一种适合于丝状微生物培养的生物转盘装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其包括进料槽、马达、转动管、脉管载体、连接管、支架、营养液槽、反应槽；本实用新型装置实现了从脉管载体的内部和外部向固定化的丝状微生物膜供应营养物和氧气，从而避免丝状微生物的生物膜内部因缺氧气和营养物而导致的生物膜脱落问题。另外，通过调节营养液槽中的营养补充系统使之与反应槽中营养成分互补，不但可以控制污染微生物的生长，还可以控制丝状微生物在自然条件下生长和产物合成，提高反应器运行效率。
【专利说明】一种适合于丝状微生物培养的生物转盘装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于工业微生物领域，具体地说涉及适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其用于丝状微生物的固定化培养，特别涉及在非灭菌环境条件下建立丝状微生物生长体系，同时抑制其它微生物生长、繁殖，用于保证对丝状微生物反应装置的长期运行。
【背景技术】
[0002]难降解有机污染物很难被微生物分解或分解速度很慢且不彻底，残留时间较长，是环境保护与治理技术研究的难点，至今尚无十分经济有效的解决方法。
[0003]在对白腐真菌的研究中人们认识到:白腐真菌能降解多种难降解有机污染物，这为难降解有机污染物的治理提供了一条新的途径。然而，无论国内还是国外，对白腐真菌处理难降解有机污染物废水的研究都还停留在实验室研究阶段，应用到实际工程中的案例基本没有。
[0004]那么是什么制约其在实际工程中应用呢？经过对从1982年至今的45个反应器研究情况的分析，我们发现:维持白腐真菌的生物活性是关键的因素。
[0005]在微生物的培养中人们常常采用固定化的培养方式，这是因为固定化培养能够促进微生物的生长和代谢。
[0006]白腐真菌的固定化培养有利于其活性的维持。Saucedo等人(1988)在对Gibberella fujikuroi菌丝的固定化研究中发现:固定化培养可以提高真菌生长的稳定性，延长其活性维持的时间；Bottcher等(1988)和Komel等(1985)的固定化真菌研究得出类似的结果。
[0007]固定的白腐真菌能促进其对代谢酶等的合成。Rogalski等(2006) Nemato1ma
固定于聚氨酯泡沫载体(polyurethane foam)上获得2304 nkat/1的MnP,比自由悬浮培养的MnP高出1.4倍。Nakamura等(1999)的研究结果表明:采用聚氨酯泡沫载体的固定化培养获得高产的木质素降解酶(LiP: 300U/mL, MnP: 250U/mL, and Lac:50U/mL)远远高于非固定化培养的酶活(LiP: 22U/mL, MnP: 8U/mL, and Lac: 1.8U/mL)
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[0008]固定化微生物还可以提高应用，如其对污染物的去除效果。Sayadi等(1996)在其试验中发现自由培养的P.chrysosporium未能对橄榄油厂的废水进行有效脱色,但当采用聚氨酯泡沫载体(PUF)进行固定化培养时实现了有效脱色。Liao (1997)的研究结果显示:固定化的P.Chrysosporium比自由培养时具有更高的PAHs去除率。
[0009]但是，固定化的微生物常常遇到一些问题，如:生物膜脱落的问题。目前许多研究者对一些载体进行了研究，如聚氨酯泡沫(PUFXMielgo 1.等,Water research, 2002 , 36,1896-1901)、钢丝网(Kapdan IK 等，Enzyme Microb Technol，2002 ;30:195 - 9.)，木块(Nillsson 1.等，Enzyme and microbial technology, 2006, 38, 94-100.)等，但这些载体在使用过程中会遇到生物膜脱落的问题，即随着生物膜的加厚，生物膜内部获得的营养物质和氧气逐步减少，造成生物膜的脱落。另外，曝气过大产生剪切力，影响固定化微生物的生长和代谢。
