CN101886032B - 一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，模仿土壤与植物根系进行物质交换的特点，设计了一种在反应器内有类似于植物根系的管道的生物反应器，管道由若干刚性主管道和柔性微管道两级管道系统组成，主管道一端固定在反应器壁上，另一端向反应器内伸展，微管道与主管道相通，反应器外面有可收缩和舒张的囊与大管道相通，囊的收缩和舒张控制管道内液体或气体的压力，管道壁由微滤膜、超滤膜或纳滤膜做成，管道内外的物质和能量可通过管道壁进行交换。本生物反应器能实现静态培养，克服搅拌式反应器的剪切力对细胞生长的不利影响，节省搅拌能耗，可用于厌氧发酵、好氧发酵，液态发酵和固态发酵，也适应于动植物细胞培养。
Description
技术领域
本发明属于生物反应器领域，特别涉及一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器。
技术背景
生物反应器是实现微生物发酵、动植物细胞培养，生产各种生物制品和发酵产品的必备设备，其作用是强化传质传热，为微生物或动植物细胞提供稳定的生长环境。目前已经有多种生物反应器问世，如搅拌式反应器、气升式反应器、气相双动态固态发酵反应器等，它们能分别使用于某些特定物质的生产，对生物技术产业的发展起到重要的推动作用。但各自都有一定的缺陷，如搅拌式反应器产生的剪切力对某些细胞的生长有抑制作用而限制了其更广泛的应用，搅拌所需的高能耗也大大提高了产品的生产成本，而气相双动态固态发酵反应器以气体为介质进行气体交换和强化传质传热，不能进行以液体为介质的物质交换。也有人开发了一种发酵罐(专利号200610017078.X)通过贴有压电片的弹簧组固定连接的柔性壁蠕动来实现强化传热、传质，这种发酵罐虽然可以使其中的物料产生位移，但难以放大，反应产生的热量无法及时散出，很难应用于工业化。针对以上问题，本发明模仿土壤与植物根系进行物质交换的特点，设计了一种在反应器内有类似于植物根系的管道的生物反应器，管道由若干刚性主管道和柔性微管道两级管道系统组成，管道壁由微滤膜、超滤膜或纳滤膜做成，管道内外的物质如二氧化碳、氧气、葡萄糖等和能量可通过管道壁进行交换。本生物反应器能实现静态培养，克服搅拌式反应器的剪切力对细胞生长的不利影响，由于不需要搅拌而大大降低生产能耗。本生物反应器可用于厌氧发酵、好氧发酵，液态发酵和固态发酵，也适应于动植物细胞培养。
近年来膜技术的发展迅速，已能够廉价制备各种高效的微滤膜、超滤膜和纳滤膜，这就使本发明的管道壁的选择提供了广泛的材料，根据需要，管道的壁可以是微滤膜、超滤膜或纳滤膜。
发明内容
【本发明的目的】根据土壤与植物根系进行物质交换的特点，发明了一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，使发酵微生物或动植物细胞在静态的条件下能够与外界进行物质和能量交换，克服搅拌式反应器产生的剪切力对微生物和动植物细胞的不利影响、搅拌能耗高、气相双动态固态发酵反应器只能以气体为介质进行气体交换和强化传质传热等目前生物反应器存在的缺陷。本发明的技术方案如下：
【技术方案】一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，其特征是反应器(1)为圆柱状，有进料口(5)和出料口(6)，可以密封和利用蒸汽灭菌，在反应器(1)内有类似于植物根系的管道，管道由若干根刚性主管道(2)和柔性微管道(3)两级管道系统组成，主管道(2)入口端固定在反应器壁上，另一端向反应器内伸展，微管道(3)一端封闭另一端与主管道(2)相通，反应器外面有可收缩和舒张的囊(4)与主管道相通，气体或液体物质通过囊(4)进入管道，并且在囊压板(7)的作用下使囊收缩和舒张，控制管道内液体或气体的压力，管道壁由微滤膜、超滤膜或纳滤膜做成，管道内外的物质和能量可通过管道壁进行交换。
