生物膜载体的制作方法

文档序号:10817550阅读:579来源:国知局
生物膜载体的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种生物膜载体,能够提高每单位反应器体积的生物转化的速度。所述生物膜载体由包括细丝的结构化纱线制成,构成中心纱线的各条单独的细丝构成了在所述纱线的整个长度上延伸的连续纤维,且细丝沿着所述纱线的长度通过锚定点彼此固定到一起,其特征在于,结构化纱线在格状结构的固定点处被固定,各条结构化纱线在两个相邻固定点之间形成圈,所述圈的弧长大于这两个固定点之间的距离。
【专利说明】
生物膜载体
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种生物膜载体,该生物膜载体由包括细丝的结构化纱线制成,构成中心纱线的各条单独的细丝构成了在该纱线的整个长度上延伸的连续纤维,且细丝沿着纱线的长度通过锚定点彼此固定到一起。
【背景技术】
[0002]现代经济将以微生物转化和以微生物产生的材料为基础的操作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、有机材料至沼气的厌氧发酵、若干医药工业发酵和食品工业发酵、甚至生物空气净化。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)、酶、有机酸、抗生物质和无数的其它重要产品。
[0003]相关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充足的条件:必要的营养物质和环境条件。当充足的条件存在时,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。
[0004]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)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,这些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。
[0005]以生物膜为基础的生物反应器(即所谓的生物膜反应器)在全球的使用由于上述实现方式而增加,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,它们被用于越来越多的工业发酵技术中。
[0006]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。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)。
[0007]—个最重要的要求是:生物膜载体必须能够结合尽可能多的生物质的量,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,可渗透的并因此适用于技术目的的生物膜的厚度在十分之一毫米到多达几厘米的范围内。
[0008]就制作生物膜载体而言,目前的总体目标是使用具有尽可能大的比表面面积的材料。这基于所公认的假设,即微生物被定殖为平行于表面而设置的膜状薄膜(由此产生了术语生物膜)。粘附有膜状薄膜的表面通常能够从几十分之一毫米发展到几毫米厚,进一步的增厚受其自身的限制,因为微生物新陈代谢所需的至关重要的营养物质不能穿透厚的薄膜。因此,迄今为止,能够以生物膜的形式设置在反应器体积单位内的生物质的量受到载体的比表面面积和仍旧存活的生物膜的膜厚的限制。
[0009]此外,在固定设计的生物膜载体中,柔性结构已替代了之前熟练的刚性结构,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。由编织合成织物制成的生物膜载体的一个最优选设计公开在专利HU227984说明书中,而圈状合成织物载体的例子公开在专利文件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,因此能够使更大体积的生物质粘附至表面。
[0010]然而,即使现在以织物为基础的生物膜载体、尤其是圈状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方案存在严重的缺陷。
[0011]已知方案的主要缺陷在于:由于已知方案的设计,用于结合单位生物质(Ikg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)。
[0012]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进入速度和深度的限制,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。
[0013]因此,产生一种具有垂直于生物膜载体表面生长的松散的、细丝状结构的生物膜是有利的,营养物质能够深入地渗透到生物膜中,且代谢物也能够从更深的层离开。与传统的十分之一毫米的量级相比,这样的生物膜结构能够发展到几厘米厚,且流体能够在生物膜结构的松散的细丝状结构中自由流动。
【实用新型内容】
[0014]本实用新型的目的是创建一种生物膜载体,其中,生物膜具有垂直于生物膜载体表面生长的松散的细丝状结构。这样,粘附到生物膜载体的生物膜的量可以达到在传统设计的载体上建立的生物量的许多倍,因此每单位反应器体积的生物转化的速度得到显著提高。所形成的生物膜的材料特性和传热能力比传统生物膜的材料特性和传热能力更有利,因此如氧传递、混合和温度控制的特定能量需求能够得到显著改善。