[0010]在影响白腐真菌生物活性的因素中，杂菌(主要是细菌)的干扰不容忽视。白腐真菌有别于细菌，它属于真核微生物，生长速度很慢。因此，一旦反应体系有细菌进入，细菌就会与白腐真菌争夺培养基中的营养物质，由于细菌的繁殖速度比真菌快很多，这样，细菌就会在反应体系内占优势，而白腐真菌因缺乏营养将停止生长，进而影响胞外降解酶系的分泌，使整个处理系统失去降解的功能。由此可知，解决白腐真菌降解系统的染菌问题，有助于维持反应器中白腐真菌的生物活性。在实验室研究中，采用灭菌手段来解决染菌问题，这在实际工程中显然是行不通的，因为它将大大提高工艺的运行成本，即使在国外，采用灭菌手段来解决污水处理过程中的染菌问题也是没有先例的。最近几年，国外的研究者已经开始认识到染菌问题是制约白腐真菌处理技术工业化的瓶颈问题，并开始着手研究解决这一问题。
[0011]但是，通过检索中外文献，只发现两篇研究应用白腐真菌降解污染物时的抑菌技术，一个为通过控制低PH值、氮限制培养基和添加天然载体，研究应在非灭菌环境用白腐真菌Trametes versicolor降解活性染料的控制策略,但至今未见任何有关反应器水平的相关研究的报道。(Judy A, et al.Competit1n strategies for thedecolorizat1n of a textile-reactive dye with the white-rot fungi Trametesversicolor under non—sterile condit1ns.B1technilogy and B1engineering,2003,82(6):736-744.);另外周成等采用臭氧对污染的细菌进行有效控制(Zhou Cheng,Wen Xiang-hua*， Ning ping.Continuous acid blue 45 decolorizat1n by using anovel open fungal reactor system with ozone as the bactericide.B1chemicalEngineering Journal, 2013, 79: 246-252.X
【发明内容】
[0012]本实用新型目的是为了提高丝状微生物培养中的生长和代谢，提供了一种适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其是适用于固定化丝状微生物培养的装置，促进丝状微生物的生长和代谢，维持丝状微生物的连续生长和持续的代谢，同时抑制其它微生物生长、繁殖。
[0013]本实用新型适用于丝状微生物培养的生物转盘装置包括进料槽1、马达4、转动管7、脉管载体8、连接管9、支架10、营养液槽13、反应槽11，进料槽I通过泵I 2与反应槽11的进料口 3连通，在反应槽的另一端设有出料口 12 ;在反应槽两侧设有两个支架10，每个支架上固定有滑轮6 ;转动管7位于反应槽11上方，它的两端分别穿过固定于支架上的滑轮6 ;转动管7 —端与马达4的轴承5相连，另一端通过泵II 14与营养液槽13连通；一个以上的脉管载体8设置在转动管7的管壁外侧并通过连接管9与转动管7连通；在马达4的带动下，转动管7转动，同时带动脉管载体8转动并依次进入反应槽11中。
[0014]所述反应槽11为中空的半圆柱体，由于脉管载体的转动轨迹呈圆柱状，因此，在每一时刻内，一半的脉管载体在反应槽内；它的内部空间略大于中央纵切的脉管载体转动形成圆柱体状运动轨迹；转动管7在马达的带动下转动，其上连接的脉管载体会周期地与反应槽11中的进样物料充分接触，不存在死角问题。
