專利名稱：一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)及其滅菌方法
技術領域：
本發(fā)明涉及微生物學技術領域，具體涉及一種規(guī)?；兣囵B(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)及其滅菌方法。
背景技術：
不產(chǎn)氧光合細菌(AnoxygenicPhotosynthetic Bacteria, APB)是一類在厭氧條件下，利用各種有機物或無機物作為電子供體進行光合作用但不釋放氧氣的原核微生物的總稱，傳統(tǒng)上所稱為“光合細菌(PSB)”?，F(xiàn)有研究表明，光合細菌類群有80余屬200余種，自然環(huán)境中廣泛分布，在自然界物質(zhì)和能量循環(huán)中具有重要作用；其代謝方式靈活多樣，能進行光自養(yǎng)、光異養(yǎng)和化能異養(yǎng)生長，與其生存環(huán)境相適應。光合細菌作為一類重要的生物資源，在水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、環(huán)境修復和治理、醫(yī)藥保健以及能源等領域已有深入的研究，并且在菌種資源、生產(chǎn)設備、制劑和產(chǎn)品、以及應用等方面取得了重要進展，但針對生產(chǎn) 實踐和發(fā)展的要求，仍需要著力開發(fā)光合細菌菌種資源，規(guī)?；a(chǎn)專一性好、效果穩(wěn)定、聞質(zhì)量、聞穩(wěn)定性的廣品和制劑。規(guī)?；a(chǎn)是滿足生產(chǎn)實踐需求的關鍵環(huán)節(jié)。因此，在保障高質(zhì)量前提下，只有達到規(guī)?；?，才能大幅度降低生產(chǎn)成本。而實現(xiàn)光合細菌制劑規(guī)?；a(chǎn)的關鍵在于開發(fā)可控性能強、適用于多種類群生長特性的、高純度、高密度、高活性生產(chǎn)光合細菌的設備和裝置。目前，光合細菌培養(yǎng)方式主要包括“開放式光照”、“全封閉式厭氧光照”和“光生物反應器”3種類型。開放式光照培養(yǎng)一般采用水泥池、培養(yǎng)槽等容器中開放培養(yǎng)，與空氣接觸面大，利用自然光和人工光源，生產(chǎn)設備簡單，運行成本低廉，可用于大規(guī)模培養(yǎng)，這種培養(yǎng)方式較適合于有機廢水的凈化處理，但溫度、光照和攪拌均勻度難以控制，菌密度低，易被雜菌污染，純度差、質(zhì)量不穩(wěn)定；在水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)業(yè)種植和畜牧養(yǎng)殖中的應用效果不穩(wěn)定，一般為現(xiàn)制備現(xiàn)應用，難于儲存和商品化。全封閉式厭氧光照培養(yǎng)這是理想的光合細菌培養(yǎng)方式，在控制的條件下，通過嚴格的無菌操作，生長效率高、純度高，菌體密度高，無污染、制劑質(zhì)量穩(wěn)定，一般僅限于實驗室小規(guī)模培養(yǎng)，多用于實驗性研究。光生物反應器是一種典型的“相對封閉式”培養(yǎng)裝置；自1980年以來，由于光合微生物規(guī)模化應用的需求和發(fā)展，國內(nèi)外對光生物反應器的研究和開發(fā)取得了很大進展，使生產(chǎn)規(guī)模有了很大提高。