CN218951359U

CN218951359U - 一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备

Info

Publication number: CN218951359U
Application number: CN202222883768.0U
Authority: CN
Inventors: 蔡超; 张又弛; 王速航; 黄杨华; 朱永官
Original assignee: Zhongke Ecological Restoration Jiangxi Innovation Research Institute Co ltd; Institute of Urban Environment of CAS
Current assignee: Zhongke Ecological Restoration Jiangxi Innovation Research Institute Co ltd; Institute of Urban Environment of CAS
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-05-02
Anticipated expiration: 2032-10-31

Abstract

本专利提出一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备。该生产装备由炭基材料供给模块、复合菌剂扩繁模块、复合菌剂定殖模块和终端控制平台组成，是用于规模化生产复合功能菌固定型炭基调理剂的一体化生产装备。该装备在各个关键设备安装一系列物联网传感器，可以对菌剂扩繁‑固定过程中菌液浊度、环境pH、温度等参数进行连续监测，为终端控制平台判断生产状态、调控装备运行提供依据，实现了调理剂生产全过程的智能监测与调控，提高调理剂生产效率，降低管理成本。本技术方案的转化应用将推动功能菌固定化技术的产业化应用，促进土壤环境治理、农业生产等行业的高质量发展。

Description

一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备

技术领域

本专利涉及一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，属于环境功能材料生产技术装备。

背景技术

微生物活动是地球上物质循环与转化的重要驱动力，基于微生物调控原理的一系列高新科技推动了现代社会经济飞速发展。微生物固定化技术通过将功能微生物固定在选定的载体上形成固定化制剂，使功能微生物高度密集并保持生物活性，在适宜条件下能够快速、大量增殖，显著提高了微生物制剂使用效率。例如在污水处理中，固定化能够提高微生物抗逆性，有利于后续固液分离，缩短污水处理所需的时间；在农业生产和土壤污染治理中，固定化能够提高功能微生物在复杂土壤环境中的存活率，有利于最大化发挥功能菌剂对作物生长或污染物降解的作用效率。因此微生物固定化制剂逐渐兴起，市场需求强烈。

固定化载体类型是微生物固定化技术的重要参数。近年来，生物炭材料成为固定化材料的热门研究对象。生物炭材料是有机废弃物热裂解产物，来源广泛，价格低廉。生物炭材料孔隙结构发达，表面官能团丰富，能够同时吸附固定多种微生物，且生物炭材料含有氮、磷、钾养分，可以为微生物提供优良的生存环境。当定殖功能菌的生物炭材料进入土壤环境后，生物炭自身还可以调节土壤理化性质，提高土壤肥力，促进植物生长，是一种优质的土壤调理剂。例如专利CN 202010231768.5提出一种防病虫害新型土壤改良剂，利用生物炭结合海藻酸钠等物质固定化EM工程菌，可以杀灭土壤病原微生物，抵抗地下病虫害，提升土壤肥沃性。专利CN 201510390225.7公开一种利用生物炭负载多环芳烃降解菌的材料及其制备方法，可以显著提高对土壤或水环境中多环芳烃污染物的降解效果。

但是生物炭固定微生物制剂的研究成果仍未实现推广应用，其中关键限制因子之一是缺乏高度集成化、自动化的工业级别生产装备。现有研究主要通过实验室级别的振荡器实现菌剂固定化，再通过过滤装置实现固液分离，调理剂产量低，不足以满足规模化应用需求。专利CN 201920610683.0曾经提出一种微生物固定化发酵设备，可以将接种菌液、营养液和载体分别加入设备进行边发酵、边固定，但该设备还需要配备固液分离设备进行调理剂分离，技术装备的一体化水平较差，且缺乏过程监测与智能管理手段，无法满足对复杂的菌群培养和固定化环境条件控制需求，不符合当前机械设备智慧化发展趋势。

发明内容

针对上述不足，本专利提出一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，有机集成调理剂生产环节所有设备，实现装备一体化，提高了设备联动性。进一步地，该装备采用先进的工业物联网技术，实时监测复合菌剂扩繁-定殖过程的关键参数，通过终端控制平台自动调控全过程设备运行参数，优化生产环境，提供了高效、智能的管理方案。

一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备的具体技术方案如下：

复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备包括：炭基材料供给模块、复合菌剂扩繁模块、复合菌剂定殖模块和终端控制平台。

所述的炭基材料供给模块包括炭基材料存储仓、粉碎筛分装置、中转仓、计量秤和密闭输送管道。

其中，上述的炭基材料存储仓为不锈钢储料罐，内腔容积为50m³，具体容积可根据生产需要调整。粉碎筛分装置容积为10m³，采用对辊式粉碎原理，出料粒径为0.5mm-5mm，出料粒径可根据生产需求调整。中转仓为不锈钢储料罐，内腔容积为20m³，具体容积可根据生产需要调整。计量秤为常规工业设备，密封输送管道的材质为不锈钢。

