CN205087986U - 生物膜载体 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种生物膜载体,能够克服现有技术中载体的缺陷,即用于结合单位生物量所使用的织物材料的特定用量基本上更少了,而微生物新陈代谢所需的营养物质的入口深度、产生的代谢物的释放速度以及生物膜的生产效率都提高了。所述生物膜载体包括:由初级纤维(4)制成的中心纱线(1),其中,构成中心纱线(1)的各条初级纤维(4)构成了在中心纱线(1)的整个长度上延伸的连续纤维;以及由其他纱线(1)制成的圈(2),圈(2)在至少两个第一锚定点(3a、3b)处被固定到中心纱线(1)上,而且圈(2)在两个相邻的第一锚定点(3a、3b)之间的弧长大于中心纱线(1)在两个相邻的第一锚定点(3a、3b)之间的长度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种由纱线制成的生物膜载体。
背景技术
以微生物转化以及以微生物产生的物质为基础的操作被现代经济用到了一个显著的且逐渐增长的程度。以微生物转化为基础的这些操作包括但不限于:例如生物污水处理、有机物质至沼气的厌氧发酵、若干医药工业发酵和食品工业发酵、甚至生物空气的清洁。对此引用几个生物上可产生的物质的例子,例如生物乙醇、生物聚合物(例如聚乳酸或聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkonate))、酶、有机酸、抗体和无数的其他重要产品。
有关的微生物转化明确在液相反应器中进行而很少在气相反应器中进行,这些反应器即所谓的生物反应器。生物反应器为负责转化的微生物的操作提供了充足的条件:必要的营养物质和环境条件。当充足条件存在时,生物反应器的性能基本上由引入到该生物反应器的微生物的量(浓度)及其状态限定。
负责生物转化的微生物基本上以两种形式存在于生物反应器中:自由漂浮(所谓的浮游生物)形式、或附着于表面(如所谓的生物膜表型)。在自然条件下,如果可能的话,微生物优选生物膜形式。在生物膜上定殖的微生物能够获得非常高的细胞浓度,并且由于所建立的复杂结构以及用于该复杂结构的粘合材料,在生物膜上定殖的微生物基本上能够比它们的自由漂浮同源物发挥更高效的作用。
上述实现方式已经造成以生物膜为基础的生物反应器(即所谓的生物膜反应器)全球使用的增加,以用于各种生物转化。工业化尺寸的生物膜反应器首先出现在生物污水处理中,但现在,他们被用于越来越多的工业发酵技术中。
在生物膜反应器中,微生物在载体上定殖并形成生物膜,其中,该载体具有用于使微生物在其上定殖并形成生物膜的充足表面。一个最重要的必要条件是:生物膜载体必须能够结合尽可能多的生物量,而同时能够使所产生的生物膜对液相中的营养物质以及对微生物所产生的代谢物是可渗透的。根据载体的设计,可渗透的且适用于技术目的的生物膜的厚度在十分之一毫米到厚达几厘米的范围内。
已知有两种主要的生物膜载体:即悬浮载体(悬浮在生物反应器的流体空间中)和固定设计的载体。固定载体近年来已经跻身到前沿研究中,因为它们的性能比悬浮载体的性能更加有利(无需用于移动、悬浮的能量,无需特定的过滤步骤,没有因摩擦而导致的机械磨损问题等)。
此外,在固定设计的生物膜载体中,柔性结构已替代了之前出现的刚性结构,尤其是,由于柔性结构的有利表面和成本特征,基本上以织物为基础的纤维状和丝状的载体应用最广泛。由合成织物编织而制成的生物膜载体的一个最优选设计公开在匈牙利专利HU227984说明书中,而圈状合成织物载体的例子公开在US5771716和US7862890中。可以说,在柔性的、以织物为基础的生物膜载体中,圈状构造已被证明是更有利的,因为该圈为微生物粘附至织物纱线的表面提供了某种保护,以避免微生物受到液体流动的剪切作用,这样,能够使更大量的生物量粘附至表面。
