CN107299046B - 一种微生物原位分离和富集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物技术领域，尤其涉及一种基于中空纤维膜的微生物原位分离和富集装置及方法，其中该装置包括微生物富集系统及培养液自动补给系统，微生物富集系统包括多个中空纤维膜组件，培养液自动补给系统通过营养液补给管路与中空纤维膜组件连接，中空纤维膜组件包括由多根中空纤维膜丝扎成的一束中空纤维膜。本发明以中空纤维膜作为营养物质供给通道和微生物生长的支撑体系，利用微生物的趋性，采用特定的营养配方，将需要富集的微生物在中空纤维膜微孔附近自动富集，并根据微生物富集情况，适时调整营养配方和微生物生活环境，为微生物富集提供最佳环境，从城市污泥中快速分离和富集工业生产所需的微生物，同时实现了废物的资源化。

Description

一种微生物原位分离和富集装置及方法

技术领域

本发明属于生物技术领域，尤其涉及一种基于中空纤维膜的微生物原位分离和富集装置及方法。

背景技术

现有技术中的细菌富集装置，一般通过划线培养提纯后，再用合适的培养基，利用细菌繁殖速度快的特点，进行倍增繁殖，这对于常规细菌来说是合适的。但对于生长速度慢，倍增时间长，细胞产率很低的细菌来说，不是最好的选择。尤其是工业生产过程，需要数量巨大的细菌，对于倍增时间长的细菌，获得数量较大的细菌需要花费很长的培养时间和大量的培养液，这极大地限制了该类生物技术的应用。如厌氧氨氧化脱氮技术是迄今为止，成本最低的氮处理技术，但因为受反应器启动时间长，有效菌种数量少的原因，该技术的推广一直受到限制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于中空纤维膜的微生物原位分离和富集装置及方法，解决微生物难以获取工业规模级生产，反应器启动时间长的问题，同时实现城市废弃物资的资源化。

本发明提供了一种微生物原位分离和富集装置，包括微生物富集系统及培养液自动补给系统，微生物富集系统包括多个中空纤维膜组件，培养液自动补给系统通过营养液补给管路与中空纤维膜组件连接，中空纤维膜组件包括由多根中空纤维膜丝扎成的一束中空纤维膜。

进一步地，中空纤维膜组件还包括容器，中空纤维膜密封于容器中，容器表面均匀设有供微生物进出的小孔。

进一步地，营养液补给管路包括第一培养液输送管路及第二培养液输送管路，两根第一培养液输送管路与培养液自动补给系统连接，两根第一培养液输送管路之间设有多个中空纤维膜组件，每个中空纤维膜组件通过第二培养液输送管路与第一培养液输送管路连接。

进一步地，中空纤维膜两端连接有灌封管，灌封管末端及容器的两端连接有快速接头，快速接头内插入第二培养液输送管路。

进一步地，灌封管内灌封有环氧树脂和硅胶。

进一步地，培养液自动补给系统包括压力监测装置，压力监测装置与每个中空纤维膜组件的营养液补给管路连接，用于监测中空纤维膜组件内的压力变化情况。

进一步地，培养液自动补给系统还包括自动加药装置及在线监测装置，在线监测装置用于实时监测培养液中养分的变化情况，自动加药装置用于根据培养液中养分的变化情况实时调整培养液中各养分的含量，用以提供适合待富集微生物生长的环境。