因此，光生物反應器的發(fā)展是解決光合細菌規(guī)模化培養(yǎng)的關鍵，實現(xiàn)高密度和純度培養(yǎng)、節(jié)能環(huán)保和規(guī)模型的智能光生物反應器是發(fā)展的必然趨勢，而反應器中“光”的合理分布和高效利用是光生物反應器的核心和大型化限制因素。到目前為止，已經(jīng)設計和開發(fā)了多種形式的光生物反應器。從外形上來看，概括起來主要包括柱(罐)式、板(箱式)式、管式(培養(yǎng)管以多種方式盤繞)以及這3類結構的組合和變形，如多層式、環(huán)流型和線圈式盤繞狀等。絕大多數(shù)光生物反應器是以透光材料制造，極少數(shù)采用金屬材料，均能夠?qū)崿F(xiàn)光照、控溫和攪拌(機械、泵循環(huán)或氣流式攪拌)。除了其外型和內(nèi)部結構(液體流動方式、攪拌循環(huán)方式、溫度控制方式等)不同外，最大的差別在于它們擁有不同的表面積體積比。光照是光生物反應器的關鍵限制因素，一般來說，板式反應器的比表面積最大，其次是管式和罐式。從光源照射方式來看，光照方式采用外置光源、內(nèi)置光源和內(nèi)外置光源相結合3種方式。外置光源設計是應用較早且較為簡單的光照方式，照射方向包括單側、雙側和環(huán)周型，其最大優(yōu)點是可以利用太陽光，但光的損失較大、利用率低，若采用人工光源則耗能較大。內(nèi)置光源可以解決光利用率低的問題，如公開號分別為CN101402915A (2008年)，CN2199988 (1994年)等中國專利，將光源安裝在反應器內(nèi)部中心位置。但是，無論是內(nèi)置光源還是外置光源，尤其是菌懸液密度較高時，光源照射的光程范圍受到限制，因此，反應器內(nèi)徑(柱型)或厚度(箱型)不能太大，否則反應器內(nèi)部特定區(qū)域光強很弱，甚至出現(xiàn)暗區(qū)。通過循環(huán)攪拌，菌體只能在光強合適的范圍內(nèi)生長，嚴重影響了光合細菌的生長速率，延長生長周期。因此，反應器的容積不會太大，為了彌補這一缺陷，中國專利CN201301313 (2008年)設計了中心內(nèi)置和外置光源的組合光照的方式，使得反應器的容積有所提高，但同樣受到光源照射的光程范圍限制，反應器的容積仍然不會太大，達不到大規(guī)模生產(chǎn)能力的要求，而外置光源光利用率低，這樣的設計不能滿足低成本、節(jié)能和規(guī)?；a(chǎn)的需要。解決該問題的策略是在光合生物反應器內(nèi)部設置多點光源，如專利號分別為 CN2918431Y (2006 年)、CN1088893 (2005 年)和 CN2301448 (1997 年)等中國專利，在培養(yǎng)裝置中設置了多點光源。這種設計的特點是根據(jù)需要在反應器內(nèi)均勻布光，罐式反應
器內(nèi)徑可以大幅度提高，可以根據(jù)材料承受的耐壓程度和生產(chǎn)需要實現(xiàn)反應器的大噸位設計。若不考慮利用太陽光，則可以將罐體設計為金屬材料制造。但是太陽光強度高，用之不竭、取之不盡，如何即能良好地利用太陽光，又能實現(xiàn)大噸位制造，是光生物反應器發(fā)展的方向。張全國課題組申報的中國專利公開號為CN2918431Y (2006年)和發(fā)表的研究論文，期刊《可再生能源》，2010年38卷第三期，9擴102頁，采用聚光器、耦合器和光纖導光的方式，以及太陽能電池一LED燈光照的方式，乙太陽能為光源設計了光合微生物制氫反應器，符合能源發(fā)展趨勢，但是，受到太陽光收集面積龐大和太陽光不連續(xù)的限制，以及制造成本和占用空間面積太大，而且制造成本很高，目前很難實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。