[0015]所述脉管载体8为中空管状的粘扣带载体，载体开口端通过连接管9与转动管7连通，粘扣带载体的壁具有渗透性，可以渗透水、氧气和营养物，但丝状微生物不能穿透生长；粘扣带有两种形态，一种为带小勾表面的粘扣带，另一种为带毛绒状表面的粘扣带，两种材料都具有粗燥的表面，利于菌丝的附着生长，且它们都是微生物难以降解的材料(塑料、木质纤维素、丝、棉、麻或化学纤维)，带小勾的粘扣带织物和带绒圈的粘扣带织物都可以用于载体的制作。
[0016]所述脉管载体8内设置有不妨碍载体内营养液通过载体壁渗透的支撑杆，保证载体不变形。
[0017]所述营养液槽13的营养物和溶解氧可以通过泵II 14运输至转动管7中，当转动管带动其上的脉管载体转动到反应槽11中时，营养物和溶解的氧可被运输到脉管载体8内部；同时，载体上固定化的丝状微生物膜可以从反应槽内吸收营养物和氧气，这就实现了从载体内部和外部向载体上的固定化丝状微生物膜提供营养物和氧气。
[0018]通过调节营养液槽13中的营养补充系统使之与反应槽11中营养成分互补，不但可以控制污染微生物的生长，还可以控制丝状微生物在自然条件下生长和产物合成，提高反应器运行效率。
[0019]本实用新型使用时，进料槽I中物料通过泵被泵入反应槽11中，反应后的出料通过出料口 12排出；装置工作时，转动管7在马达4的带动下转动，其上连接的脉管载体8会周期地与反应槽11中的进样物料接触，进样物料中的营养物和氧气可以渗透扩散到载体上的生物膜中，实现由脉管载体外部向脉管载体上的菌丝生物膜提供营养物和氧气；另外，通过泵II 14将营养槽13中的营养液泵入转动管7中，并通过连接管9进入到脉管载体8中，可以通过载体内部为脉管载体上的丝状生物膜由内向外提供营养物和氧气，从而实现从脉管载体内部向脉管载体上附着的丝状微生物补充营养物质和氧气。通过调节营养液槽中的营养物成分和数量使之与反应槽中营养成分互补，使反应槽或营养液槽中的营养成分难以支持微生物的生长，抑制其它微生物的生长，进一步还可以调节补充营养物的供给方式(连续供给或间歇供给)和量轻易实现对丝状微生物的生长和代谢控制，从而增加丝状微生物在自然条件下生长和产物合成，提高反应器运行效率。
[0020]本实用新型优点和有益效果:
[0021]I)本实用新型装置为固定化的丝状微生物生长和代谢提供了一个新的实现途径，可以解决固定化生长中因为缺乏氧气以及曝气剪切等带来的生物膜脱落问题；
[0022]2)本实用新型装置针对固定化的丝状微生物，它实现了从载体内部和外部向固定化的丝状微生物供应营养物和氧气，保证了固定化的丝状微生物生物膜内部的氧气和营养，从而避免丝状微生物生物膜内部因缺氧气和营养导致的生物膜脱落问题；
[0023]3)在本实用新型装置运行时，可通过调节营养液槽中的营养补充系统使之与废水槽中营养成分互补，可以保证反应槽、载体内部以及转动管中其它微生物的生长受到抑制；
[0024]4)本实用新型装置从载体内部和外部向固定化的丝状微生物膜供应营养物质，可以轻易实现对丝状微生物的生长控制，增加了丝状微生物在自然条件下生长和产物合成，不仅能够促进污染物的降解，且有效地缩短反应器运行时间。
[0025]5)本实用新型装置的反应槽11为中空的半圆柱体，它的内部空间略大于中央纵切的脉管载体转动形成圆柱体状的运动轨迹。转动管7在马达的带动下转动，其上连接的脉管载体会周期地与反应槽中的进样物料充分接触，不存在死角问题，提高运行效率。
[0026]6)本装置结果简单、成本低，易于推广应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型装置的结构示意图；
[0028]图2为本实用新型中脉管载体纵切面结构示意图；
[0029]图中:1_进料槽；2-泵I ;3_进料口 ；4-马达；5-轴承；6-滑轮；7_转动管；8-脉管载体；9_连接管；10_支架；11_反应槽；12_出料口 ；13_营养液槽；14-泵II ;15_支撑杆。
【具体实施方式】
[0030]下面通过附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的保护范围不局限于所述内容。