进一步地，培养液自动补给系统还包括温度补偿装置及压力补偿装置，温度补偿装置用于将培养液的温度维持在35～40度，压力补偿装置用于调节营养液补给管路内的压力。

进一步地，培养液自动补给系统还包括补给液缓冲罐，补给液缓冲罐与自动加药装置、在线监测装置、温度补偿装置连接。

本发明还提供一种微生物原位分离和富集方法，包括：

根据待富集微生物的营养特性和富集区内存在的其他竞争性杂菌的营养特性，配置适合待富集目标微生物生长同时又能够抑制区域内其他竞争性杂菌生长的营养液配方；

在微生物富集区域内的营养液输送管路上并联若干个上述中空纤维膜组件，每隔一段时间取出一个中空纤维膜组件，观察微生物的生长情况；

当中空纤维膜组件上富集了足够数量的目标微生物后，将所有中空纤维膜组件从富集环境中取出，用清水冲洗表面后，将中空纤维膜组件浸入到培养液中，对中空纤维膜组件内附着的微生物进行纯化培养，同时将中空纤维膜内的培养液用不含营养的清水替代，使目标微生物从纤维膜表面脱离用以浓缩收集。

借由上述方案，通过基于中空纤维膜的微生物原位分离和富集装置及方法，实现了微生物工业规模级生产，缩短了反应器启动时间，同时实现了废物的资源化。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明一种微生物原位分离和富集装置的结构示意图；

图2是本发明一种微生物原位分离和富集装置中空纤维膜组件的结构示意图；

图3是本发明一种微生物原位分离和富集装置培养液自动补给系统的结构框图；

图4是本发明一种微生物原位分离和富集装置培养液自动补给系统的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本实施例提出了一种基于中空纤维膜的微生物原位分离、富集装置和方法，旨在为倍增时间长，细胞产率低难培养的细菌的大量分离富集提供新装置和方法，即利用中空纤维膜微孔数量多，孔径比微生物个体小，小分子的无机营养液能透过微孔为微生物连续提供生活所需营养，通过调整营养液的成分和纤维膜内压力，可以在中空纤维膜微孔附近创造一个适合微生物生长而对其它具有相似营养特性的微生物不能生存的特异微环境。将设置有该微环境的装置放入城市污水厂的污泥池或其他富含微生物的环境中，利用微生物的趋相性，可诱导适应和喜欢该微环境的微生物在微孔附近聚集，而厌恶和不能适应该微环境的微生物远离该区，从而实现对微生物的选择性原位分离和富集。下面以厌氧氨氧化细菌为例结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例的培养液配方根据厌氧氨氧化细菌的营养特性确。厌氧氨氧化细菌以亚硝酸氧化氨生产氮气获得能量，将二氧化碳固定的自养化能细菌。其培养基的配方为：氨氮420mg/l，亚硝氮420mg/l，钙49mg/l，二氧化60mg/l，镁30mg/l，磷6.2mg/l，EDTA6.5mg/l，以无氧水稀释，同时加入微量的亚硫酸钠维持厌氧环境，加入微量的青霉素抑制其他细菌的生长。

参图1所示，本实施例提供了一种基于中空纤维膜的厌氧氨氧化细菌原位分离、富集装置，该装置包括由中空纤维膜组件4组成的微生物富集系统和选择性培养液自动补给系统1组成。培养液输送管路由总管2和支管3组成，其中支管3与总管2之间通过螺纹连接，支管与中空纤维膜组件4之间通过快速接头406(如图2所示)连接以利于组件的拆卸。

参图2所示，中空纤维膜固定用外管可采用聚氯乙烯，管子内径为10～30mm之间，管子长度根据纤维膜的长度确定，管的两端封死仅供快速接头伸出，管子表面开孔，孔的大小在1～5mm之间，孔的数量为每平方米5000～20000个。安装塑料管的目的在减少水流对中空纤维膜表面的冲刷，以有利于微生物在膜微孔附近的富集。聚氯乙烯塑料管表面的开孔允许悬浮微生物颗粒的自由进出