主管道(2)内径为0.5-5cm，其长度为反应器内径的1/2-2/3，微管道(3)内径为0.1mm-5mm，长度为1cm-2m，微管道(3)的入口均匀分布于主管道(2)壁上。囊(4)体积为与其相连的管道总体积的1-5倍，囊(4)有储存物料功能，它的收缩和舒张可使管道内的物质往复流动，加快管道内外物质的交换。根据需要管道内可以通气体如空气、二氧化碳等，也可以通液体，如葡萄糖溶液等，通过调节充入管道物质的温度来控制反应器的温度。
本生物反应器可用于厌氧发酵、好氧发酵，液态发酵和固态发酵，也适应于动植物细胞培养。
附图说明
图1为本发明生物反应器的示意图，图中：
1、反应器，2、刚性主管道，3、柔性微管道，4、囊，5、进料口，6、出料口，7、囊压板
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
反应器(1)为圆柱状，内径(直径)为50cm，有效发酵体积为100升，有进料口(5)和出料口(6)，可以密封和利用蒸汽灭菌，在反应器(1)内有类似于植物根系的管道，管道由刚性主管道(2)和柔性微管道(3)两级管道系统组成，主管道(2)入口端固定在反应器壁上，另一端向反应器内伸展，微管道(3)一端封闭另一端与主管道(2)相通，反应器外面有可收缩和舒张的囊(4)与主管道相通，气体通过囊(4)进入管道，并且囊的收缩和舒张控制管道内气体的压力，管道壁由微滤膜做成，管道内外的气体可通过管道壁进行交换。
主管道(2)在离反应器底部往上40-45cm处从壁上向内突出，其内径为1cm，长度为30cm，微管道(3)内径为0.1-2mm，长度为1-40cm，微管道(3)的入口均匀分布于主管道(2)壁上。囊(4)体积为与其相连的管道总体积的2倍，囊(4)有储存物料功能，它在囊压板(7)的压缩和松弛下收缩和舒张，使管道内的气体往复流动，加快管道内外气体的交换。通过调节充入管道气体的温度来控制反应器的温度。
应用本反应器，利用拉曼被胞霉(Mortierealla ramanniana)以汽爆小麦秸秆和麸皮为发酵底物固态发酵微生物油脂时，在优化条件下，即用空气为交换介质进出于囊(4)和管道系统中，囊(4)的收缩和舒张周期为15-20min，纤维素酶添加量为13FPU/g干底物、汽爆秸秆与麸皮的比率15∶3、培养基水分含量73％、发酵温度30℃、发酵时间为8d，油脂产量为80.8mg/g干底物，发酵物的油脂含量为10.4％，纤维素和半纤维素的转化率分别为79.6％和48.2％，而在三角瓶内固态发酵，在其他发酵条件(纤维素酶添加量、汽爆秸秆与麸皮的比率、培养基水分含量、发酵温度、发酵时间)均相同的情况下，油脂产量为65.8mg/g干底物，发酵物的油脂含量为7.6％，纤维素和半纤维素的转化率分别为61.6％和44.2％。可以看出利用本反应器固态发酵，由于强化了气体交换，油脂产量提高了22.8％。
Claims (4)
1.一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，其特征是反应器为圆柱状，有进料口和出料口，能够被密封和利用蒸汽灭菌，在反应器内有类似于植物根系的管道，管道由刚性主管道和柔性微管道两级管道系统组成，主管道入口端固定在反应器壁上，另一端向反应器内伸展，微管道一端封闭另一端与主管道相通，反应器外面有可收缩和舒张的囊与主管道相通，气体或液体物质通过囊进入管道系统，并且囊的收缩和舒张控制管道内液体或气体的压力，管道壁由微滤膜、超滤膜或纳滤膜做成，管道内外的物质和能量通过管道壁进行交换。
2.如权利要求1所述的一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，其特征在于所述的主管道内径为0.5-5cm，其长度为反应器内径的1/2-2/3。
3.如权利要求1所述的一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，其特征在于所述的微管道内径为0.1mm-5mm，长度为1cm-2m，微管道的入口均匀分布于主管道壁上。
4.如权利要求1所述的一种利用微管系统强化传质传热的生物反应器，其特征在于所述的囊体积为与其相连的管道总体积的1-5倍，囊有储存物料功能，它的收缩和舒张使管道内的物质往复流动，加快管道内外物质的交换。
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