[0031]实施例1:本适用于丝状微生物培养的生物转盘装置包括进料槽1、马达4、转动管
7、脉管载体8、连接管9、支架10、营养液槽13、反应槽11，进料槽I通过泵I 2与反应槽11的进料口 3连通，在反应槽的另一端设有出料口 12 ;在反应槽两侧设有两个支架10，每个支架上固定有滑轮6 ;转动管7位于反应槽11上方，它的两端分别穿过固定于支架上的滑轮6 ;转动管7 —端与马达4的轴承5相连，另一端通过II 14与营养液槽13连通；240个的脉管载体8设置在转动管7管壁两侧并通过连接管9与转动管7连通；在马达4的带动下，转动管7转动，同时带动脉管载体8交替转动进入反应槽11中；其中反应槽11为中空的半圆柱体；脉管载体8中空管状的粘扣带载体(带小勾的粘扣带或带绒圈的粘扣带材料制成)，载体壁具有渗透性，可以渗透水，氧气和营养物质，脉管载体8内设置有支撑杆15 (见图1、2)。
[0032]本实用新型使用时，进料槽I中物料通过泵I 2被泵入反应槽11中，反应后的出料通过出料口 12排出；装置工作时，转动管7在马达4的带动下转动，其上连接的脉管载体8会周期地与反应槽11中的进样物料接触，进样物料中的营养物和氧气可以渗透扩散到载体上的生物膜中，实现由脉管载体外部向脉管载体上的菌丝生物膜提供营养物和氧气；另外，通过泵II 14将营养槽13中的营养液泵入转动管7中，并通过连接管9进入到脉管载体8中，可以通过载体内部为脉管载体上的丝状生物膜由内向外提供营养物和氧气，从而实现从脉管载体内部向脉管载体上附着的丝状微生物补充营养物质和氧气。通过调节营养液槽中的营养物成分和数量使之与反应槽中营养成分互补，使反应槽或营养液槽中的营养成分难以支持微生物的生长，抑制其它微生物的生长，进一步还可以调节补充营养物的供给方式(连续供给或间歇供给)和量轻易实现对丝状微生物的生长和代谢控制，从而增加丝状微生物在自然条件下生长和产物合成，提高反应器运行效率。
[0033]实施例2:哈茨木霉harzianum')的连续生长试验
[0034](I)脉管载体的挂膜
[0035]挂膜是在大试管(外直径:3cm ;长:20cm)中完成。在240根含23.4 L培养液(NaNO3:10 g/L,MnSO4:0.5 g/L,KH2PO4:2g/L)的大试管中分别投加脉管载体I个，在121 °C条件下，灭菌30 min ;然后接种哈茨木霉(71.harzianum')孢子,每毫升接种14个孢子，然后固定于摇床上，在37°C, 160 rpm的条件下培养3-4天；将生长菌丝的脉管载体取出，接着用去离子水清洗，然后测其附着生长的菌丝的生物量，平均生物量(湿重)接近15.40 g。
[0036](2)装置的连续运行
[0037]将240个挂膜的脉管载体安装到实施例1装置转动管的连接管上。通过进料槽I加入 23.4 升培养液(NaNO3:10 g/L、MnSO4:0.5 g/L、KH2PO4:2g/L)到反应器槽 11 中，而含葡萄糖的溶液(5 g/L)加入到营养补充系统中的营养液槽13。启动泵I 2，采用连续进料的运行模式，通过泵I将不含葡萄糖的培养液(NaNO3:10 g/L、MnSO4:0.5 g/L、KH2PO4:2g/L)运输(10 mL/min)到反应槽11中；同时还通过泵II将营养液槽13中的葡萄糖溶液泵入转动管7中(维持其中的葡萄糖溶液约I升左右，即可停止投加葡萄糖溶液，当葡萄糖溶液体积下降可以继续投加葡萄糖溶液)；采用水力停留时间3天，连续运行；在连续68天的运行中，每个载体上的平均生物量(湿重)基本保持在12.4 g。
[0038]实施例3:黄孢原毛平革菌(/?.的连续生长和合成猛过氧化物酶试验
[0039](I)载体的挂膜。
[0040]按照实施例2的方法进行挂膜，接种微生物为黄孢原毛平革菌(Achrysosporium)孢子，每毫升接种14个孢子。
[0041](2)装置的连续运行