在本实施例中，中空纤维膜组件4由多根中空纤维膜丝403扎成一束后放入一根聚氯乙烯塑料管405中，塑料管表面均匀分布有孔径1～5毫米的小孔404，每束中空纤维膜的根数在100～200根之间。中空纤维膜的两端采用聚氯乙烯塑料管灌封，每束中空纤维膜的末端采用环氧树脂和硅胶双重灌封，末端安装快速接头，方便拆卸和安装，快速接头内插入聚乙烯塑料软管(支管)，多根软管连接到一个营养液补给总管，补给总管与水上的培养液自动补给系统1相连。中空纤维膜丝403可采用水处理中常用的中空纤维膜，可以是聚丙乙烯、聚偏氟乙烯等均可，内孔在0.5～2mm之间，微孔孔径0.1～0.2μm,膜壁厚在50～200μm均可。

在本实施例中，150根左右微孔孔径为0.2μm，内孔直径为500μm，壁厚50μm，长度1000mm的聚丙烯中空纤维膜丝403采用环氧树脂和硅橡胶双层灌封，末端安装快速接头，将整个组件放入内管直径为25mm的聚氯乙烯塑料管405中，塑料管两端采用中间开孔的橡胶堵头402封死，快速接头406从橡胶堵头402中间开孔伸出，与总管连接。聚氯乙烯塑料管405表面开0.5～5mm的小孔404，孔的直径根据中空纤维膜组件工作环境中的污泥浓度决定，污泥浓度越高，孔径可以稍大，其原则是方便微生物的出入，但又要避免环境中水流对纤维膜丝的扰动。孔径的数量为每平方米5000～10000个。

在本实施例中支管上均安装微型压力传感器(多点压力监测装置)，该传感器采用实时监控每个纤维膜组件内的压力变化，根据纤维膜的压力特性调整膜内压力，以维持纤维膜孔附近的微区环境同时避免培养液的过度损失。

参图3所示，培养液自动补给系统1包括压力补偿装置105、温度补偿装置、控制装置101(控制主机)和补给液缓冲罐104。压力补偿装置105通过检测各补给支管和总管内的压力大小，通过调整加压泵的转速，调整营养液输送管道内的压力。营养液供给系统还配备多点压力监测装置103，实时监控整个富集系统的压力变化情况，使中空纤维膜组件4内的压力维持在一个合适的水平内，保证既能在中空纤维膜微孔附近提供一个选择性的微环境，又不至于营养液的过量流失。同时通过多点压力监测装置103对支管内压力的实时监控使用户实时了解中空纤维膜组件4的工作状况，并对异常情况自动报警以便快速处理。温度补偿装置维持培养液的温度在35～40度左右，以利于厌氧氨氧化细菌的富集和生长。同时阻止他低温微生物的富集。

培养液自动补给系统1还包括自动加药装置102和(养分)在线监测装置401。养分在线监测装置实时监测培养液中养分的变化情况，自动加药装置将养分监测系统提供的实时数据与系统设定数据比较，实时调整培养液中各养分的含量，使其始终保持在适合待富集微生物生长的环境。自动加药装置由储料、给料和电控三部分组成。储料系统由多个储料罐组成，罐内存储微生物所需的各养分。给料系统采用蠕动泵或电动阀定量给料。电控系统分析培养液回流总管内的各养分数值，将其与系统设定值进行比较分析，若低于设定值则自动补料。

在线监测装置401配备酸碱度、电导、铵离子、温度、压力和溶解氧传感器，实时测量补给液的各工况参数，为加药、恒温、稳压等提供工艺参数。加药：根据培养液内营养物质的消耗情况，采用蠕动泵实时定量补给，维持营养液成分的稳定。