因此，本發(fā)明采用了內(nèi)置數(shù)組多組光源光生物反應器聯(lián)體設計，安裝在太陽房車間內(nèi)，以太陽光作為輔助光源，既合理地利用了太陽能，又能實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，而且能耗降低，成本較低，容易實施。光源和光照強度的設計對于光生物反應器是非常重要的。目前反應器光源設計僅考慮了光源的數(shù)量和強度，并未考慮反應器中菌懸液濁度對光強的影響，光在懸液中衰減，內(nèi)層出現(xiàn)暗區(qū)，光合細菌僅在光強合適區(qū)域生長，嚴重影響了生產(chǎn)效率。因此，光生物反應器內(nèi)部光源之間的距離，對光合細菌具有重要影響。在光反應器運行過程中，內(nèi)置光源反應器又遇到一個至關重要的問題。光合細菌具有趨旋光性，貼壁現(xiàn)象十分嚴重，嚴重地影響了光的穿透率，制約了光合細菌的生長速率。黃海智(CN2616547Y，2003年)設計了一種外置光源的立式光合細菌培養(yǎng)裝置，在裝置中央安裝了螺桿帶動罐壁刷和底部攪拌式清洗罐壁的方法。黃旭雄等(CN101402915A，2008年)提出了磁性驅(qū)動的罐內(nèi)壁刷和鋼絲提拉的環(huán)形光源管壁刷的方法。這些設計和方法，僅限于解決罐壁或中央單列內(nèi)置光源管上的貼壁問題，且磁性驅(qū)動的罐內(nèi)壁刷操作繁瑣費，提拉光源管壁刷的鋼絲容易被空氣污染，且不能對提拉鋼絲進行有效的滅菌，很難保證純培養(yǎng)。因此，內(nèi)置多組光源反應器內(nèi)壁和內(nèi)置光源光合細菌貼壁問題，亟待解決，以便光照效率低，實現(xiàn)光合細菌的高效培養(yǎng)。在光合細菌培養(yǎng)和操作過程中，光合反應器并不是完全密閉的，不可避免地與外界發(fā)生氣體交換，即使是密封的體系，培養(yǎng)液進入或菌懸液排出時，反應器內(nèi)部將有氣體的排出和吸入，反應器內(nèi)部很容易被空氣雜菌污染，或者反應器內(nèi)部培養(yǎng)的細菌污染空氣。傳統(tǒng)的好氧發(fā)酵罐，依賴于通空氣產(chǎn)生罐壓，使罐內(nèi)氣體外排，而大多光合細菌培養(yǎng)需要厭氧培養(yǎng)，并不需要通氣，如何保障罐內(nèi)外氣交換而不產(chǎn)生污染。張肇銘等(CN2232920Y，1995年)，曾在光合細菌培養(yǎng)裝置上設計了膨脹箱，通過膨脹箱與培養(yǎng)裝置內(nèi)部之間的連通管，來調(diào)節(jié)培養(yǎng)裝置內(nèi)部和外部的壓力平衡，這種設計還不夠完善，容易導致培養(yǎng)裝置內(nèi)部被空氣污染。而目前采用非金屬透光材料設計制造的光合反應器，難以進行徹底滅菌，也無法保證內(nèi)外氣體的無菌交換。因此 進行氣體交換，保證排出和吸入罐內(nèi)的氣體過濾凈化、免受污染、提高培養(yǎng)菌體的純度是非常必要的。光合細菌高密度生長，除了控制起始培養(yǎng)基營養(yǎng)成分、起始pH、光照、溫度和液體均勻程度外，培養(yǎng)過程中的溶氧、pH、和營養(yǎng)成分等每一個因素都會限制菌體的高密度培養(yǎng)。因此，方便、簡單、及時地調(diào)整生長過程中的溶氧(厭氧程度)、PH和補充營養(yǎng)，是高密度培養(yǎng)的前提。當培養(yǎng)過程中，菌體生長旺盛時、或特殊的代謝時期，菌體代謝會產(chǎn)生大量的氣體，產(chǎn)生逃液，容易導致污染和菌懸液的損失，應該設計消泡裝置。