CN102703313B - 一种分批式生物反应器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种分批式生物反应器，包括生物反应器中参数在线检测及控制系统，用于生物反应器中pH调节的补料系统，用于监测和计量生物反应器中产生气体量的气体流量计装置，尾气排出装置，生物反应器温度和转速控制系统；所述的参数在线检测及控制系统包括主控制系统，pH在线检测装置，控制器和多个生物反应器，所述的主控制系统连接控制器，控制器连接pH在线检测装置和补料系统，所述的pH在线检测装置和补料系统分别连接各生物反应器，所述的气体流量计装置连接尾气排出装置，所述的尾气排出装置连接各生物反应器。与现有技术相比，本发明具有体积小、控制方便，检测精准，可同时进行多个样品反应，实现独立控制等优点。

Description

一种分批式生物反应器
技术领域
本发明涉及生物反应器设备领域，特别是涉及一种分批式生物反应器。
背景技术
近年来随着世界人口的快速增长以及工业的不断发展，传统的化石能源已不能满足日趋增加的能源需求。紧张的能源危机以及诸如温室效应等尖锐的全球环境问题迫使人们寻找清洁的、可持续的能源来代替日益枯竭的化石能源。燃料乙醇，特别是木质纤维素燃料乙醇，受到越来越广泛的关注。由于其具有原料来源广泛，绿色、清洁，能大大减少CO2、SO2排放等特点，具有广阔的应用前景。利用木质纤维素原料来制取燃料乙醇大概要经过预处理、酶水解、发酵三个主要步骤。目前，利用木质纤维素原料经酶水解、发酵过程制取燃料乙醇的技术还不成熟，基本停留在实验室研究阶段。在得到大规模工业化应用之前还需要进行大量的实验及理论研究，进行相应的技术突破。
目前，实验室中进行如生物质酶水解、发酵等实验一般采用酶反应器、发酵罐或者摇瓶等生物反应器。现在的大部分酶反应器、发酵罐类生物反应器存在体积较大、系统复杂、操控麻烦，成本较高、搅拌及取样装置容易堵塞等缺点，且只能进行低基质浓度的实验研究。由于实验室规模的科学研究需同时进行的平行实验较多，即样本容量较大，但所需取样的体积较小，利用此类生物反应器进行实验研究时还存在运营成本高、原料浪费大，不能同时进行多组平行实验，实验周期长等问题。利用摇瓶实验能很好克服平行样品多的问题，但是摇瓶实验还存在不少问题，如生物反应过程中反应液的pH难以控制，密封性能不佳等，特别不适合生物质厌氧发酵产气类实验，或者密封性难以保证，或者容易导致摇瓶爆炸，存在较大的安全隐患。
现有酶解、发酵反应罐存在的体积较大、系统复杂、操控麻烦，成本较大、搅拌及取样装置容易堵塞，原料浪费大，不能同时进行多组平行实验，实验周期长且只能进行低基质浓度的实验研究等缺点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种体积小、控制方便、自动化程度较高，能同时进行多组平行对照试验，对照性较好，试验周期短，运营成本低，原料利用效率高，既能进行基质浓度实验，也能进行低基质浓度实验，且适合于实验室应用的分批式生物反应器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种分批式生物反应器，其特征在于，包括生物反应器中参数在线检测及控制系统，用于生物反应器中pH调节的补料系统，用于监测和计量生物反应器中产生气体量的气体流量计装置，尾气排出装置，生物反应器温度和转速控制系统；所述的参数在线检测及控制系统包括主控制系统，pH在线检测装置，控制器和多个生物反应器，所述的主控制系统连接控制器，控制器连接pH在线检测装置和补料系统，所述的pH在线检测装置和补料系统分别连接各生物反应器，所述的气体流量计装置连接尾气排出装置，所述的尾气排出装置连接各生物反应器，所述的生物反应器温度和转速控制系统分别连接各生物反应器和控制器。
所述的主控制系统包括pH控制系统，所述的pH控制系统连接控制器，通过pH控制系统设定各生物反应器所需的pH值，并实时监测各生物反应器中的pH值，当生物反应器中pH值不在设定范围内时，由pH控制系统发出指令，并通过控制器启动补料系统，投加酸液或碱液，进行pH调节，直至pH值为设定范围内。