[0042]首先，将挂膜的240个载体安装实施例1装置转动管的连接管上，其次，加入23.4升培养液(不含葡萄糖其余成分和量参见周成等的配方(Zhou Cheng, Wen Xiang-hua*，Ning ping.Continuous acid blue 45 decolorizat1n by using a novel open fungalreactor system with ozone as the bactericide.B1chemical Engineering Journal,2013，79: 246-252.)到反应器槽中，而含葡萄糖的溶液(5 g/L)加入到营养补充系统中的营养液槽。然后，启动泵I，采用连续进料的运行模式将培养液(不含葡萄糖)泵到(10 mL/min)反应槽中；同时还通过泵II将营养液槽中的葡萄糖溶液(5 g/L)泵入转动管中(维持其中的葡萄糖溶液约I升左右，即可停止投加葡萄糖溶液，当葡萄糖溶液体积下降可以继续投加葡萄糖溶液)；采用水力停留时间3天，连续运行。
[0043]在连续45天的运行中，每个载体上的平均生物量(湿重)基本保持在14.4 g/L，载体上始终固定有菌丝生物膜，没有出现载体裸露的现象。
[0044]在连续45天的运行中，锰过氧化物酶在第2天开始出现酶活，且最高酶活可达35U/L ;平均的锰过氧化物酶活为24 U/L。
[0045]实施例4:通过脉管载体固定化的黄孢原毛平革菌(/?.chrysosporium) 叛渗滤液的脱色降解
[0046](I)载体的挂膜
[0047]按照实施例2的方法进行挂膜。
[0048](2)装置的连续运行
[0049]首先，将挂膜的240个载体安装在实施例1装置转动管的连接管上。
[0050]启动装置，采用连续进料的运行模式将垃圾渗滤液泵到(10mL/min)反应槽中；同时还通过泵II将营养液槽中的葡萄糖溶液(5 g/L)泵入转动管中(维持其中的葡萄糖溶液约I升左右，即可停止投加葡萄糖溶液，当葡萄糖溶液体积下降可以继续投加葡萄糖溶液)；采用水力停留时间3天，反应槽的有效体积达到23.4 L，连续运行。
[0051 ] 经过2天的降解，垃圾渗滤液脱色达到64% ;经过3天的降解，垃圾渗滤液脱色率达到84%。在其后连续29天的运行中，垃圾渗滤液平均脱色达到75.6%。
【权利要求】
1.一种适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其特征在于:其包括进料槽(I)、马达(4)、转动管(7)、脉管载体(8)、连接管(9)、支架(10)、营养液槽(13)、反应槽(11)，进料槽(I)通过泵I (2)与反应槽(11)的进料口(3)连通，在反应槽的另一端设有出料口(12);在反应槽两侧设有两个支架(10)，每个支架上固定有滑轮(6);转动管(7)位于反应槽(11)上方，它的两端分别穿过固定于支架上的滑轮(6);转动管(7)—端与马达(4)的轴承(5)相连，另一端通过泵II (14)与营养液槽(13)连通；一个以上的脉管载体(8)分别设置在转动管(7)管壁外侧并通过连接管(9)与转动管(7)连通。
2.根据权利要求1所述的适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其特征在于:反应槽(11)为中空的半圆柱体。
3.根据权利要求1所述的适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其特征在于:脉管载体(8)为中空管状的粘扣带载体，载体开口端通过连接管(9)与转动管(7)连通。
4.根据权利要求3所述的适合于丝状微生物培养的生物转盘装置，其特征在于:脉管载体(8)内设置有支撑杆。
【文档编号】C12R1/645GK203923163SQ201420249212
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】周成, 陈宇琳, 董明, 于晓龙, 孙暠 申请人:昆明理工大学