CN100335611C - 循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器 - Google Patents

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Abstract

循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器，属于微生物培养装置技术领域。为了解决现有微生物培养装置存在的微生物培养基质分配不均匀，传质作用不明显的问题，本发明提供了一种循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器，包括通过导流管连接的进气系统、复合制备器主体和自调式回流缓冲辅助系统，复合制备器主体内填充有载体，自调式回流缓冲辅助系统包括通过导液管连接的自调式液体收集器、射流混合搅拌缓冲装置和循环泵。本发明通过自调式回流缓冲辅助系统，改善复合制备器中微生态环境，实现基质的均匀混合和有效利用，减缓流体对复合制备器中载体表面生物膜的冲击，并可短期内获得高生物量、高活性的菌剂和生物载体。

Description

循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器
技术领域
本发明涉及一种菌剂与生物载体制备器，主要用于富集培养微生物，制备高生物量、高活性的菌剂和生物载体，属于微生物培养装置技术领域。
背景技术
现有好氧微生物菌剂制备器主要是搅拌式发酵器。其主要工作原理是：通过气体分布器进行底部均匀布气，控制发酵器内温度、pH值、氧气含量等，使好氧菌种在深层培养液中进行正常代谢合成，实现连续发酵过程。其产品在医药、食品、化工、轻工、纺织、环境保护等诸多领域获得了广泛应用。
为了提高传统发酵器的性能，人们对其结构及形式进行了许多独特的改进。如申请号为87216445的中国专利“射流式好氧发酵罐”(公开日期：1988.9.21)，罐内的射流混合搅拌装置由环管和射流器构成，进行气一液射流混合搅拌，以提高溶氧系数，提高单位产量。申请号为02208788的中国专利“双循环空气引射式微生物培养装置”(公开日期：2003.4.16)，培养液自上而下在外循环管内与无菌空气充分混合后，送至罐内的内循环管底部，气液混合物在内循环管内减压上升，带动培养液至下而上不断循环。但结构都较为复杂，如射流式好氧发酵罐，罐内至少需设置一级射流混合搅拌装置，增加了动力消耗。申请号为US005171687的美国专利“Apparatus for culturingand delivery of microbe for waste treatment in a flow system”(公开日期：1992.12.15)，装置采用双室结构，污染水体(主要是油类污染水体)先进入内室，与多孔的微生物和营养物质混合后，再进入外室，外室起到缓冲作用，以提高微生物的酶活性。该反应器通过空气管道将空气输送到外室和内室的底部，由喷头曝气，因此存在着曝气不均匀的问题。因基质为油类物质，浮在水体表面，故存在基质分配不均匀，传质作用不明显等问题。
发明内容
目前，国内外的微生物培养装置以生产菌液为主，没有能够同时生产功能菌剂和生物载体的制备器。
为了提供一种能够同时生产功能菌剂和生物载体的制备器，并解决现有微生物培养装置存在的微生物培养基质分配不均匀，传质作用不明显的问题，本发明通过自调式回流缓冲辅助系统，改善复合制备器中微生态环境，实现基质(特别是非水溶相LNAPL)的均匀混合和有效利用，减缓流体对复合制备器中载体表面生物膜的冲击。
本发明的技术方案如下：
循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器，其特征在于：所述复合制备器包括通过导流管连接的进气系统、复合制备器主体，和自调式回流缓冲辅助系统，所述复合制备器主体内填充有载体，所述自调式回流缓冲辅助系统包括通过导液管连接的自调式液体收集器、射流混合搅拌缓冲装置和循环泵；
所述的自调式液体收集器位于复合制备器主体上部，包括固定在所述复合制备器主体径向上的导轨、架在导轨上的集液槽、刚性连接在集液槽上的浮漂，与集液槽侧壁上的出液口连接的软管，所述集液槽侧壁上设有收集孔；
所述的射流混合搅拌缓冲装置设有接受自调式液体收集器中液体的下导管和收集回流液的环形集液槽；所述环形集液槽的内侧壁设有收集孔，底部设有与所述循环泵连接的出液口。
作为本发明的进一步改进，所述的射流混合搅拌缓冲装置的下部设有一倒锥体结构，所述下导管与其同轴。
在本发明中，所述复合制备器主体的底部设有倒锥型气体分布器，所述倒锥型气体分布器由固定在锥口上的钛板和倒锥体结构组成。
循环式填充载体功能菌剂与生物载体制备器的工艺参数如下：
发酵温度：30±2℃
pH：7.0±1
反应器中溶解氧：DO≥2mg/l
供气量：0.44～0.66ml/(min·cm3反应器)
接种量：10％(体积比)(按投加量为1％分批投加)
回流量：VR＝1％VT/min(VT：制备器总体积)
生产量：0.89ml菌液/cm3反应器/运行周期，1.78g载体/cm3反应器/运行周期。
本发明所述的循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器，无需机械搅拌即可实现基质的均匀混合和高效利用，可短期内获得高生物量、高活性的菌剂和生物载体，属于高效、经济、应用范围广的新型菌剂与生物载体复合制备器。
附图说明
图1是循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器的示意图；
