半自动微生物培养基保温分装装置研究

王皓宇， 王　斌， 刘运波， 李东睿， 蔡　尘， 汪　红， 王　甜

(四川大学 生命科学学院, 四川 成都　610065)



半自动微生物培养基保温分装装置研究

王皓宇， 王斌， 刘运波， 李东睿， 蔡尘， 汪红， 王甜

(四川大学 生命科学学院, 四川 成都610065)

开发了一种半自动微生物培养基保温分装装置,该装置通过控制原创的非接触高速电磁阀门的定时开合来控制液体近似定量的流出,实现培养基的无菌半自动分装。该装置设计有温控系统来防止固体培养基分装前的凝固。该装置结构简单、效率高、安全可靠,降低了微生物实验操作中污染的可能性，并减小了误差,为微生物实验的开展带来了很大便利。

微生物； 分装装置； 培养基； 电磁阀门

科学家对微生物的研究奠定了生物科学的重要基石[1]。微生物培养基是微生物研究过程中最为基础的实验材料,微生物的分离、培养、研究及保藏都需要培养基的支持。为了方便操作及研究,往往会在培养基中加入琼脂以便使其成为固体。琼脂的最低凝固点为40℃,最高熔点为90℃,配制培养基时需要加热至较高的温度使液体沸腾才能使琼脂熔化并与培养基成为均一的液体,更多的时候需要达到121℃以实现灭菌。然后根据需求,趁热将熔融的培养基分装到试管或培养皿中等其凝固后使用[2]。

在微生物实验教学中,需要往试管中分装培养基,在分装过程中,可能面临装置翻倒、烫伤,或培养基凝固等问题,而且培养基的分装体积可能会出现较大误差，培养基也可能被污染而影响后续实验。本文在考察已有的微生物培养基分装装置及大量有潜力实现培养基分装的装置[3-12]后发现,这些装置针对的是大规模生产的需要，或用于分装性质与微生物培养基有很大差别的液体,虽然可以勉强用于微生物培养基,但很难避免上述风险。因此,本文研制了一种半自动的微生物培养基的分装装置。该装置结构可靠、易于清理,有效减少了实验风险,降低了实验难度,更能满足微生物培养基分装时的多样化要求,同时很大程度上消除了人工操作带来的误差,特别是能实现培养基的无菌分装，使得实验能够更加高效、顺利地进行。

1　总体设计思路

为了便于控制和定量分装,需要快速、高频开合的电磁阀门;为达到无菌要求,该阀门不可与流体直接接触。为了实现平均分装体积,使用电子器件精准控制阀门的开合时间。为了保证通用性,本装置可直接固定于铁架台上。本装置需附有温控构件,能够将培养基的温度维持在50 ℃左右以防凝固。

2　硬件设计

2.1电磁阀门结构设计

该分装装置的核心是电磁阀门。熔融的培养基温度在50 ℃左右,温度低于40 ℃时加有琼脂的培养基将会凝固。实验中需要连续多次分装,每次仅数毫升至数十毫升。经调研,目前使用的培养基分装微型电磁阀门满足不了本实验的要求。因此,本文设计了一种原创的电磁阀门。用止水夹控制乳胶管的开闭是常用的培养基分装方法,虽然该结构操作较为麻烦,但不与流体直接接触且易于清洁。

研制的电磁阀门的结构示意图见图1。阀门主体结构为一长方形铝框[13],框内安装一个推拉式电磁铁和一个端部为三角形的压头,压头的一端与可动铁芯连接,另一端与2根贯通铝框的导向轴相连,乳胶管位于铝框与压头之间(见图2)；导向轴上安装复位弹簧,通过调整螺母的位置可调整复位弹簧弹力。推拉式电磁铁断电时,在复位弹簧弹力的作用下,压头紧压乳胶管,阀门关闭；通电时,可动铁芯向推拉式电磁铁移动,压头后退,松开乳胶管,阀门开启。本阀门的响应速度很快,且可以连续多次通、断电。乳胶管的内径为8 mm,液体流出迅速,实验操作可以较快地进行。本阀门的侧面装有通用铁架台固定件,可固定于绝大多数型号的铁架台上。

图1　电磁阀门结构示意图

图2　电磁阀门通电时结构示意图

2.2电磁阀门电控系统设计

为了较平均地控制培养基的流出量,需要设计一套电控系统。根据每次仅需数毫升至数十毫升培养基的要求,通过电控系统将阀门的启闭时间设置在0～10 s间,分度值为0.1 s,能达到平均分装的目的。该电控系统的工作流程:(1)设置阀门开启时间；(2)开启阀门,培养基开始流出,到达预设时间后自动关闭；(3)重复(2)流程,实现连续操作。图3为电磁阀门断电时结构示意图，通电时的结构示意图见图2。