而現(xiàn)有光生物反應器對培養(yǎng)過程中的溶氧、PH和補料的控制、以及消泡裝置和控制設計被忽視，應該根據(jù)培養(yǎng)菌種和培養(yǎng)條件的要求配置這些控制裝置，才能實現(xiàn)光合細菌的高效、高密度、純培養(yǎng)。反應器中頂空氣體和培養(yǎng)液中溶解的氣體，對光合細菌的生長繁殖也有重要的影響。尤其是對氧敏感細菌來說，溶解中培養(yǎng)液中的氧氣對菌體生長具有抑制作用，如何脫除溶氧也是實現(xiàn)高密度培養(yǎng)的重要因素。而對一些微好氧細菌來說，提供適量的氧氣也是必要的。對培養(yǎng)自養(yǎng)細菌來說，需要補充C02氣體營養(yǎng)，同時C02也具有調(diào)節(jié)pH的作用。對厭氧菌或固氮菌來說提供氮氣對維持罐壓、避免污染、保持菌體良好生長也是必要的。因此，反應器系統(tǒng)中脫氧、供氧、補充營養(yǎng)、維持厭氧環(huán)境、調(diào)節(jié)pH和維持罐壓，對于培養(yǎng)不同類群的光合細菌而言，在反應器上設計安裝抽真空裝置和供給無菌氣裝置也是必要的。光生物反應器及其與反應器連接的裝置和連接管線能否徹底滅菌，是光合細菌純培養(yǎng)的關鍵。黃遵錫等(CN 2575103Y)為代表的采用金屬材料制備的反應器，光照采用耐高溫玻璃窗光照設計，其優(yōu)點是能采用高溫的方式滅菌，能夠達到純培養(yǎng)。但其采用外置光源，光利用率低，罐容積較小，而且也沒有解決光合細菌趨光貼壁問題，培養(yǎng)光合細菌的效率和密度較低。目前，絕大多數(shù)大型光生物反應器和內(nèi)置光源管都采用非金屬透光材料設計制造，采用傳統(tǒng)的高溫滅菌和蒸汽滅菌很不安全，甚至損壞反應器。雖然這些透光材料化學性質(zhì)穩(wěn)定，具有很強的抗腐蝕性，可以使用常規(guī)的化學消毒劑消毒，但很難達到徹底滅菌的要求，而且有殘留。因而采用這類光生物反應器，滅菌不徹底，通常采用加大菌種的接種量培養(yǎng)優(yōu)勢菌群，因而很難達到純培養(yǎng)的要求。如何解決這類光生物反應器徹底滅菌問題，是高效、高質(zhì)量、純培養(yǎng)光合細菌的關鍵。因此，建立一種適合于現(xiàn)有透光材料制造的光生物反應器、操作簡便、節(jié)能的滅菌方法是非常必要的。有鑒于此，本發(fā)明人對純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器及其滅菌方法進行了研究和改進,本案由此產(chǎn)生
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有生產(chǎn)光合細菌培養(yǎng)設備存在的反應器內(nèi)壁及光源管外壁容易被光合細菌貼壁引起的光照穿透力降低的問題，及反應器內(nèi)外氣體的進出容易造成染菌的問題，依據(jù)光合細菌生長的要素和特點，本發(fā)明提供了一種適用于厭氧、微好氧和耐氧等不同類群光合細菌高效純培養(yǎng)的光生物反應器系統(tǒng)。同時為該反應器系統(tǒng)提供了一種操作簡便、節(jié)能、徹底滅菌的方法。