所述的补料系统包括流量控制系统、微型蠕动泵、酸液补料瓶和碱液补料瓶，所述的流量控制系统连接微型蠕动泵，所述的微型蠕动泵分别连接控制器、酸液补料瓶和碱液补料瓶，通过流量控制系统设定微型蠕动泵补料时的转速，当pH值不在设定范围内时，由pH控制系统发出指令，并通过控制器启动微型蠕动泵，按流量控制系统设定的转速进行补加酸液或碱液。
所述的pH在线检测装置由插入各生物反应器的pH电极组成，各pH电极分别连接控制器，各pH电极在线实时检测各自生物反应器中的pH情况，并通过控制器将各生物反应器中的pH情况传输到pH控制系统。
所述的控制器为整合了数据收集、发送，指令接收、反馈，控制微型蠕动泵启动、停止的装置；控制器将各生物反应器中的pH电极检测到的pH数据实时反馈给pH控制系统，当pH不在设定范围内时，接收pH控制系统发出的指令，启动微型蠕动泵，进行酸碱补料，直至pH为设定范围内。
所述的多个生物反应器包括六个250mL生物反应器，各生物反应器的材料均为聚丙烯材质，各生物反应器整体为圆台形，顶部形状为圆柱形，前部并列分布设置排气孔和取样口，顶端沿直径方向两侧设置补料管，各生物反应器顶部设有保护套。
所述的生物反应器顶部设有与pH电极相匹配的内螺纹，以及与保护套相匹配的外螺纹；所述的补料管呈向上弧状弯曲，顶端部分设有补料针以及与保护套相匹配的外螺纹。
所述的尾气排出装置包括尾气排出支管、尾气收集干管和尾气收集瓶，所述的尾气排出支管一端依次连接气体流量计装置和各生物反应器，另一端连接尾气收集干管，所述的尾气收集干管深入尾气收集瓶液面以下，所述的尾气收集瓶上设有排气孔，排气孔处设置孔径0.22μm滤头，防止细菌通过排气孔进入尾气排放装置，进而污染生物反应器。
所述的气体流量计装置实时观察各生物反应器中尾气的流量，并能记录其相连的生物反应器产生尾气总量。
所述的生物反应器温度和转速控制系统包括控制系统、温控系统，摇床和磁力搅拌装置；通过控制系统对各生物反应所需温度、振荡、搅拌转速进行设定，所述的温控系统采用微电脑单片机技术、气浴加热方式，具有数显控温及定时功能，温度控制范围为4-60℃，温度均匀度±0.5℃，温度控制精度为±0.1℃，具有良好的热循环功能；所述的摇床和磁力搅拌装置单独运行对生物反应器中的反应物进行混合，或联合运行同时对生物反应器中的反应物进行混合。
与现有技术相比，本发明分批式生物反应器体积小，操控方便，自动化程度较高，能实现在线实时监测、记录各反应器中参数的变化。同时，与传统的大型酶解、发酵罐相比，其能同时进行多样本平行对照，且所需原料较少，节省成本。该分批式生物反应器非常适合实验室研究，尤其适合秸秆酶解及发酵类生物实验。该分批式生物反应器为实验室生物反应提供了理想的反应器，一定程度上促进了木质纤维素燃料乙醇的研究，缩短了实验周期，加速了木质纤维素燃料乙醇的工业化应用，增加了理论研究数据的可靠性与可比性。
附图说明
图1为本发明分批式生物反应器结构及系统示意图。
图中：1-微型蠕动泵，2-流量计，3-排气孔，4-取样口，5-尾气收集瓶，6-0.5mol/LNaOH补料瓶，7-0.5mol/L HCl补料瓶，8-主控制系统，9-控制器，10-pH计，11-排气干管，12-排气支管，13-NaOH补料支管，14-HCl补料支管，15-NaOH补料干管，16-HCl补料干管，17-生物反应器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1所示，一种分批式生物反应器，包括生物反应器中参数在线检测及控制系统，用于生物反应器中pH调节的补料系统，用于监测和计量生物反应器中产生气体量的气体流量计装置，尾气排出装置，生物反应器温度和转速控制系统；所述的参数在线检测及控制系统包括主控制系统8(即pH控制系统)，pH在线检测装置，控制器9和多个生物反应器17，pH在线检测装置由插入各生物反应器17的pH计10组成，所述的主控制系统8连接控制器9，控制器9连接pH计10和补料系统，补料系统包括流量控制系统、微型蠕动泵1、0.5mol/LNaOH补料瓶6和0.5mol/L HCl补料瓶7，所述的流量控制系统连接微型蠕动泵1，所述的微型蠕动泵1分别连接控制器9、0.5mol/LNaOH补料瓶6和0.5mol/L HCl补料瓶7，所述的气体流量计装置为流量计2，所述的尾气排出装置包括排气支管12、排气干管11和尾气收集瓶5，所述的排气支管12一端依次连接流量计2和各生物反应器17，另一端连接排气干管11，所述的排气干管11深入尾气收集瓶液5面以下。
