一种微生物固定化球体制备装置的制作方法

本发明涉及微生物技术领域，具体涉及一种微生物固定化球体制备装置。

背景技术

在工业废水处理应用中，微生物细胞固定化技术是一种非常有前景的应用技术。通过固定化结合能降解特定物质的优势菌属能够有效减少高效降解菌的流失，减轻有毒废水对微生物的生物毒害，提高对污染物的降解效率。目前常见的固定化的方法有吸附法、包埋法、共价结合法、交联法。其中包埋法具有较好的综合性能，细胞的存活率较高，且包埋体在反应工程中应用灵活，成为整个固定化微生物技术中应用最为广泛的固定化方法。包埋法是利用物理的方法将细胞包裹在凝胶的网络结构中或者包裹在半透性聚合薄膜内，小分子的底物和产物可以自由出入，而微生物却不会漏出。聚乙烯醇（pva）因具有良好的亲水性、化学稳定性和机械性能，抗微生物分解能力强成为近年来污水处理包埋法中广泛应用的固定化材料之一。其与硼酸交联发生不可逆的塑化是制备载体中最常用的方法。但用该材料制作固定化球体的过程中通常面临pva黏度过大，易凝结，及滴落凝胶需于4°c冷却等问题。

固定化细胞根据用途和制备方法的不同，制得的形状各异，可以是粒状、块状、条状、薄膜状或不规则状等。目前，固定化细胞大多制备成粒状珠体，因为不规则形状的固定化细胞易磨损，在反应器内尤其是在柱式反应器内易受压变形，流速不好，而采用球状就可以克服这些缺点。另外，圆形珠体由于其表面积较大，与底物接触面积较大，所以生产效率相对较高。固定化细胞的催化活性主要集中在凝胶表层，所以凝胶颗粒或凝胶块的大小必然影响它的反应速率，现认为包埋法制备的凝胶颗粒最适大小应该是2-3mm，所以获得高效快速制备大小均一的固定化球体在污染物处理过程中十分重要。

“滴落法”是实验室制备球形固定化微生物比较简单、常用的方法。目前常用的滴落法制备小球的方法有两类：第一类是蠕动泵法，蠕动泵是一种可定时、定量、双向抽液和加液加压的复合泵。该泵利用泵头的多个被动轮滚压硅橡胶管，从而把硅橡胶管内的凝胶细胞混合液间断、恒流地挤出管口，滴入装有成型剂的容器中，形成均匀一致的球体。用该方法虽然调速方便，速度快，球体大小易控制，可用于大批量球状载体制作，但是由于混合液黏度较大导致管壁残留量大，且针对不同储液时蠕动泵和滴液管不能共用，需配置多个蠕动泵和滴液管，一一对应，否则会混合污染；第二类是空气压力法，将凝胶细胞混合液倒入可封闭的容器后空气加压、混合液从另一端细口滴落，滴入成型剂中，即可得到珠体，但在滴落过程中未能有效地利用单个气源，只适用于单种少量固定化球体制备。另外，该方法涉及压缩空气但无气源过滤装置，样品易被气源杂质污染，同时，混合液配制过程需要在从敞口容器转移到密闭容器，因为黏度较大，容器内会有较多的凝胶残留。