图2是复合制备器主体的正视图；
图3是自调式液体收集器的放大图；
图4是射流混合搅拌缓冲装置的放大图；
图5是图4的A-A剖视图；
其中：1充气泵，2气体流量计，3空气过滤器，4温度计，5检查孔兼排气孔，6自调式液体收集器，7软管，8侧壁取样口，9止水夹，10底部进液口，11钛板，12倒锥形气体分布器，13射流混合搅拌缓冲装置，14循环泵，15导轨，16生物载体，18螺栓，19浮漂，20集液槽，21收集孔，22出液口，23下导管，24环形集液槽，25倒锥体，26出液管；
图6是生物载体的电镜扫描图(×5000)。
具体实施方式
下面结合附图来详细说明本发明的具体实施例。
如图1所示，本发明包括进气系统A、复合制备器主体B和自调式回流缓冲辅助系统C。
进气系统A主要包括充气泵1，气体流量计2和空气过滤器3，各元件之间通过空气管串联。
如图2所示，复合制备器主体B由三角架支撑，由钛板11和倒锥体结构组成的倒锥型气体分布器12固定在复合制备器主体底部法兰盘上，法兰盘之间有一橡胶垫片，以加强密封性。钛板11固定在倒锥型气体分布器12的锥口上沿，孔径优选为200-300μm，以使气体均匀分布在复合制备器主体B内，同时可控制气泡大小，增加气液接触面积。复合制备器主体B一侧安有若干取样口8(数量和间距可以根据需要调整)，用于监测柱体内微生态环境参数动态变化。每个取样口都延伸到柱体轴线处，其上不等间距打有若干小孔，以使进样均匀、稳定。复合制备器主体B内填充有载体16，可以为活性炭、沸石或人工合成材料等比表面积大、无生物毒性、易于挂膜的物质。复合制备器主体B顶部安有法兰盘，法兰盘之间有一橡胶垫片，法兰盘上设有检查孔兼排气孔5。温度计4固定在法兰盘上，以监测制备器内温度变化。
自调式回流缓冲辅助系统C包括通过导液管连接的自调式液体收集器6、射流混合搅拌缓冲装置13和循环泵14。
自调式液体收集器6位于复合制备器主体B的上部，如图3所示，包括固定在复合制备器主体径向上的导轨15、架在导轨15上的集液槽20、刚性连接在集液槽20上的若干浮漂19，与集液槽20侧壁上的出液口22连接的软管7。集液槽20可以为长方体，侧壁上设有收集孔21，孔径φ＝2～5mm，以保证基质(特别是非水溶相LNAPL)在复合制备器主体B中的循环与均匀分布。导轨15用来限制集液槽20在复合制备器主体B横断面内的运动，使其进液稳定。集液槽20基于复合制备器主体中液位的变动，自动调节高低。软管7的长度可根据集液槽20需要上下变动的范围来设置。
如图4、图5所示，射流混合搅拌缓冲装置13上部为一法兰盘，法兰盘之间有一橡胶垫片。其主体可以为一柱体结构，上部沿柱体结构内边界设有收集回流液的环形集液槽24，环形集液槽24内侧壁设有收集孔，φ＝2～5mm；柱体结构下部设有一倒锥体结构25，锥角优选为θ＝20°～30°。下导管23与倒锥体结构25同轴，下导管23的下沿至所述柱体结构底部的距离为1.5～2cm。目的是获得紊态流场，实现基质的均匀混合，改善基质的利用效率，提高缓冲效果。出液口26位于集液槽24底部，通过导液管与循环泵14连接。循环泵14出口与复合制备器主体B底部的进液口10连接。
循环式填充型菌剂与生物载体制备器的工作流程为：气泵1将空气压入串联的气体流量计2和空气过滤器3，净化后的无菌空气通过空气管送到倒锥型气体分布器12，通过钛板11，气体均匀分布在复合制备器主体内。气液混合物在复合制备器主体中减压上升。自调式液体收集器6基于液位变动，通过收集孔21收集基质，混匀后进入软管7，进入下导管23。下导管23将液体送至射流混合搅拌缓冲装置13，返混后通过其顶部的收集孔进入循环泵14，导入复合制备器主体底部，与空气混合，实现循环流程。
菌剂与生物载体复合制备器具有循环流程和填充型结构，配置自调式回流缓冲辅助系统，实现系统中培养基均匀稳定地循环，利于调控复合制备器主体中微生态环境，提高基质的利用效率，有效缓解流体对载体表面生物膜的冲击。所配置的自调式液体收集器，可基于复合制备器主体中液位的变动调节高低，保证基质(特别是非水溶相LNAPL)在制备器中的循环与均匀分布。所配置的混合搅拌缓冲装置为倒锥体结构，液体通过下导管注入，可形成紊态流场，实现基质的均匀混合，改善基质的利用效率，提高缓冲效果。
实施例1
循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器在制备石油烃降解菌中的应用实例：复合制备器主体内径112mm，高620mm；自调式液体收集器两侧导轨长60mm，集液槽侧壁收集孔孔径φ＝3mm，上部设有两个等大小浮漂；射流混合搅拌缓冲装置中下导管下沿至柱体底部距离为15mm，倒锥体锥角θ＝20°，环形集液槽侧壁收集孔φ＝3mm。
菌液接种量为500ml。碳源选用液体石蜡，按系统总菌液量的1％分批投加。溶解氧DO控制在3～4mg/l。填料采用D＝2mm，L＝4mm的煤烟型柱状活性炭颗粒。每3d投加液体石蜡10ml，培养基40ml，并放出菌液50ml。系统温度维持在25～27℃之间。系统运行15d，即可获得高生物量、高活性的菌液和生物载体。菌液和载体上的微生物富集效果如表1所示：
                                      表1
 MPN  FDA(abs)  总量   总菌数(个)  总活性(abs)
菌液载体  9.5×109个/ml1.3×1010个/g  3.354/ml17.259/g  4000ml8000g   3.80×10131.04×1014  1.34×1041.38×105
生物载体的电镜扫描图如图6所示。