為達成上述目的，本發(fā)明的解決方案為一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，包括反應器罐體、光照系統(tǒng)、清洗裝置、進液口、出液口、循環(huán)管道、循環(huán)泵、補料裝置、進水控制系統(tǒng)、氣體供給裝置、配料罐及排污口 ；反應器罐體為立柱式全透明的封閉容器；光照系統(tǒng)為內(nèi)置光源系統(tǒng)，在反應器罐體內(nèi)均勻數(shù)組安裝多列光源，多列光源開關可分組控制；清洗裝置與多列光源配合安裝在反應器罐體上；進液口設置在反應器罐體側壁的上方；出液口設置在反應器罐體底部；循環(huán)管道連接在進液口和出液口上；循環(huán)泵和補料裝置設置在循環(huán)管道上；進水控制系統(tǒng)設置在反應器罐體頂部；氣體供給裝置、配料罐及排污口設置在反應器罐體底部；清洗裝置包括轉動件、軸封、螺桿、圓形多孔板及轉動清洗頭，螺桿設置在反應器罐體中心，螺桿上端 穿過反應器罐體頂部與軸封密封連接，轉動件安裝在螺桿頂部，圓形多孔板上設有與光源相配合的通孔、供液體流動的透液孔及供螺紋套管固定的中心孔，邊緣鑲嵌毛刷，光源相配合的通孔邊緣鑲有硅膠環(huán)，中心孔設有螺紋段，螺桿穿過中心孔，將圓形多孔板活動固定于螺桿上，轉動清洗頭固定在螺桿底部，其下邊緣與反應器罐體底部相配合并設置毛刷。進一步，還包括氣體交換器，由中央濾芯管、濾布、外罩、法蘭及排氣管組成；中央濾芯管上端密封，下端開口，在靠近上端處分布氣孔，形成氣孔區(qū)；濾布纏繞在氣孔區(qū)，形成濾布區(qū)；外罩將濾布區(qū)套入其中，用法蘭將中央濾芯管和外套緊密連接；排氣管設有閥門，安裝在外罩頂部，氣體交換器，用于光生物反應器內(nèi)外氣體的無菌交換，通過閥門控制反應器內(nèi)外氣體的交換量，保持適宜的罐壓。進一步，反應器罐體由透光、耐壓的有機玻璃管材和上下封頭構成的立柱型容器，下封頭為半圓形結構，上封頭為半圓形、盤形或平板形結構；反應器罐體與封頭通過可拆裝的方式連接在一起，反應器罐體上下端焊接法蘭，封頭邊緣具有法蘭，通過法蘭和螺栓將反應器罐體與封頭連接，連接的法蘭之間設有硅橡膠密封墊；反應器罐體內(nèi)徑為150mm 1200mm,耀體高度為 300mm 3200mm。進一步，光源系統(tǒng)由內(nèi)置多組數(shù)組光源組成，多組數(shù)組光源在罐內(nèi)均勻、豎直排列，光源組的數(shù)量依據(jù)反應器罐體的直徑和所需要的光程而定；每一組光源由光源、透光套管和光源控制器組成；光源管下端密封，上端開口，上端安裝在反應器的上封頭上，下端穿置懸掛于圓形多孔平板上，光源管材質(zhì)為透明的有機玻璃，長度為300mnT3300mm,內(nèi)徑45mnT80mm;光源安裝在每一只光源套管內(nèi)，每一只光源套管中可以安裝多個日光燈光源，多組光源的導線連接到光源控制器上。光源和光照強度的設計對于光生物反應器是非常重要的。目前反應器光源設計僅考慮了光源的數(shù)量和強度，并未考慮反應器中菌懸液濁度對光強的影響，光在懸液中衰減，內(nèi)層出現(xiàn)暗區(qū)，光合細菌僅在光強合適區(qū)域生長，嚴重影響了生產(chǎn)效率。因此，光生物反應器內(nèi)部光源之間的距離，對光合細菌具有重要影響。經(jīng)過測試，設計了光源管外壁之間的距離。所述的反應器罐體數(shù)組內(nèi)光源組的數(shù)量與罐體內(nèi)徑有關，內(nèi)徑大，光源組數(shù)量多。光源平行于罐體，排列在罐體中心，或者在以罐體為中心同心圓，均勻排列，光源管外壁之間的距離為100mnT200mm。例如反應器內(nèi)徑15(T200mm，在罐體中心安裝I組光源；直徑30(T400mm，安裝3 4組光源，均位于與罐體平行的I個同心圓上；內(nèi)徑約600mm，安裝12^13組光源，位于2個同心圓上，一個同心圓上為3 4組，第二個同心圓上擴10組；內(nèi)徑約1200mm，安裝27 28組光源，位于3個同心圓上。