控制装置101对在线监测装置提供的数据进行分析、处理，根据系统预先设定的规则，驱动对应的执行部件如泵、阀、加热器等实现对系统培养液的自动补给。

参图4所示，培养液自动补给系统1包括控制主机、在线监测装置、压力补偿装置、温度补偿装置和(自动)加药装置。控制主机用于收集养分在线监测装置、多点压力监测装置、温度补偿装置采集的微生物分离、富集装置信息，并根据采集到的信息给自动加药装置发出控制指令微生物分离、富集装置内温度、压力和营养液浓度的正常水平。养分在线监测装置用于实时监测微生物分离、富集装置内培养液中养分的变化情况。压力监测装置用于实时监控微生物原位分离、富集系统的压力变化情况，使中空纤维膜内的压力维持在一个合适的水平内，保证既能在中空纤维膜微孔附近提供一个选择性的微环境，又不至于造成营养液的过量流失，温度补偿装置用于维持微生物原位分离、富集系统内培养液的温度在35～40度左右，以利于厌氧氨氧化细菌的富集和生长，同时阻止其他低温微生物的富集，自动加药装置根据控制主机发出的指令，实时调整培养液中各养分的含量，使其始终保持在适合待富集微生物生长的环境。

本实施例还提供了一种基于中空纤维膜的微生物原位分离、富集装方法，包括以下步骤：

(1)确定培养液配方，根据待富集微生物的营养特性和富集区内存在的其他竞争性杂菌的营养特性，配置既适合待富集目标微生物生长同时又能够抑制区域内其他竞争性杂菌生长的营养液配方。

(2)定期观察富集结果，在富集管路系统内并联若干个方便取出的小型富集装置，这些观察装置随同这个富集系统一起放入富集区域内，每隔一段时间取出一个微型富集装置，观察微生物的生长情况。

(3)收集目标微生物，当中空纤维膜组件上富集了足够数量的目标微生物后，将整个组件从富集环境中取出，用清水冲洗表面后，将组件整个浸入到培养液中对膜组件内附着的微生物进行进一步纯化培养。同时将中空纤维膜内的培养液用不含营养的清水替代，使目标微生物从纤维膜表面脱离以便于浓缩收集。

该方法具体包括：

1)微区环境参数表的建立，在实验室建立一个与纤维膜组件工作环境相似的模拟环境，同时在中空纤维膜组件微孔附近安装多支pH和铵离子等微电极，逐渐增加膜内压力并同步记录微孔附近的pH、铵离子等参数值以及溶液的损耗速度；建立膜内压力、培养液消耗速度和离子扩散速度的关系表。

2)安装原位富集装置，在选好富含厌氧氨氧化细菌的污水厂的厌氧池或氧化沟现场搭建基于中空纤维膜的富集装置，控制膜内压力让培养液充满整个中空纤维膜组件。用滑轮将富集组件沉入水中，在控制装置输入界面内输入预先设计好的各项参数，系统根据预先设定的程序自动运行，并将各项工控参数维持在合适的范围内。

3)微生物生长情况观察，定期将并联在主组件上的小纤维膜组件取出，采用显微镜观察膜表面的微生物菌团，观察其中厌氧氨氧化细菌的数量和菌团大小，并根据其生长情况对培养液配方进行微调，当纤维膜表面出现一定数量的厌氧氨氧化菌团时，可将整个组件从污泥池中取出，收集其表面所富集的厌氧氨氧化细菌。

4)厌氧氨氧化细菌的收集和浓缩。当中空纤维膜组件上富集了足够数量的目标微生物后，将整个组件从富集环境中取出，用清水冲洗表面后，将组件整个浸入到培养液中对膜组件内附着的微生物进行进一步纯化培养。同时将中空纤维膜内的培养液用不含营养的清水替代，使目标微生物从纤维膜表面脱离以便于浓缩收集。

本实施例采用中空纤维膜作为营养物质供给通道和微生物生长的支撑体系，利用微生物的趋性，采用特定的营养配方，将需要富集的微生物在中空纤维膜微孔附近自动富集，并根据微生物富集情况，适时调整营养配方和微生物生活环境，为微生物富集提供最佳环境，从城市污泥中快速分离和富集工业生产所需的微生物，实现废物的资源化，具有如下技术效果：