同时，在实际制备凝胶细胞混合液时，微生物细胞悬液通常是在高于室温但低于微生物不耐受温度的条件下加入凝胶液的，此时制备的混合液不易凝结、粘度较低且容易滴落，后续滴落过程中凝胶细胞混合液会随着温度的降低而黏度变大，从而影响滴落速率。以上两种方法都未能有效解决此问题。另外，滴落成型的球体通常还需转移到4°c放置过夜，以便更好凝固，费时费力。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种结构简单，设计合理、使用方便的微生物固定化球体制备装置，避免制备凝胶细胞混合液在转移容器的过程中容器内壁上的残留；防止凝胶细胞混合液被气源杂质污染；缩短固定化的时间；制备连续进行，节省人工，实用性更强。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：它包含舱体外壳、滴液嘴、空气导管、空气流量计、空气过滤器、冷凝器、空气泵、磁力搅拌器、一号收集器、压缩机、电源适配器、控制器、储液罐保温层、液体导管、蠕动泵、微生物悬液导管、凝胶液导管、混匀器、空气阀、滴液管保温层、液位传感器、微生物悬液储存罐、凝胶液储存罐、滴液管、顶盖、硅橡胶加热片、一号温度传感器、二号温度传感器；舱体外壳顶部的右侧左右并列架设有微生物悬液储存罐和凝胶液储存罐；舱体外壳的顶部架设有数个滴液管，滴液管的上端开口上铰接有顶盖，顶盖上由右至左依次贯通连接有一号接口、二号接口和三号接口；微生物悬液储存罐的出液口以及凝胶液储存罐的出液口均连接有蠕动泵，蠕动泵的入口端均连接有液体导管，液体导管分别置于微生物悬液储存罐以及凝胶液储存罐内，其中微生物悬液储存罐顶部的蠕动泵的出口端通过微生物悬液导管与三号接口连接；凝胶液储存罐顶部的蠕动泵的出口端通过凝胶液导管与一号接口连接；混匀器的电控端通过支架活动设置在顶盖上，混匀器的搅拌端穿过二号接口后，设置于滴液管内部；滴液管的外部包设有滴液管保温层，该滴液管保温层的底端与滴液管底部的倒锥形口出口边缘之间为液位检测区，该液位检测区的外侧设有液位传感器；所述的倒锥形口上连接有滴液嘴，滴液嘴穿过顶盖后，设置于舱体外壳内部，且每个滴液嘴均对应设置于舱体外壳内部的一号收集器的上端入口处；所述的凝胶液储存罐的外壁包设有储液罐保温层；所述的储液罐保温层以及滴液管保温层内均嵌设有硅橡胶加热片和二号温度传感器；所述的舱体外壳的内部设有冷凝器，所述的一号收集器设置于冷凝器的内部；舱体外壳的内壁固定有一号温度传感器；所述的压缩机、电源适配器由下至上均设置于舱体外壳的内部，且位于冷凝器外部右侧；所述的控制器嵌设在舱体外壳的前壁上；所述的空气泵、空气过滤器由下至上均设置于舱体外壳的内部，且位于冷凝器外部左侧，其中空气泵的出口端与空气过滤器连接，空气过滤器与空气流量计连接，空气流量计嵌合在舱体外壳的前壁上，空气流量计上连接有空气导管，空气导管的出气端通过数个支管连接有数个空气阀，每个空气阀的出气端均通过管道与三号接口贯通连接；所述的凝胶液储存罐以及一号收集器的底部均设有磁力搅拌器上，所述的电源适配器与冷凝器、压缩机、控制器、一号温度传感器、二号温度传感器、硅橡胶加热片、液位传感器、蠕动泵、磁力搅拌器以及空气泵电连接；一号温度传感器、二号温度传感器33以及液位传感器均与控制器连接，控制器与压缩机、磁力搅拌器、混匀器、硅橡胶加热片、蠕动泵以及空气泵连接。

进一步地，所述的一号收集器替换为二号收集器，舱体外壳内部设有支架，数个二号收集器设置于支架的横板的上下两侧，支架的横板与支架的纵板之间为分体式连接，可放入多个二号收集器，便于提前对收集器内凝固剂进行预冷。

进一步地，所述的顶盖上远离铰接端的一侧旋接有卡扣，卡扣活动阿卡社在滴液管侧壁的卡槽内。

进一步地，所述的舱体外壳的前侧开口处铰接有舱门。

本发明的工作原理：电源适配器为包括控制器在内的用电原件提供电力；控制器通过一号温度传感器来控制换热器的压缩机，并通过冷凝器使舱体外壳内维持稳定的低温；

为减少凝胶液和凝胶细胞混合液在相应管路上的残留，所有与之接触的部分用疏水材料制作。将滴液嘴封堵后，凝胶液直接配制在脱离各自保温层和顶盖的滴液管以及凝胶液储存罐中，加热溶解后冷却到一定温度，插入各自的保温层中，加入微生物悬浮液，盖上顶盖并锁闭卡扣，混匀后，进行后续滴液，避免二次转移时的凝胶残留；