所述的复合菌剂扩繁模块包括序批式发酵罐组、接种罐、培养液存储罐、菌剂存储罐、计量泵和密闭输送管道。

其中，上述的序批式发酵罐组由2个以上200L不锈钢发酵罐组成，具体数量和容积可根据生产需要调整，用于多种菌剂的同时扩繁。所述的发酵罐配有电动搅拌装置、酸碱滴定仪器、空气泵、电加热器件、水洗喷头和蒸汽发生器；发酵罐的反应仓内安装压力传感器和集成式传感器，其中集成式传感器可提供对培养液pH、EC、水温、溶解氧和浊度的连续监测。

其中，上述的接种罐、培养液存储罐和菌剂存储罐为不锈钢材质，内容积分别为20L、500L和200L，具体容积可根据生产需要调整；每个罐体内安装水洗喷头和压力传感器。计量泵为常规工业设备，密封输送管道的材质为不锈钢。

所述的复合菌剂定殖模块包括菌剂固定化装置、固液分离装置、调理剂存储仓、计量泵、计量秤和密闭输送管道。

其中，上述的菌剂固定化装置为滚筒型不锈钢腔体，内腔容积为10m³，具体容积可根据生产需要调整。菌剂固定化装置配有电动搅拌装置、酸碱滴定仪器、空气泵、电加热器件、水洗喷头和蒸汽发生器。菌剂固定化装置的反应仓内顶部安装压力传感器，底部安装集成式传感器，可同时监测pH、EC、水温和溶解氧。

其中，上述的固液分离装置容积为10m³，，具体容积可根据生产需要调整；采用斜筛式固液分离原理，筛分粒径为0.075mm-5mm。固液分离装置还配有废液仓和再生水存储罐，均为不锈钢材质，内腔容积分别为10m³和30m³，具体容积可根据生产需要调整；废液仓安装水质监测传感器和臭氧发生器；水质监测传感器检测指标包括COD浓度、氨氮浓度、总钾浓度和总磷浓度。

其中，上述的调理剂存储仓为不锈钢储料罐，内腔容积为30m³，具体容积可根据生产需要调整；安装水洗喷头、蒸汽发生器和压力传感器。计量秤和计量泵为常规工业设备，密封输送管道的材质为不锈钢。

所述的终端控制平台包括显示屏、终端处理器和手动控制面板，并通过不同设备上的PLC组件和物联网传感器对设备运行情况进行监测与调控。

该装备可用于规模化生产定殖多种特定功能菌的生物炭基调理剂，为农业生产、土壤环境治理、污水处理等领域提供优质功能材料。本专利的技术方案具有如下益处：

(1)该装备利用终端控制平台智能控制所有模块启停，实现了炭基材料加工-粉碎、菌剂扩繁-定殖、调理剂产品固液分离的一体化生产流程，减少中间物料转移和堆放过程，提高自动化生产效率，同时降低管理成本，节约人工投入，减少生产成本。

(2)该生产装备利用物联网+方案，连续监测菌液浊度、环境pH、温度等关键参数，实时掌握不同菌剂的扩繁、定殖情况，有助于及时优化生产环境，始终保持在最适条件下完成复合菌剂的扩繁/定殖作业；该生产装备还可以提供发酵罐内浊度实时监测数据，为终端控制平台自动判断不同发酵罐菌剂生长阶段提供关键依据，解决了多种菌剂扩繁生产面临的菌株生长速率存在差异、扩繁周期不同步、工艺参数难以统一的问题，提高了装备的自动化、智能化管理水平。

(4)该生产装备秉持安全生产理念，在关键设备安装水洗喷头和蒸汽发生器，及时进行腔体清洗与灭菌，避免菌体残留污染生产环境，并通过一系列压力传感器，及时跟踪灭菌过程中腔体压力，避免安全事故。该生产设备还通过对废液仓中液体组分的快速监测，提高了废液循环利用效率，体现了绿色低碳理念。

附图说明

图1是复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备示意图。

图2是复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备的发酵罐示意图。

图3是复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备的菌剂固定化装置示意图。

图4是复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备的作业流程示意图。

图中附图标记：1炭基材料供给模块；11炭基材料存储仓；12粉碎筛分装置；13中转仓；14计量秤；15密闭输送管道；2复合菌剂扩繁模块；21序批式发酵罐组；211发酵罐；212电动搅拌装置；213酸碱滴定仪器；214空气泵；215电加热器件；216水洗喷头；217蒸汽发生器；218压力传感器；219集成式传感器；22接种罐；23培养液存储罐；24菌剂存储罐；25计量泵；3复合菌剂定殖模块；31菌剂固定化装置；32固液分离装置；321废液仓；322再生水存储罐；323臭氧发生器；324水质监测传感器；33调理剂存储仓；4终端控制平台；41显示屏；42终端处理器；43手动控制面板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步阐述。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。文中相同的附图标记始终代表相同的元件，相似的附图标记代表相似的元件。