1)原位富集的细菌对待处理水体具有良好的环境适应性。

2)利用细菌的趋化性选择性富集，既避免了其他非目标菌群的干扰和抑制，同时富集过程无需杀菌消毒、接种等繁杂过程，且富集装置结构简单实用方便，适合大规模工业生产。

3)中空纤维膜微孔直径小于细菌个体大小，可防止细菌污染营养液，保证营养液的循环使用，既节省了培成本，同时富集过程认为可控。

4)通过配备在线监测和自动给药系统可在没有人工干预下长期工作，尤其适合生长缓慢的，培养周期厂的难培养细菌的富集。

5)利用该装置可实现污泥的部分资源化，处置富含各种微生物的城市污水厂的污泥。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，包括微生物富集系统及培养液自动补给系统，所述微生物富集系统包括多个中空纤维膜组件，所述培养液自动补给系统通过营养液补给管路与所述中空纤维膜组件连接，所述中空纤维膜组件包括由多根中空纤维膜丝扎成的一束中空纤维膜；

所述中空纤维膜组件还包括容器，所述中空纤维膜密封于所述容器中，所述容器表面均匀设有供微生物进出的小孔；

所述微生物原位分离和富集装置用于放入城市污水厂的污泥池或其他富含微生物的环境中，利用微生物的趋相性，诱导适应和喜欢该微环境的微生物在小孔附近区域聚集，使厌恶和不能适应该微环境的微生物远离该区域，以实现对微生物的选择性原位分离和富集。

2.根据权利要求1所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述营养液补给管路包括第一培养液输送管路及第二培养液输送管路，两根所述第一培养液输送管路与所述培养液自动补给系统连接，两根所述第一培养液输送管路之间设有多个所述中空纤维膜组件，每个所述中空纤维膜组件通过所述第二培养液输送管路与所述第一培养液输送管路连接。

3.根据权利要求2所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述中空纤维膜两端连接有灌封管，所述灌封管末端及所述容器的两端连接有快速接头，所述快速接头内插入所述第二培养液输送管路。

4.根据权利要求3所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述灌封管内灌封有环氧树脂和硅胶。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述培养液自动补给系统包括压力监测装置，所述压力监测装置与每个中空纤维膜组件的营养液补给管路连接，用于监测所述中空纤维膜组件内的压力变化情况。

6.根据权利要求5所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述培养液自动补给系统还包括自动加药装置及在线监测装置，所述在线监测装置用于实时监测培养液中养分的变化情况，所述自动加药装置用于根据培养液中养分的变化情况实时调整培养液中各养分的含量，用以提供适合待富集微生物生长的环境。

7.根据权利要求6所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述培养液自动补给系统还包括温度补偿装置及压力补偿装置，所述温度补偿装置用于将培养液的温度维持在35～40度，所述压力补偿装置用于调节营养液补给管路内的压力。

8.根据权利要求6所述的一种微生物原位分离和富集装置，其特征在于，所述培养液自动补给系统还包括补给液缓冲罐，所述补给液缓冲罐与所述自动加药装置、在线监测装置、温度补偿装置连接。

9.一种采用权利要求1所述的装置进行微生物原位分离和富集方法，其特征在于，包括：

根据待富集微生物的营养特性和富集区内存在的其他竞争性杂菌的营养特性，配置适合待富集目标微生物生长同时又能够抑制区域内其他竞争性杂菌生长的营养液配方；

在微生物富集区域内的营养液输送管路上并联若干个所述的中空纤维膜组件，每隔一段时间取出一个中空纤维膜组件，观察微生物的生长情况；

当中空纤维膜组件上富集了足够数量的目标微生物后，将所有中空纤维膜组件从富集环境中取出，用清水冲洗表面后，将中空纤维膜组件浸入到培养液中，对中空纤维膜组件内附着的微生物进行纯化培养，同时将中空纤维膜内的培养液用不含营养的清水替代，使目标微生物从纤维膜表面脱离用以浓缩收集。

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