为了防止滴液管内凝胶细胞混合液和凝胶液储存罐内凝胶液的凝结，在容器外壁上覆盖了滴液管保温层和储液罐保温层，滴液管保温层和储液罐保温层内有二号温度传感器和硅橡胶加热片，控制器通过二号温度传感器控制硅橡胶加热片，防止凝胶细胞混合液和凝胶液降温凝结，凝胶液单独存在时不含有微生物细胞，不用考虑细胞失活所以可以将储存温度设置的稍高一点，这样黏度较小更容易通过蠕动泵被输送；实际操作中，凝胶液储存罐和滴液管可以有多个相结合，同时工作，所以对应的保温层及其内的温度传感器和硅橡胶加热片也有多个，其他可结合同时工作的器件与此类似；

滴液管上部有顶盖，顶盖上有卡扣用于锁闭和密封整个滴液管；顶盖上有三号接口，与空气导管连接并带有空气阀，当滴液管停止工作时，空气阀保持关闭，顶盖上有二号接口和一号接口，分别与微生物悬液导管和凝胶液导管连接，并通过蠕动泵将微生物悬液储存罐和凝胶液储存罐内液体递送到滴液管中，形成凝胶细胞混合液，二者混合后的温度会低于凝胶的初始温度，从而保证微生物的活性；控制器控制顶盖上的混匀器对滴液管内的凝胶细胞混合液进行混匀，混匀器在滴液管内插入的深度可以调节（混匀器采用现有技术中生物实验室用的电动混匀器，通过控制其电控端固定在支架上的位置来实现安装高度的调节，从而达到深度调节）；微生物悬液储存罐下方与磁力搅拌器接触，罐内有磁子搅拌以防止微生物细胞沉淀；

控制器通过与空气泵连接的倒顺开关，控制空气泵风压转子的正反转以实现泵气或抽气；在滴液管滴液时，空气泵泵气，空气泵一端与空气过滤器相连以过滤气源杂质以防止污染滴液管内的凝胶细胞混合液，空气过滤器通过空气流量计与空气导管相连，空气流量计通过调节空气泄流量从而调节空气导管内的空气压力，进而调节滴液管滴液的速率；当使用个别滴液管时，对应的空气导管上的空气阀打开，其余滴液管对应的空气阀关闭，以防止空气压力外泄；当多个滴液管同时使用时，由于其内凝胶混合液的多少不同或者滴液速率不同，导致滴液完成的时间不同，完成滴液的滴液管对应的空气阀及时关闭；

滴液管下部为倒锥形口，倒锥形口连接不同孔径的滴液嘴，滴液嘴的孔径决定最终固定化球体的大小，滴液嘴安装位置的上方有未覆盖滴液管保温层的区域，即液位检测区，其外部安装的液位传感器的一端发出激光透过液位检测区到达液位传感器另一端的激光接受区域，当胶体状的凝胶细胞和混合液的液位高于液位检测区时，由于丁达尔效应，激光被散射，到达激光接受区域的能量较低；当胶体状的凝胶细胞混合液的液位低于液位检测区时，激光的透过性较高，到达激光接受区域的能量较高，此时，液位传感器向控制器发送信号，控制器控制蠕动泵向滴液管中输送定量的微生物悬液和凝胶液，同时，控制器控制空气泵由泵气变为抽气使滴液管内呈负压以防止凝胶细胞混合液未混匀之前就滴落，当蠕动泵输液一段时间后，控制器自动启动混匀器，混匀一段时间后停止，当滴液管温度达到设定温度时，空气泵再由抽气变为泵气，如果需要打开顶盖然后加入微生物悬液，则事先需将滴液嘴封堵以防止凝胶细胞混合液未混匀就滴落，凝胶细胞混合液在被混匀时，硅橡胶加热片会对其完成加热；使用磁力搅拌器以防止一号收集器（二号收集器）内未完全凝胶化的球体相互粘连。