实施例1

请参阅图1-3，该复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备包括：炭基材料供给模块1、复合菌剂扩繁模块2、复合菌剂定殖模块3和终端控制平台4。

所述的炭基材料供给模块1包括1个炭基材料存储仓11、1个粉碎筛分装置12、1个中转仓13、1个计量秤14和多组密闭输送管道15。

其中，炭基材料存储仓11为内腔容积为50m³的不锈钢储料罐，通过计量秤14和密闭输送管道15与粉碎筛分装置12的进料口相连。粉碎筛分装置容积为10m³，采用对辊式粉碎原理，出料粒径为0.5mm-5mm。粉碎筛分装置12的出料口与中转仓13相连。中转仓13为不锈钢储料罐，内腔容积为20m³。

所述的复合菌剂扩繁模块2包括1套序批式发酵罐组21、2个接种罐22、2个培养液存储罐23、2个菌剂存储罐24、4个计量泵25和密闭输送管道15。

其中，序批式发酵罐组21由2个200L不锈钢材质的发酵罐211组成。所述的发酵罐配211有电动搅拌装置212、酸碱滴定仪器213、空气泵214、电加热器件215、水洗喷头216和蒸汽发生器217；发酵罐的反应仓内安装压力传感器218和集成式传感器219，集成式传感器可同时监测培养液pH、EC、水温、溶解氧和浊度。接种罐22、培养液存储罐23和菌剂存储罐24为不锈钢材质，内容积分别为20L、500L和200L，每个罐体内安装水洗喷头216和压力传感器217。发酵罐211的进料口通过密闭输送管道15与接种罐22和培养液存储罐23相连，发酵罐211的出料口通过密闭输送管道15与菌剂存储罐24相连。

所述的菌剂定殖模块3包括1套菌剂固定化装置31、1套固液分离装置32、1套调理剂存储仓33、1个计量秤14、2个计量泵25和多组密闭输送管道15。

其中，菌剂固定化装置31为滚筒型不锈钢腔体，内腔容积为10m³。菌剂固定化装置配有电动搅拌装置212、酸碱滴定仪器213、空气泵214、电加热器件215、水洗喷头216和蒸汽发生器217。菌剂固定化装置的反应仓内顶部安装压力传感器218，底部安装集成式传感器219，可同时监测pH、EC、水温和溶解氧。菌剂固定化装置31的进料仓通过计量秤14、计量泵25和密闭输送管道15分别与中转仓13和菌剂存储罐24相连，菌剂固定化装置31的出料口通过密闭输送管道15与固液分离装置32相连。

固液分离装置32的容积为10m³，采用斜筛式固液分离原理，筛分粒径为0.075mm-5mm。固液分离装置32还配有废液仓321和再生水存储罐322，均为不锈钢材质，内腔容积分别为10m³和30m³。废液仓安装臭氧发生器323和水质监测传感器324；水质监测传感器检测指标包括COD浓度、氨氮浓度、总钾浓度和总磷浓度。调理剂存储仓33为不锈钢储料罐，内腔容积为30m³，安装水洗喷头216、蒸汽发生器217和压力传感器218。固液分离装置32的固体和液体出料口分别通过密闭输送管道15与调理剂存储仓33和废液仓321相连，废液仓321设置两个出水口，一个通过密闭输送管道15与再生水存储罐322的进水口相连，一个连通车间外部管道。

所述的终端控制平台4包括显示屏41、终端处理器42和手动控制面板43，并通过不同设备上的PLC组件和物联网传感器对设备运行情况进行监测与调控。

下面结合图4进行装备运行作业流程介绍：

(1)启动生产装备后，终端控制平台4根据预设程序或人工输入的指令，将炭基材料存储仓11中的炭基材料定量输送进入粉碎筛分装置12，粉碎至指定粒径，输送到中转仓13备用。

(2)按照每批次生产对各个菌剂的扩繁要求，从对于菌株A和菌株B的接种罐22和培养液存储罐23分别定量称取物料，送入序批式发酵罐组21的发酵罐211反应仓，启动电动搅拌装置212，开始菌液扩繁作业；同时反应仓内相关传感器218和219将开展反应仓内压力、pH、EC、水温、溶解氧和浊度指标的连续监测。终端控制平台4将根据实时监测数据和指标预设阈值，通过酸碱滴定仪器213、空气泵214、电加热器件215及时开展酸碱度调节、溶解氧补充和温度调节，为不同菌种提供最适生长环境，提高生产效率。同时，终端控制平台4将根据浊度实时监测数据，绘制并在显示屏41中展示菌株生长曲线，供作业人员掌握生产状况；终端控制平台4将自动判断生长阶段，当菌株生长达到对数期后期后，停止菌株所在发酵罐211的搅拌作业，将完成扩繁的菌液输送入对应的菌剂存储仓24。具体菌株生长阶段判断节点可通过终端控制平台的机器学习功能实现。