在每一個光源套管中，安裝光源的數(shù)量可以是I只只，采用的光源為(節(jié)能型)日光燈或高亮度LED燈帶或其它光源。多個光源套管內(nèi)光源導線可以連接到多個控制開關上分別控制。在光合細菌培養(yǎng)的前期、中期和后期，隨著反應器中菌懸液的密度增加而增加光源的開啟數(shù)目。進一步，光生物反應器通過自身的進液口和出液口相連，至少共享抽真空裝置、供氣裝置及補料裝置中的一套，形成多聯(lián)多控反應器，或者光生物反應器通過串聯(lián)的方式，將反應器的進液口與另一反應器的出液口相連，整體連成一個反應器，形成多聯(lián)單控反應器；一組多聯(lián)反應器安裝在一個聯(lián)體金屬支架上，一組串聯(lián)的多聯(lián)單控反應器連接反應器的數(shù)量為2、個。按連接的方式和控制方式，將多聯(lián)反應器分為多聯(lián)多控反應器和多聯(lián)單控反應器。多聯(lián)多控是將多個反應器安裝在一個聯(lián)體金屬支架上，將每一個反應器上部出(進)液口與自身的下部進(出)液口，通過循環(huán)管道連接起來，每個反應器自帶一套循環(huán)泵裝置、溫度及控制裝置、PH調(diào)節(jié)和補料裝置、抽真空裝置、供氣裝置、氣體交換裝置，也可以通過閥門控制共享一套抽真空裝置、供氣裝置、補料裝置；每個反應器的參數(shù)分別控制、獨立操作，適用于菌種的生產(chǎn)和反應參數(shù)的實驗研究，操作靈活；多聯(lián)單控反應器，以串聯(lián)的方式，通過連接管道，將一個反應器上部進(出)液口與另一個反應器下部的出(進)液口連接，而上部進(出)液口再與另一個反應器下部的出(進)液口連接，如此連接，最后一個反應器上部進(出)液口，與第一個反應器的下部出(進)液口連接，安裝在一個聯(lián)體金屬支架上，構成一組多聯(lián)反應器，整體連成一個大的反應器，反應器參數(shù)整體控制，多聯(lián)反應器共享一套循環(huán)泵裝置、溫度及控制裝置、PH調(diào)節(jié)和補料裝置、氣體交換裝置、抽真空和供氣裝置。進一步，循環(huán)管道還設有控溫裝置、pH測量裝置及其控制裝置、溶氧測量裝置；控溫裝置安裝在循環(huán)管管道上，溫度顯示器的傳感探頭安裝在反應器的循環(huán)管道上，可多點安裝。溫度控制器由電加熱器和水循環(huán)熱交換器共同構成，連接在循環(huán)管道上，電加熱管設置一只以上，每只功率SOOwlOOOw，用于迅速提高反應器中液體的溫度，達到所設置的控制溫度后，關閉電源，將其中一只作為主要控制電加熱管，用于反應器溶液保持溫度恒定，水循環(huán)熱交換器也可以進行反應器中液體的加溫和降溫，溫度控制范圍在20°C 45°C范圍內(nèi) 任意控制，超過所設置的安全控制溫度后，水循環(huán)熱交換器自動斷電，并警報；PH測量裝置及其控制裝置，用于在線檢測和調(diào)節(jié)光合細菌懸液的酸堿度，PH測量裝置由電極和顯示器組成，PH調(diào)節(jié)控制裝置由加酸罐、加堿罐、流量控制器(蠕動泵或氣泵)、連接管線組成，pH裝置可拆卸、可選配；溶氧測量裝置，用于在線檢測光合細菌懸液的溶氧，溶氧儀可拆卸，可選配。所述的光生物反應器系統(tǒng)中的液體主要采用循環(huán)方式攪拌。將液體循環(huán)泵(優(yōu)選電磁泵)安裝在循環(huán)連接管道上，驅(qū)使液體按一定方向循環(huán)。優(yōu)先采用的循環(huán)方向上部出液口流出液體，通過循環(huán)管道，由下進液口流回反應器，也可以采用方向相反的方式。