图3　电磁阀门断电时结构示意图

该系统基于单片机开发,本装置还设有手动模式,通过触发一个微动开关实现人工控制阀门的开闭,可满足一些特殊情况的要求。

2.3温度控制系统设计

培养基需要维持在50 ℃左右以防凝固，故本装置附有温度控制系统(工作流程见图4),温控元件为商业化产品,附有不锈钢防水温度探头以及电磁继电器。考虑到通用性及清洁问题,继续沿用玻璃漏斗来盛装培养基。使用一个与玻璃漏斗倾角相同但外径比玻璃漏斗稍大的塑料漏斗,其内部敷设加热膜,将玻璃漏斗置于塑料漏斗中。将加热膜连接在电磁继电器上,并将温度探头置于培养基中,靠电磁继电器通断来维持培养基的熔融温度，防止培养基凝固。

图4　温度控制系统工作流程

2.4电源系统设计

推拉式电磁铁的工作电流为8 A,加热膜工作电流为2 A。本装置选用商业化15 A直流电源来提供电力。装置中所有元件的工作电压均为直流12 V电压。电路总体结构框图见图5。

图5　电路总体结构框图

3　实验操作

3.1分装效果

验证效果时使用内径为8 mm乳胶管,流量较大。对于试管,仅用0.2 s即可充入4 mL左右培养基；1 s即可填充直径为9 cm左右的培养皿,工作效率很高。若希望达到更高的精度,则可以通过限制压头的行程来控制乳胶管的开度,或在胶管前端加装1 mL移液枪枪头来限制流量。图6为微生物培养基分装装置实物照片。

图6　微生物培养基分装装置实物照片

3.2无菌操作

本装置的阀门部分与培养基没有直接接触。为了实现培养基的无菌分装，只需将带有软管的漏斗灭菌，把装置其余部分置于超净台中并通过紫外线消毒，最后在超净台中将漏斗放入锥形外壳并把软管穿过阀门即可。将灭菌后的培养基倒入漏斗中，便可开始无菌分装工作。无菌分装特别适合于培养皿，操作人员可以规避被烫伤的风险，分装得到培养皿中的培养基厚度均一，分装效率高，不易被污染，该装置特别适用于微生物实验。

4　结语

该手动操作和自动操作两用微生物培养基保温分装装置可实现微生物实验中固液培养基的准确分装,温度控制系统能防止固体培养基凝固,大大提高了实验安全性及实验效率,有效降低了实验误差。该分装装置原理简单,结构可靠,成本相对低廉,易于操作,也可用于其他需定量控温液体的分装,在微生物学实验教学中,均有良好的使用效果。该装置在液体的少量快速连续分装方面亦有一定的拓展空间及应用价值。

References)

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[2] 沈萍,陈向东.微生物学实验[M]. 北京:高等教育出版社,2007:15-26.

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[13] 成大先.机械设计手册 第一卷[M].北京:化学工业出版社,2006:3-189.

Research and development on a semi-automatic device used for dispense microbial culture medium

Wang Haoyu, Wang Bin, Liu Yunbo, Li Dongrui, Cai Chen, Wang Hong, Wang Tian

(College of Life Sciences, Sichuan University,Chengdu 610065,China)

This paper develops a semi-automatic device to dispense microbial culture medium. The device achieves semi-automatic dispensing by using the original non-contact, high-speed,timed opening electromagnetic valve regulating the approximate quantitative effluent liquid. Meanwhile,the device has the temperature control system to guarantee a molten state of the solid medium. The device structure is simple, safe, efficient and reliable. Reducing the probability of the pollution and error range during the experiment,it has brought great convenience for the development of microbiology experiments.

micobe; dispense; culture medium; electromagnetic valve

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.025

2016-04-25

国家自然基金委四川大学生物学基地人才培养支撑条件(J1210013)；四川大学“大学生创新训练计划”项目(201510610186)；国家专利“手自两用型微生物培养基保温分装装置”(CN105670906A)

王皓宇(1995—)，男，新疆克拉玛依，本科生

王甜(1981—)，女(布依族)，贵州兴义，硕士，实验师，研究方向为生物学实验教学.E-mail：wangtian0311@scu.edu.cn

Q93-33

A

1002-4956(2016)10-0099-03