模拟胃肠道反应器的开发及其初步应用

论文摘要

胃肠道反应器（Gastrointestinal Reactor）在人体消化道、肠道微生物和益生菌等研究领域具有较大的应用价值。除了具备普通生物反应器的特征和功能,胃肠道反应器还需要模拟胃肠道的生理环境和动态特征。模拟胃和小肠的动态消化模型反应器和模拟大肠的动态发酵模型反应器是两类结构复杂、功能完善且模拟效果好的胃肠道反应器,近年来国内外多个科研团队对其进行了研究和开发,其中某些反应器已广泛应用于肠道微生物和益生作用等领域的研究。然而,现有的动态消化模型反应器和动态发酵模型反应器的结构各异且不通用,组合多个独立反应器则增加了实验的复杂程度和设备成本。为解决这一问题,本研究集成了上述两类反应器的优势特征,开发了一种采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller,PLC）的模拟胃肠道反应器（Gastrointestinal Simulation Reactor,GSR）,验证了GSR模拟胃和小肠消化功能的效果,并将其初步应用于嗜酸乳杆菌的发酵过程中。首先,通过结构比较和数学计算优化设计了反应容器。设计了一种尾气排放与收集装置,通过此装置收集反应器内10 mL空气的收集时间为15 min,体积回收率为85.7%;收集50 mL的收集时间为7 min,体积回收率为96.4%。此装置可防止外部空气进入反应器,维持了反应器的厌氧环境。目前报道的胃肠道反应器中未见有功能相同的装置。此外,我们搭建了基于PLC的控制系统,实现了GSR运行的自动控制。其次,通过冷模实验测试了GSR模拟胃肠道蠕动、排空和混合的效果。以提高GSR内压力变化曲线与体内压力曲线的相似度为目的,对GSR模拟蠕动的参数进行了优化,使其在模拟胃、小肠和结肠蠕动时的收缩频率和压力变化形式都符合体内状况。其中,模拟胃、小肠和结肠时的收缩频率分别为3次·min-1、10～11次·min-1和12次·h-1。通过分析GSR排空曲线与胃肠道排空模型拟合的好坏,优化了反应器结构和控制参数,经优化后,GSR的排空曲线与胃肠道排空模型的拟合效果明显改善。对GSR的混合效果进行了分析,结果表明在GSR内菊粉溶液的混合过程符合完全混合的理论模式和低粘度无营养食物在人胃内的混合过程。再次,通过pH自动调节过程和无菌实验验证了GSR作为体外发酵装置的可靠性。在GSR中实现了基于PID算法的pH自动调节功能。在pH值4.07.0范围内,在线pH值与离线pH值的最大相对误差为2.88%,将pH值从4.6自动调节并稳定至5.7需100min。通过连续4 d的无菌培养实验,验证了GSR在使用过程中不会染菌。最后,将GSR应用于嗜酸乳杆菌的发酵实验中。在6.5 d内,活菌浓度维持在3×107cfu·mL-1左右,说明GSR具有在较长时间内保持菌体活力的优点。发酵过程中的在线pH值变化被用作判断菌体生长状况的指标,实验结果表明这一方法具有可靠性。此外在发酵过程中,稀释液循环功能可有效防止活菌浓度的下降,表明其对菌体活力的保持具有重要作用。以上结果初步显示了GSR应用于肠道微生物体外发酵方面研究的潜力。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张文龙

导师: 郑志永

关键词: 胃肠道反应器,模拟,体外消化,体外发酵

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 生物学,轻工业手工业,自动化技术

单位: 江南大学

分类号: TP273;TS201.3

总页数: 70

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