本分批式生物反应器共有六个250mL生物反应器17，其材质均为聚丙烯(PP)，具有密度小，质量轻，韧性好，耐化学性、耐热性好，可用于100℃以上灭菌等优点。各生物反应器瓶口顶端均设内外螺纹旋口，pH计10旋入内螺纹旋口，旋紧，保证气密性，导线通过旋转接口与控制器9相连接，保护套从外螺纹旋口旋入，起到固定和保护pH计10的作用。生物反应器17两侧对称设置的为酸碱补料管，各补料管上部和下部均设置补料针。上部补料针孔径与NaOH补料支管13和HCl补料支管14孔径相匹配，补料管上端同样设置外螺纹，以便旋入保护盖，起到固定进样支管的作用。各反应器的NaOH补料支管13和HCl补料支管14通过微型蠕动泵之后分别与NaOH15补料干管和HCl16补料干管相连接。NaOH15补料干管和HCl16与0.5mol/LNaOH补料瓶6和0.5mol/L HCl补料瓶7相连接。当pH计10检测到的生物反应器17中pH不在设定范围内时，由pH控制系统发出补加酸或碱的指令，由控制器9控制启动微型蠕动泵1，补加酸液或碱液，直至pH计10检测到的pH值在设定范围内。控制器9既可通过USB接口，又可以数据无线传输方式与检测控制系统相连接，能将各生物反应器中各参数变化实时传输到主控制系统8，实现在线实时检测与控制。生物反应器正面上端平行设置尾气排气孔3与取样口4。取样口4两端设置取样针且均连接取样管，上端取样管用止水夹夹住，只有取样时予以打开。各排气孔3连接排气支管12，且与气体流量计2连接。通过气体流量计2能观察各生物反应器瞬时气体流量及产生的总的气体体积。经过气体流量计的排气支管12与排气干管11相连接，排气管干管11与尾气收集瓶5相连接并伸入瓶液面以下，减少生物反应器中挥发性组分的挥发，并通过尾气收集瓶5的排气孔排出，排气孔处设置孔径0.22μm滤头，防止细菌通过排气孔进入尾气排放装置，进而污染生物反应器。该分批式生物反应器的温度通过温控系统控制。温控系统采用微电脑单片机技术、气浴加热方式，具有数显控温及定时功能，温度控制范围为4-60℃，温度均匀度±0.5℃，温度控制精度为±0.1℃，具有良好的热循环功能。振荡混匀方式有磁力搅拌和摇床振荡两种模式可以选择。当进行高基质浓度的生物实验时可选择摇床振荡模式，进行低基质浓度实验室可调为磁力搅拌模式，以达到理想的混合效果。该分批式生物反应器的核心部件为参数在线检测及控制系统，通过其可以对整个系统的参数进行设置。例如，通过其可以设定反应所需pH、温度，磁力搅拌的转速、振荡的转速等。
向1-6号反应器中分别加入干燥的、经过1.0％NaOH预处理过的小麦秸秆粉末4.0g、8.0g、16.0g、20.0g、28.0g、32.0g，Sigma纤维素酶投加量均为30FPU/g底物，各反应器中液体总体积均为200mL。则固体含量分别为2.0％、4.0％、8.0％、10.0％、14.0％、16.0％。通过pH控制系统设定酶水解pH值为4.0，设定温度为40℃，以摇床模式进行振荡，转速为180r/min。用于pH调节的HCl和NaOH浓度均为0.5mol/L，蠕动泵转速为0.1rpm。酶水解总时间为120h，每24h取一次样。经过48h后，各反应器中的葡萄糖浓度均达到最大值，分别为：8.5g/L，16.8g/L，31.2g/L，36.1g/L，47.0g/L，57.0g/L，各反应器中溶液体积变化很小，均在10mL以内，证明pH控制调节较为精准，不会出现投加过量或重复投加而导致体积增大的现象。
实施例2
分批式生物反应器同实施例1。
向1-6号反应器中分别加入干燥的、经过1.0％NaOH预处理过的小麦秸秆粉末各32.0g，Sigma纤维素酶投加量分别为5FPU/g底物，10FPU/g底物，20FPU/g底物，30FPU/g底物，35FPU/g底物，50FPU/g底物，酵母投加量均为2g/L，各反应器中液体总体积均为200mL，则固体含量均为为16.0％。通过pH控制系统设定酶水解pH值为4.0，设定温度为38℃，以摇床模式进行振荡，转速为180rpm。用于pH调节的HCl和NaOH浓度均为0.5mol/L，蠕动泵转速为0.1rpm。同步糖化发酵总时间为120h，每24h取一次样。经过96h后，各反应器中的乙醇浓度均达到最大值，分别为：7.9g/L，22.8g/L，25.9g/L，29.1/L，32.4g/L，32.8g/L。与各反应器连接的气体流量计显示的产生CO2总体积分别0.86L，2.56L，2.92L，3.27L，3.62L，3.68L。同时，各反应器中溶液体积变化很小，均在10mL以内，证明pH控制调节较为精准，不会出现投加过量或重复投加而导致体积增大的现象。

