。(2)本专利技术引入了菌群营养存储过程，刻画了具有营养存储过程的菌群生长繁殖过程；描述了具有营养存储过程的营养基消耗过程；考虑了肠道壁的吸附作用，刻画了附着细菌与浮游细菌间的转化过程。附图说明图1为本专利技术建模流程图。图2为恒化器结构示意图。图3为菌群浓度随时间变化的数值模拟图。附图中各标号的含义：1-储备器，2-蠕动泵，3-培养器，4-溢出器，5-控制系统，6-温度传感器，7-电动机，8-pH值传感器，9-搅拌叶，10-无菌空气管，11-空气过滤器，12-取样口。以下结合实施例对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式(一)一种恒化器，如图2所示，包括营养液储备器1，蠕动泵2，培养器3和溢出器4，营养液储备器1依次连接有蠕动泵2、培养器3和溢出器4；蠕动泵2还与控制系统5相连，控制系统5通过导线分别与温度传感器6、电动机7和pH值传感器8相连，电动机7连接有搅拌叶9，搅拌叶9置于培养器3中，用于搅拌培养液；培养器3中还设有无菌空气管10和空气过滤器11，控制系统5连接在电源上，温度传感器6、搅拌叶9和pH值传感器8均伸入培养器3中液体液面以下，空气过滤器11置于培养器3外的一端设有取样口12，培养器3和溢出器4之间的管道上设有排液阀。恒化器进行肠道菌群连续培养的方法：1)配制培养液A和培养液B，将培养液A灌入营养液储备器中，培养器中接入肠道菌群菌种；2)开启蠕动泵，将培养液A连续泵入培养器中，同时，不断泵入无菌CO2气体，开动电动机搅拌，关闭排液阀培养8～10小时，开启排液阀，连续培养；3)排出菌液至溢出器中，溢出器中菌液装满后，收集菌液，离心收集菌体，向菌体中加入培养液B，搅拌分散混匀，置于0～4℃条件下保存。培养液A由如下组分组成：葡萄糖30～40g/L，蛋白胨1～5g/L，酵母提取物3～10g/L，碳酸氢钠2～3g/L，苹果酸钠2～4g/L，余量为无菌水。培养液B由如下组分组成：葡萄糖3～4g/L，氯化钠1～2g/L，酒石酸钾1～2g/L，壳聚糖1～2g/L，余量为无菌水。蠕动泵的泵入速率为30～50mL/h；所述无菌CO2的泵入速率为0.1～0.2L/min；排液阀的排出速率为30～50mL/h；述离心的速率为300～800rpm；培养液B加入量为离心菌体重量的3～10倍。(二)两种群肠道菌群恒化器模型的建模机理：由于肠道壁的吸附作用，培养过程中部分菌群会吸附到肠道壁上，因此，将菌群分为浮游细菌(planktonicbacteria)和附着细菌(attachedbacteria)两类，肠道壁的吸附作用导致部分菌群吸附到细胞壁上，成为附着细菌，同时在反应过程中，附着细菌也以一定概率游离于细胞壁，变回为浮游细菌，因此分别考虑两类菌群的生长繁殖情况。浮游本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种恒化器，包括营养液储备器(1)，所述的营养液储备器(1)依次连接有蠕动泵(2)、培养器(3)和溢出器(4)；所述的蠕动泵(2)连接有控制系统(5)，所述的控制系统(5)连接在电源上，所述的控制系统(5)连接有电机(7)的一端，所述的电机(7)的另一端连接有搅拌叶(9)，所述的搅拌叶(9)置于培养器(3)中；所述的培养器(3)中设有无菌空气管(10)和空气过滤器(11)，空气过滤器(11)置于培养器(3)外的一端设有取样口(12)，培养器(3)和溢出器(4)之间的管道上设有排液阀；其特征在于：所述的控制系统(5)还连接有温度传感器(6)和pH值传感器(8)，所述的温度传感器(6)和pH值传感器(8)均伸入培养器(3)中液体液面以下。

【技术特征摘要】
1.一种恒化器，包括营养液储备器(1)，所述的营养液储备器(1)依次连接有蠕动泵(2)、培养器(3)和溢出器(4)；所述的蠕动泵(2)连接有控制系统(5)，所述的控制系统(5)连接在电源上，所述的控制系统(5)连接有电机(7)的一端，所述的电机(7)的另一端连接有搅拌叶(9)，所述的搅拌叶(9)置于培养器(3)中；所述的培养器(3)中设有无菌空气管(10)和空气过滤器(11)，空气过滤器(11)置于培养器(3)外的一端设有取样口(12)，培养器(3)和溢出器(4)之间的管道上设有排液阀；其特征在于：所述的控制系统(5)还连接有温度传感器(6)和pH值传感器(8)，所述的温度传感器(6)和pH值传感器(8)均伸入培养器(3)中液体液面以下。2.如权利要求1所述的恒化器的两种群肠道菌群的生长调节方法，所述的两种群为浮游细菌菌群和附着细菌菌群，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：计算培养液的输入率、输出率和肠道菌群的输出率；培养液的输入率为D0*S0，培养液的输出率为D*S(t)，菌群的输出率为D*u(t)；其中，S0为培养液的初始输入浓度，mol·L-1，S(t)为t时刻培养液的浓度，mol·L-1，D为培养液输出到溢出器的速率，D＝D0，day-1，u(t)为t时刻肠道菌群的浓度，mol·L-1；步骤二：计算肠道菌群对培养液的吸收率；单位菌群对培养液的吸收率表示为：fi(S,Qi)=ρi(Qi)S(t)ki+S(t)---(1)]]>ρi(Qi)=ρmax,iQmax,i-Qi(t)Qmax,i-Qmin,i---(2)]]>其中，i＝1,2，i＝1表示浮游细菌，i＝2表示附着细菌，ki为i的半饱和常数，Qi(t)为t时刻i的细胞配额，mol·cell-1，Qmax,i为i的最大细胞配额，mol·cell-1，Qmin,i为i的最小细胞配额，mol·cell-1，ρmax,i为i肠道菌群的最大消耗率，mol·cell-1·day-1；...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂华，刘刚，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61