(3)按照复合功能菌固定化技术方案确定的A菌液、B菌液及炭基材料的配比，分别从中转仓13和菌剂存储仓24计量定量的炭基材料和菌液，通过密闭输送管道15送入菌剂固定化装置31的反应仓。菌剂固定化装置31通过电动搅拌装置212开始搅拌作业，实现复合微生物在炭基材料上的同时负载；终端控制平台4将根据实时监测数据和指标预设阈值，通过酸碱滴定仪器213、空气泵214、电加热器件215及时开展酸碱度调节、溶解氧补充和温度调节，为复合菌株在炭基材料上的负载提供最适反应条件。当达到定殖时间后，终端控制平台4控制菌剂固定化装置31的电动搅拌装置212停止搅拌作业，并将悬浊液送入固液分离装置32进行分离；具体菌剂定殖结束时间可通过用户预设命令确定。随后，液体进入废液仓321待处置，固体进入调理剂存储仓33，完成该批次调理剂生产过程。

(4)装备运行过程中，所有设备的实时运行参数和传感器监测结果反馈于终端控制平台4，实时展示，同时终端将根据监测结果智能分析和判断生产状态，及时根据预设命令调整或终止生产，并及时发出预警信号。

(5)每一批次产品生产结束后，通过各个设备配备的水洗喷头216和蒸汽发生器217，进行罐体内腔清洗和高温灭菌，避免不同批次生产的菌株交叉污染，保证生产车间的环境质量。同时该装备还可以在不影响整体生产工艺的前提下实现对个别发酵罐或菌剂存储仓的单独清洗-灭菌作业，便于及时处理个别菌株扩繁污染事故或者变更生产方案。

(6)调理剂固液分离和罐体清洗过程产生的废液都将送入废液仓321，首先通过臭氧发生器323杀灭废液中微生物，随后利用水质监测传感器322监测废液中化学需氧量以及氨氮、钾和磷养分浓度，由终端控制平台判断废液二次利用可能性，或是送入再生水存储罐322作为培养液配制基底，或是输送至工厂的污水净化车间进行达标处置。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims

1.一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，其特征在于：该生产装备由炭基材料供给模块、复合菌剂扩繁模块、复合菌剂定殖模块和终端控制平台组成；所述的炭基材料供给模块包括炭基材料存储仓、粉碎筛分装置、中转仓、计量秤和密闭输送管道；所述的菌剂扩繁模块包括序批式发酵罐组、接种罐、培养液存储罐、计量泵、菌剂存储仓和密闭输送管道；所述的菌剂定殖模块包括菌剂固定化装置、固液分离装置、调理剂存储仓、计量泵、计量秤和密闭输送管道。

2.根据权利要求1所述的一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，其特征在于：所述的序批式发酵罐组由2个以上200L发酵罐组成；发酵罐配有电动搅拌装置、酸碱滴定仪器、空气泵、电加热器件和蒸汽发生器。

3.根据权利要求1所述的一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，其特征在于：所述的序批式发酵罐组的反应仓内安装压力传感器和集成式传感器，集成式传感器可同时监测培养液pH、EC、水温、溶解氧和浊度；所述的集成式传感器为终端控制平台提供不同菌株扩繁的环境pH、温度和溶解氧实时监测数据，为调节反应仓内酸碱度、溶解氧和温度提供依据，为终端控制平台绘制菌株生长曲线提供浊度实时监测数据，为判断菌株生长阶段、终止菌株扩繁生产提供依据；所述的接种罐、培养液存储罐和菌剂存储罐安装压力传感器。

4.根据权利要求1所述的一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，其特征在于：所述的菌剂固定化装置为滚筒型，配有电动搅拌装置、酸碱滴定仪器、空气泵、电加热器件和蒸汽发生器；菌剂固定化装置的反应仓内顶部安装压力传感器，底部安装集成式传感器，可同时监测压力、pH、EC、水温和溶解氧。

5.根据权利要求1所述的一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，其特征在于：所述的粉碎筛分装置采用对辊式粉碎原理，出料粒径为0.5mm-5mm；所述的固液分离装置采用斜筛式固液分离原理，筛分粒径为0.075mm-5mm。

6.根据权利要求1所述的一种复合功能菌固定型炭基调理剂生产装备，其特征在于：所述的固液分离装置配有废液仓和再生水存储罐；废液仓安装水质监测传感器，水质监测传感器检测指标包括COD浓度、氨氮浓度、总钾浓度和总磷浓度。