Claims (5)

1.一种分批式生物反应器，其特征在于，包括生物反应器中参数在线检测及控制系统，用于生物反应器中pH调节的补料系统，用于监测和计量生物反应器中产生气体量的气体流量计装置，尾气排出装置，生物反应器温度和转速控制系统；所述的参数在线检测及控制系统包括主控制系统，pH在线检测装置，控制器和多个生物反应器，所述的主控制系统连接控制器，控制器连接pH在线检测装置和补料系统，所述的pH在线检测装置和补料系统分别连接各生物反应器，所述的气体流量计装置连接尾气排出装置，所述的尾气排出装置连接各生物反应器，所述的生物反应器温度和转速控制系统分别连接各生物反应器和控制器；
所述的主控制系统包括pH控制系统，所述的pH控制系统连接控制器，通过pH控制系统设定各生物反应器所需的pH值，并实时监测各生物反应器中的pH值，当生物反应器中pH值不在设定范围内时，由pH控制系统发出指令，并通过控制器启动补料系统，投加酸液或碱液，进行pH调节，直至pH值为设定范围内；
所述的补料系统包括流量控制系统、微型蠕动泵、酸液补料瓶和碱液补料瓶，所述的流量控制系统连接微型蠕动泵，所述的微型蠕动泵分别连接控制器、酸液补料瓶和碱液补料瓶，通过流量控制系统设定微型蠕动泵补料时的转速，当pH值不在设定范围内时，由pH控制系统发出指令，并通过控制器启动微型蠕动泵，按流量控制系统设定的转速进行补加酸液或碱液；
所述的pH在线检测装置由插入各生物反应器的pH电极组成，各pH电极分别连接控制器，各pH电极在线实时检测各自生物反应器中的pH情况，并通过控制器将各生物反应器中的pH情况传输到pH控制系统；
所述的控制器为整合了数据收集、发送，指令接收、反馈，控制微型蠕动泵启动、停止的装置；控制器将各生物反应器中的pH电极检测到的pH数据实时反馈给pH控制系统，当pH不在设定范围内时，接收pH控制系统发出的指令，启动微型蠕动泵，进行酸碱补料，直至pH为设定范围内；
所述的生物反应器温度和转速控制系统包括控制系统、温控系统，摇床和磁力搅拌装置；通过控制系统对各生物反应所需温度、振荡、搅拌转速进行设定，所述的温控系统采用微电脑单片机技术、气浴加热方式，具有数显控温及定时功能，温度控制范围为4-60℃，温度均匀度±0.5℃，温度控制精度为±0.1℃，具有良好的热循环功能；所述的摇床和磁力搅拌装置单独运行对生物反应器中的反应物进行混合，或联合运行同时对生物反应器中的反应物进行混合。
2.根据权利要求1所述的一种分批式生物反应器，其特征在于，所述的多个生物反应器包括六个250mL生物反应器，各生物反应器的材料均为聚丙烯材质，各生物反应器整体为圆台形，顶部形状为圆柱形，前部并列分布设置排气孔和取样口，顶端沿直径方向两侧设置补料管，各生物反应器顶部设有保护套。
3.根据权利要求2所述的一种分批式生物反应器，其特征在于，所述的生物反应器顶部设有与pH电极相匹配的内螺纹，以及与保护套相匹配的外螺纹；所述的补料管呈向上弧状弯曲，顶端部分设有补料针以及与保护套相匹配的外螺纹。
4.根据权利要求1所述的一种分批式生物反应器，其特征在于，所述的尾气排出装置包括尾气排出支管、尾气收集干管和尾气收集瓶，所述的尾气排出支管一端依次连接气体流量计装置和各生物反应器，另一端连接尾气收集干管，所述的尾气收集干管深入尾气收集瓶液面以下，所述的尾气收集瓶上设有排气孔，排气孔处设置孔径0.22μm滤头，防止细菌通过排气孔进入尾气排放装置，进而污染生物反应器。
5.根据权利要求1所述的一种分批式生物反应器，其特征在于，所述的气体流量计装置实时观察各生物反应器中尾气的流量，并能记录其相连的生物反应器产生尾气总量。
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