然而,即使现在以织物为基础的生物膜载体、尤其是圈状的织物生物膜载体构成了生物膜反应器中用于微生物的最有利的结合表面,但目前熟知的且广泛应用的技术方案也存在严重的缺陷。
已知技术方案的主要缺陷在于:由于已知技术方案的自身设计,用于结合单位生物量(1kg的干物质)所使用的特定织物材料的量是相当显著的(大约0.2-0.5kg)。
此外,在载体表面上发展的生物膜的量以及适当的操作均受生物膜中微生物新陈代谢所需的营养物质的入口速度和深度的限制,还受所产生的代谢物从表面上释放方式的限制。这意味着限制了生物反应器的体积效率和利用率。
此外,已知的生物膜载体通常由同类材料制成,这样,与自然界中并存的多种多样的材料及其性能相比,由同类材料制成的生物膜载体减少了生物多样性并由此降低了产生生物膜的效率。
实用新型内容
因此,本实用新型的目的是创建一种生物膜载体,适用于消除现有技术中载体的缺陷,也就是说,本实用新型中,用于结合单位生物量所需的特定织物材料的用量基本上更少了,而微生物新陈代谢所必需的营养物质的入口深度、所产生的代谢物的释放速度以及生物膜的生产效率都提高了。
通过设计一种生物膜载体实现了该特定目标,其中,所述生物膜载体由纱线制成,且具有:由初级纤维制成的中心纱线,其中,构成所述中心纱线的各条初级纤维构成了在纱线的整个长度上延伸的连续纤维;以及由其他纱线制成的圈,所述圈在至少两个第一锚定点处被固定到所述中心纱线上,此外,所述圈在两个相邻的第一锚定点之间的弧长大于所述中心纱线在两个相邻的第一锚定点之间的长度。
该生物膜载体还包括用于固定所述纱线的初级纤维的第二锚定点,两个相邻的第二锚定点彼此之间的距离为5-50mm。
两个相邻的、用于固定中心纱线和圈的第一锚定点到彼此之间的距离为15-150mm。
初级纤维在所述第一锚定点和所述第二锚定点处通过胶合、机械结合或缝合彼此固定到一起。
在纱线和/或圈上固定有生成生物膜的表面单元。
生成生物膜的表面单元被固定在靠近所述第一锚定点处。
生成生物膜的表面单元设置在载体环上。
在中心纱线和/或圈上通过胶合固定有载体环。
附图说明
下面将参照附图详细描述本实用新型。在附图中,
图1a-1d示出了生物膜载体的优选实施例;
图2示出了放大的生物膜载体的纱线的结构;
图3示出了悬浮于圆柱形构件中的生物膜载体B;
图4示出了悬浮于星形框架构件中的生物膜载体B;
图5示出了悬浮于四方形设计的构件中的生物膜载体;
图6示出了悬浮于方形构件中的生物膜载体,其中,该方形构件类似于图5中的构件;
图7示出了在生物膜载体上形成的表面单元;和
图8示出了载体环。
具体实施方式
在图1a-1d示出的生物膜载体B的优选实施例中,围绕由初级纤维4制成的中心延伸纱线1(图1a)形成圈2(图1b),并被固定在附图中未示出的反应器空间中,其中,该圈2由类似于纱线1的纱线1制成。图1a中示出的、由初级纤维4制成的中心纱线1的初级纤维4沿着纱线1末端V1、V2之间的纱线1的整个长度延伸。
图1b中示出的圈2在至少两个第一锚定点3a、3b处固定到中心纱线1,优选地,通过胶合、缝合或机械结合,例如打结、织网等方式固定。由附图可以看出,圈2在两个相邻的第一锚定点3a、3b之间的弧长大于中心纱线1在两个相邻的第一锚定点3a、3b之间的长度。第一锚定点3a、3b用于固定中心纱线1和圈2,两个相邻的第一锚定点3a、3b彼此之间的距离优选为15-150mm。
图1c和图1d以俯视图示出了生物膜载体的优选实施例。其中,在图1c中,有四股形成圈2的纱线被固定到中心纱线1上,而在图1d中,有六股形成圈2的纱线被固定到中心纱线1上。当然,能够想到的是,可以使用单独一股形成圈2的纱线、或者甚至使用多于六股形成圈2的纱线。
图2示出了放大的纱线1的结构。由图2可以看出,纱线1的初级纤维4在第二锚定点5a、5b处优选通过胶合、缝合或机械结合,例如打结、织网等彼此固定到一起。第二锚定点5a、5b用于固定纱线1的初级纤维,两个相邻的第二锚定点5a、5b彼此之间的距离为5-50mm。