Claims (7)

1.循环式填充型菌剂与生物载体复合制备器，其特征在于：所述复合制备器包括通过导流管连接的进气系统、复合制备器主体，和自调式回流缓冲辅助系统，所述复合制备器主体内填充有载体(16)，所述自调式回流缓冲辅助系统包括通过导液管连接的自调式液体收集器(6)、射流混合搅拌缓冲装置(13)和循环泵(14)；
所述的自调式液体收集器(6)位于复合制备器主体上部，包括固定在所述复合制备器主体径向上的导轨(15)、架在导轨(15)上的集液槽(20)、刚性连接在集液槽(20)上的浮漂(19)，与集液槽(20)侧壁上的出液口(22)连接的软管(7)，所述集液槽(20)侧壁上设有收集孔(21)；
所述的射流混合搅拌缓冲装置(13)设有接受自调式液体收集器(6)中液体的下导管(23)和收集回流液的环形集液槽(24)；所述环形集液槽(24)的内侧壁设有收集孔，底部设有与所述循环泵(14)连接的出液口(26)。
2.根据权利要求1所述的复合制备器，其特征在于：所述的射流混合搅拌缓冲装置(13)的下部设有一倒锥体结构(25)，所述下导管(23)与其同轴。
3.根据权利要求2所述的复合制备器，其特征在于：所述倒锥体结构(25)的锥角θ＝20°～30°。
4.根据权利要求1所述的复合制备器，其特征在于：所述下导管(23)的下沿至所述射流混合搅拌缓冲装置(13)底部的距离为1.5～2cm。
5.根据权利要求1所述的复合制备器，其特征在于：所述收集孔的孔径φ＝2～5mm。
6.根据权利要求1所述的复合制备器，其特征在于：所述复合制备器主体的底部设有倒锥型气体分布器(12)，所述倒锥型气体分布器(12)由固定在锥口上的钛板(11)和倒锥体结构组成。
7.根据权利要求6所述的复合制备器，其特征在于：所述钛板(11)的孔径为200-300μm。
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