实际操作中，需要制备大量固定化球体时，需要蠕动泵进行自动补液，还需要用到一号收集器（大容量）来收集固定化球体。当制备少量固定化球体时，可能不需要补液并且采用二号收集器（小容量）就足够了。

采用上述结构后，本发明有益效果为：

1、凝胶液和微生物细胞直接在疏水的锥形滴液管中混合，避免了制备凝胶细胞混合液在转移容器的过程中容器内壁上的残留；

2、使用气源过滤装置对压缩空气进行过滤，防止凝胶细胞混合液被气源杂质污染；

3、在锥形滴液管外壁覆盖加热套并通过温度控制器使凝胶细胞混合液保持恒温以防黏度变大，从而稳定滴落速率及最终球体大小；

4、通过空气阀门组合与空气导管将单个气源与多个锥形滴液管相连，盛放同种凝胶细胞混合液时能够加快同种微生物固定化球体的制备，盛放不同种凝胶细胞混合液时能够同时进行对多种微生物固定化球体的制作；

5、在收集微生物球体的同时通过制冷缩短固定化的时间；

6、通过自动补充凝胶液和微生物细胞可以使微生物固定化球体的制备连续进行，节省人工。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的内部结构示意图。

图3是本发明中硅橡胶加热片和二号温度传感器的安装位置示意图。

图4是本发明的电控框图。

附图标记说明：

舱体外壳1、滴液嘴2、空气导管3、空气流量计4、空气过滤器5、冷凝器6、空气泵7、磁力搅拌器8、二号收集器9、一号收集器10、压缩机11、电源适配器12、控制器13、储液罐保温层14、液体导管15、蠕动泵16、微生物悬液导管17、凝胶液导管18、卡扣19、混匀器20、空气阀21、滴液管保温层22、液位传感器23、舱门24、微生物悬液储存罐25、凝胶液储存罐26、滴液管27、液位检测区27-1、倒锥形口27-2、顶盖28、一号接口28-1、二号接口28-2、三号接口28-3、支架29、硅橡胶加热片30、一号温度传感器31、二号温度传感器32。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

参看如图1-图4所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含舱体外壳1、滴液嘴2、空气导管3、空气流量计4、空气过滤器5、冷凝器6、空气泵7、磁力搅拌器8、一号收集器10、压缩机11、电源适配器12、控制器13、储液罐保温层14、液体导管15、蠕动泵16、微生物悬液导管17、凝胶液导管18、混匀器20、空气阀21、滴液管保温层22、液位传感器23、微生物悬液储存罐25、凝胶液储存罐26、滴液管27、顶盖28、硅橡胶加热片30、一号温度传感器31、二号温度传感器32；舱体外壳1顶部的右侧左右并列架设有微生物悬液储存罐25和凝胶液储存罐26；舱体外壳1的顶部架设有数个滴液管27，滴液管27的上端开口上铰接有顶盖28，顶盖28上由右至左依次贯通连接有一号接口28-1、二号接口28-2和三号接口28-3；微生物悬液储存罐25的出液口以及凝胶液储存罐26的出液口均连接有蠕动泵16，蠕动泵16的入口端均连接有液体导管15，液体导管15分别置于微生物悬液储存罐25以及凝胶液储存罐26内，其中微生物悬液储存罐25顶部的蠕动泵16的出口端通过微生物悬液导管17与三号接口28-3连接；凝胶液储存罐26顶部的蠕动泵16的出口端通过凝胶液导管18与一号接口28-1连接；混匀器20的电控端通过支架活动设置在顶盖28上，混匀器20的搅拌端穿过二号接口28-2后，设置于滴液管27内部；滴液管27的外部包设有滴液管保温层22，该滴液管保温层22的底端与滴液管27底部的倒锥形口27-2出口边缘之间为液位检测区27-1，该液位检测区27-1的外侧设有液位传感器23（液位传感器23固定在顶盖28上表面上）；所述的倒锥形口27-2上连接有滴液嘴2，滴液嘴2穿过顶盖28后，设置于舱体外壳1内部，且每个滴液嘴2均对应设置于舱体外壳1内部的一号收集器10的上端入口处；所述的凝胶液储存罐26的外壁包设有储液罐保温层14；所述的储液罐保温层14以及滴液管保温层22内均嵌设有硅橡胶加热片30和二号温度传感器32；所述的舱体外壳1的内部设有冷凝器6，所述的一号收集器10设置于冷凝器6的内部；舱体外壳1的内壁固定有一号温度传感器31；所述的压缩机11、电源适配器12由下至上均设置于舱体外壳1的内部，且位于冷凝器6外部右侧；所述的控制器13嵌设在舱体外壳1的前壁上；所述的空气泵7、空气过滤器5由下至上均设置于舱体外壳1的内部，且位于冷凝器6外部左侧，其中空气泵7的出口端与空气过滤器5连接，空气过滤器5与空气流量计4连接，空气流量计4嵌合在舱体外壳1的前壁上，空气流量计4上连接有空气导管3，空气导管3的出气端通过数个支管连接有数个空气阀21，每个空气阀21的出气端均通过管道与三号接口28-3贯通连接；所述的凝胶液储存罐26以及一号收集器10的底部均设有磁力搅拌器8上，所述的电源适配器12与冷凝器6、压缩机11、控制器13、一号温度传感器31、二号温度传感器32、硅橡胶加热片30、液位传感器23、蠕动泵16、磁力搅拌器8以及空气泵7电连接；一号温度传感器31、二号温度传感器33以及液位传感器23均与控制器13连接，控制器13与压缩机11、磁力搅拌器8、混匀器20、硅橡胶加热片30、蠕动泵16以及空气泵7连接。