進一步，補料裝置用于培養(yǎng)系統(tǒng)中營養(yǎng)物質(zhì)的補充，由廣3個補料罐和流量控制裝置構成，補料罐的容積為500mf 100L，流量控制裝置使用蠕動泵控制，或者采用氣泵控制，補料罐容積大小和控制方式依據(jù)反應器容積而定，補料裝置可拆卸、可選配。進一步，供氣裝置，用于反應器內(nèi)部少量氣體的供給。供給氣體為氮氣、CO2氣體或其它氣體，多種氣體可一種或多種按比例供給，用于調(diào)節(jié)反應器罐壓、溶氧，輔助氣流攪拌、供給氣體營養(yǎng)。供氣裝置由氣泵、氣體鋼瓶、儲氣罐、總過濾器、分過濾器、氣體分布環(huán)和連接管道組成。不同氣體經(jīng)過各自的總過濾器過濾，過濾氣體通過連接管道分別與多個分過濾器的進氣口連接，每個分過濾器的凈化空氣通過出氣口和供氣管道與多個反應器的進氣口連接。氣體供給通過氣體分布環(huán)供氣，氣體分布環(huán)由不銹鋼管制成，呈環(huán)狀，分布開孔，一端封閉成盲端，一端為進氣口，進氣口通過管道和閥門與供氣管道連接，每分鐘的供氣量為反應器容積的0 10%。
進一步，還包括抽真空裝置，安裝于氣體交換器的排氣管上，用于罐體內(nèi)部抽真空、或者罐內(nèi)物料的脫氣調(diào)節(jié)溶氧、也可以作為反應器進料的一種方式，抽真空裝置包括真空泵、緩沖罐、氣體過濾器和相應的連接管道組成；通過連接管道和閥門，一臺真空泵控制多個反應器抽真空。進一步，還包括消泡裝置，消泡裝置包括消泡劑罐，通過連接管道和閥門控制，一套消泡裝置可以給多個光生物反應器補加消泡劑，消泡劑罐可拆卸，可選配。消泡劑罐上有進氣接口，通過閥門控制與凈化空氣管道連接，通過高壓凈化過濾氣體提供動力，調(diào)節(jié)閥門控制消泡劑進入光合生物反應器內(nèi)。消泡劑罐的容積為500mf 100L。一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器的滅菌方法，臭氧發(fā)生器安裝在光生物反應器上，利用臭氧對光生物反應器內(nèi)部、連接的管道和閥門內(nèi)部進行滅菌。適合于反應器排空后殘留微生物菌體的滅活，以及清洗后進料前，反應器空罐的滅菌。臭氧滅菌裝置是臭氧發(fā)生器，將臭氧發(fā)生器的臭氧輸出口與輸出管道相連。臭氧進氣口位于反應器底部，進氣口通過管道和閥連接到臭氧輸出管道上，反應器及其所有的接管道，通過閥門控制連接到臭氧排氣管上，與相應的氣體交換器連接，通過氣體交換器排出室外。通過管道和閥門控制，一臺臭氧發(fā)生器能對多個光生物反應器進行滅菌。其特征在于臭氧發(fā)生器安裝在光生物反應器上，利用臭氧對光生物反應器進行滅菌。進一步,臭氧通氣量為反應器容積的4 8倍,繼續(xù)通氣60min"80min,先關閉氣體排出閥，再關閉臭氧氣體進入閥，反應器內(nèi)部的臭氧氣體在反應器中保持40mirT60min，即可達到徹底滅菌，滅菌后殘余的臭氧氣體通過氣體交換器排出室外。進一步，將反應器抽真空后，再通入臭氧滅菌。真空度達到0. 05MPa^0. 08MPa，關閉真空泵和抽真空管道閥門，開啟臭氧發(fā)生器和臭氧氣體管道閥門，通入臭氧氣體，通氣量達到反應器容積的4、倍,開啟排氣閥門，繼續(xù)通入臭氧氣體40mirT60mim,關閉排氣閥門和臭氧進氣控制閥門，臭氧在光生物反應器中保持20mirT40min，即可達到徹底滅菌，滅菌后殘余的臭氧氣體通過氣體交換器排出室外。一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器系統(tǒng)及其滅菌方法的應用，適用于高純度、高密度培養(yǎng)厭氧、耐氧及兼性光合細菌。