[0015]通过根据本实用新型的生物膜载体可以实现以上目的,所述生物膜载体由包括细丝的结构化纱线制成,构成中心纱线的各条单独的细丝构成了在所述纱线的整个长度上延伸的连续纤维,且细丝沿着所述纱线的长度通过锚定点彼此固定到一起,结构化纱线在格状结构的固定点处被固定,各条结构化纱线在两个相邻固定点之间形成圈,所述圈的弧长大于这两个固定点之间的距离。
[0016]各个固定点与所述格状结构的节点和所述纱线的锚定点重合。
[0017]固定点上固定有至少两条纱线的锚定点。
[0018]所述销定点之间的距离在5mm到50mm之间。
[0019]所述纱线在固定点处通过胶合、机械连接或热焊连接到所述格状结构。
[0020]相邻固定点之间的距离为10?70mm。
【附图说明】
[0021]将参照附图对本实用新型进行进一步地详细公开。在附图中,
[0022]图1示出了形成本实用新型所述的生物膜载体的基本要素的结构化纱线;
[0023]图2a、2b、2c以主视图(2a)和侧视图(2b、2c)示出了本实用新型所述的生物膜载体的纱线在格状结构上的设置;
[0024]图3a、3b示出了在传统生物膜载体上形成的薄的生物膜层(3a),以及在本实用新型所述的载体上形成的圈和厚的生物膜层(3b)。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了构成本实用新型所述的生物膜载体的基本要素的结构化纱线I。有利地,纱线I由聚丙烯、聚乙烯或聚酰胺制成,该纱线优选包括50?300条连续的细丝2,每条细丝的直径为10?100微米,在纱线I的整个长度上延伸,并通过胶合、打结或加热(热焊、热熔)在锚定点3处彼此固定到一起,销定点之间以等长T设置,T优选为5?50mm。
[0026]形成充足的生物膜层的必要条件是,如图2a?c所示,将结构化纱线I固定到反应器中的格状结构6上,该反应器用于容纳生物膜载体,主视图(图2a)和侧视图(2b、2c)示出了生物膜载体的纱线I在格状结构6上的布置,S卩,各条纱线I在固定点之间形成松散的圈4,固定点有利地以彼此之间I?7cm的距离t排布,该圈与格状结构6的平面之间具有角度(图2b、2c),但在任何情况下该圈4不被拉紧。关于实际用途,例如对于清洁废水的应用,阻塞是一个大问题,特别优选地是,如果固定点5可以在空间内的所有方向上相对彼此移动。
[0027]图2a中清晰可见,结构化纱线I的固定点5优选形成在格状结构6上。在所示的实施例中,各个固定点5与格状结构6的节点重合。如图2b中格状结构6的平面所示,形成圈4的纱线I明显地从格状结构6的平面凸出。在图2c所示的实施例中,由于各个固定点5固定有两条或更多条纱线l、lb,因此纱线I的凸出的圈4设置在格状结构6的平面的两侧。
[0028]在图3a中,示出了在现有技术所述的方案上形成的薄生物膜7a层,在图3b中,示出了在根据本实用新型的生物膜载体上形成的松散的相对厚的生物膜7层,其中,纱线I在空间中以间隔足够大的距离设置,有利地以间隔I?1cm设置,从而与现有技术方案相比,能够形成大量松散的纤维状生物膜7。在以生物膜7a载体为基础的传统织物中,纱线I要彼此尽可能紧密地放置以便增加表面积,与之相反,适当固定的结构化纱线I之间保持有充足的距离,以便维持本实用新型所述的载体的效率。用于固定纱线I的格状结构6的材料特性和表面特性这样设置,以使生物膜7的粘附是最小的。
[0029]与现有技术方案相比,本实用新型所述的生物膜载体的主要优势是,粘附到生物膜载体上的生物膜的厚度能够达到在传统设计的生物膜载体上形成的生物量的几十分之一毫米厚度的许多倍,因此流体在生物膜的松散的纤维状结构中自由流动。由此,粘附到载体的生物膜7的量超过粘附到传统载体的生物膜7a的体积的许多倍,从而能够显著提高每单位反应器体积的生物转化的速度。所形成的生物膜7的材料特性和传热能力比传统生物膜7a的材料特性和传热能力更有利,因此如氧传递、搅拌和温度控制的特定能量需求能够得到显著改善。
【主权项】
1.一种生物膜载体,所述生物膜载体由包括细丝(2)的结构化纱线(I)制成,构成中心纱线(I)的各条单独的细丝(2)构成了在所述纱线(I)的整个长度上延伸的连续纤维,且细丝(2)沿着所述纱线(I)的长度通过锚定点(3)彼此固定到一起,其特征在于,结构化纱线(I)在格状结构(6)的固定点(5)处被固定,各条结构化纱线(I)在两个相邻固定点(5)之间形成圈(4),所述圈的弧长大于这两个固定点(5)之间的距离(t)。2.根据权利要求1所述的生物膜载体,其特征在于,各个固定点(5)与所述格状结构(6)的节点和所述纱线(I)的锚定点(3)重合。3.根据权利要求2所述的生物膜载体,其特征在于,固定点(5)上固定有至少两条纱线(I)的锚定点(3)。4.根据权利要求1?3任一项所述的生物膜载体,其特征在于,所述锚定点(3)之间的距离在5mm到50mm之间。5.根据权利要求1?3任一项所述的生物膜载体,其特征在于,所述纱线(I)在固定点(5)处通过胶合、机械连接或热焊而连接到所述格状结构(6)。6.根据权利要求1?3任一项所述的生物膜载体,其特征在于,相邻固定点(5)之间的距离(t)为10?70mm。
【文档编号】C02F3/00GK205500887SQ201620284805
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】伊什特万·肯亚罗斯, 费伦茨·哈兹
【申请人】拜奥普拉斯非盈利协会
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