进一步地，所述的顶盖28上远离铰接端的一侧旋接有卡扣19，卡扣19活动阿卡社在滴液管27侧壁的卡槽内。

进一步地，所述的舱体外壳1的前侧开口处铰接有舱门24。

本具体实施方式的工作步骤如下：

1、在脱离各自保温层和顶盖28的滴液管27和凝胶液储存罐26（如果需要补液）中配制凝胶液，加热溶解后，插入各自的保温层中（上述的保温层即指滴液管保温层22和储液罐保温层14，两者均采用保温套）；

2、接通电源；

3、通过控制器13启动装置并设置补液过程中蠕动泵16的工作时长（如果需要补液）和混匀器20的工作时长，设置舱体外壳1的内部低温、储液罐保温层14（如果需要补液）和滴液管保温层22的温度；

4、打开舱门24，放入一号收集器10，封堵滴液嘴2，关闭舱门24；

5、通过控制器13启动空气泵7抽气，加入微生物悬液并关闭顶盖28和卡扣19；

6、解除对滴液嘴2的封堵（此后的自动补液过程中不再需要封堵）；

7、混匀和加热过程结束后控制器13自动将空气泵7由抽气变为泵气，调节空气流量计4以控制滴液速率；

8、关闭滴液已结束的滴液管27对应的空气阀21并调节空气流量计4以稳定滴液速率；

9、整个滴液过程结束后，保持低温的舱体外壳1内的工作状态并通过控制器13关闭其余器件；

10、待低温固定化结束后关闭整个装置；

11、断开电源。

采用上述结构后，本具体实施方式有益效果为：本具体实施方式提供一种微生物固定化球体制备装置，避免制备凝胶细胞混合液在转移容器的过程中容器内壁上的残留；防止凝胶细胞混合液被气源杂质污染；缩短固定化的时间；制备连续进行，节省人工，实用性更强。

实施例一：

本实施例中将一号收集器10替换为二号收集器9，舱体外壳1内部设有支架29，两个二号收集器9设置于支架29的横板的上侧，两个二号收集器9设置于支架29的横板的下侧，支架29的横板与支架29的纵板之间为分体式连接，根据需要将横板拆除，放入的多个二号收集器9，便于提前对收集器内凝固剂进行预冷。

以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。