纱线1的材料以及圈2的初级纤维4的材料可以是聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚酰胺等。构成纱线1的初级纤维4构成了在生物膜载体的整个长度上的连续初级纤维4。通过这一设计,每单位生物量(这些生物量能够以生物膜形式结合)所需的特定生物膜载体B的量相对于现有技术方案可以被减少至50-70%。
图3-6示出了一些优选实施例的生物膜载体B在设置于生物反应器内的构件M中的布置。悬浮于图3中的柱形构件M、图4中的星形构件M、以及图5和图6分别示出的方形构件M中的生物膜载体B由示意图示出。通过固定图1a中所示的中心纱线1的末端V1和V2可以将生物膜载体B的中心纱线1固定在构件M中。
图7表示生物膜载体B(其中,基本上基于如图8所示的无机的生成生物膜的表面单元)优选例如在靠近第一锚定点3a、3b处被应用到纱线1和/或圈2上。表面单元6优选由载体环7和固定到载体环7外表面的生成生物膜的材料制成。表面单元6优选通过胶合R被固定。除了纱线1和圈2的塑料纤维表面之外,表面单元6具有基于无机的微颗粒,且优选由开口的大孔隙组成,这种表面单元6为微生物的定殖并且为不能或者很难在合成纤维表面上定殖的生物膜载体的定殖提供了高效的帮助。具有不同的物理/化学性质的增补表面单元6的材质可以是珍珠岩、沸石、其他粘土矿物、或者例如明确由磷酸钙组成的木炭。这一设计使得互补了各自特征的不同种类的生成生物膜的表面在相同系统中的应用既简单又经济。
通过使用本实用新型所述的生物膜载体B,可以消除现有技术中载体的缺陷,也就是说,本实用新型中,用于结合单位生物量所使用的织物材料的特定用量基本上更少了,而微生物新陈代谢所需的营养物质的入口深度、产生的代谢物的释放速度以及生物膜的生产效率都提高了。
Claims (9)
1.一种由纱线制成的生物膜载体,其特征在于,包括:
由初级纤维(4)制成的中心纱线(1),其中,构成所述中心纱线(1)的各条初级纤维(4)构成了在所述中心纱线(1)的整个长度上延伸的连续纤维;以及
由其他纱线(1)制成的圈(2),所述圈(2)在至少两个第一锚定点(3a、3b)处被固定到所述中心纱线(1)上,而且所述圈(2)在两个相邻的第一锚定点(3a、3b)之间的弧长大于所述中心纱线(1)在两个相邻的第一锚定点(3a、3b)之间的长度。
2.根据权利要求1所述的生物膜载体,其特征在于,还包括用于固定所述纱线(1)的初级纤维(4)的第二锚定点(5a、5b),两个相邻的所述第二锚定点(5a、5b)彼此之间的距离为5-50mm。
3.根据权利要求1-2任一项所述的生物膜载体,其特征在于,两个相邻的、用于固定所述中心纱线(1)和所述圈(2)的第一锚定点(3a、3b)彼此之间的距离为15-150mm。
4.根据权利要求1所述的生物膜载体,其特征在于,还包括用于固定所述纱线(1)的初级纤维(4)的第二锚定点(5a、5b),所述初级纤维(4)在所述第一锚定点(3a、3b)和所述第二锚定点(5a、5b)处通过胶合、机械结合或缝合彼此固定到一起。
5.根据权利要求2所述的生物膜载体,其特征在于,所述初级纤维(4)在所述第一锚定点(3a、3b)和所述第二锚定点(5a、5b)处通过胶合、机械结合或缝合彼此固定到一起。
6.根据权利要求1-2任一项所述的生物膜载体,其特征在于,在所述中心纱线(1)和/或所述圈(2)上固定有生成生物膜的表面单元(6)。
7.根据权利要求6所述的生物膜载体,其特征在于,所述生成生物膜的表面单元(6)被固定在靠近所述第一锚定点(3a、3b)处。
8.根据权利要求6所述的生物膜载体,其特征在于,所述生成生物膜的表面单元(6)设置在载体环(7)上。
9.根据权利要求6所述的生物膜载体,其特征在于,在所述中心纱线(1)和/或所述圈(2)上通过胶合(R)固定有载体环(7)。
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