采用本發(fā)明的光生物反應系統(tǒng)及其滅菌方法后，具有如下優(yōu)點本發(fā)明采用高透光材料設計制造的立柱式反應器內(nèi)部數(shù)組安裝了均勻分布的多組光源而且分組控制，具有反應器內(nèi)壁和多組內(nèi)置光源管外壁專用清洗裝置，克服了外置人工光源光照效率低的缺陷、內(nèi)置單光源照射光程范圍有限而無法增大反應器罐體內(nèi)徑的限制、以及光合細菌趨光和嚴重的貼壁效應。內(nèi)置多組均勻分布光源，不需要安裝外置人工光源，能夠完全滿足光照要求，而設計高透光立柱式反應器，有利于輔助利用自然太陽光，節(jié)省能源。再者，清洗裝置隨時高效清洗反應器內(nèi)壁和多組光源管外壁，解決了光合細菌培養(yǎng)過程中的趨光貼壁難題，光照強度高，光利用率高、有利于光合細菌高密度培養(yǎng)，有利于反應器罐體內(nèi)徑大，有利于制造大型規(guī)?；馍锓磻鳎m合于光合細菌的工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)?，F(xiàn)有技術重點考慮了光照、溫度和培養(yǎng)液的攪拌或循環(huán)的設計，而忽略了在光生物反應器如何實現(xiàn)控制溶氧(抽真空、充氣等裝置)、調(diào)節(jié)控制pH和補料裝置的設計。本發(fā)明反應器設計安裝了溶氧、pH和補料的調(diào)節(jié)和控制裝置，采用了保持光生物反應器內(nèi)壁光滑平整的設計，將這些裝置安裝在循環(huán)管道上，以利于反應器內(nèi)壁貼壁光合細菌的清除，這些裝置也作為可選配置，根據(jù)需要匹配。溶氧、PH和營養(yǎng)成分也是光合細菌生長重要的限制因子，與光照、溫度和攪拌協(xié)調(diào)匹配才能實現(xiàn)菌體高密度培養(yǎng)，其中一個因素不合適即達 不到高密度培養(yǎng)目的。本發(fā)明采用組合式多聯(lián)體設計，即多個反應器可以進行多聯(lián)單控和多聯(lián)多控操作。多聯(lián)單控反應器是將多個反應器連接在一起，其本質(zhì)是一個反應器，統(tǒng)一控制光照、溫度、循環(huán)攪拌、抽真空、充氣、排氣、PH調(diào)節(jié)和補料。多聯(lián)單控反應器的特點是多個反應器公用一套循環(huán)泵裝置、一套溫度及控制裝置、一套PH調(diào)節(jié)和補料裝置、一套氣體交換裝置以及一套抽氣排氣裝置。生產(chǎn)規(guī)模更大，適用于規(guī)模化生產(chǎn)，使不同反應器中產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定一致，減少了逐個控制的工作量和操作的不一致性，提高了工作效率，降低成本。多聯(lián)多控反應器是將多個反應器安裝在一個聯(lián)體底座上，每個反應器分別控制、獨立操作。多聯(lián)多控反應器的特點除了公用一套抽氣排氣裝置外，每個反應器自帶一套循環(huán)泵裝置、一套溫度及控制裝置、一套PH調(diào)節(jié)和補料裝置、一套氣體交換裝置，適用于菌種的生產(chǎn)和反應參數(shù)的實驗研究，操作靈活。本發(fā)明反應器設計了內(nèi)部清洗器，包括滅菌、涮洗，清洗過程不需要開罐和拆卸即可完成，解決了光生物反應器，尤其是多組內(nèi)置光源反應器拆卸清洗的難題。反應器物料排出后，啟動滅菌裝置，滅菌后，開啟進水裝置和刷洗裝置清洗反應器內(nèi)壁、光源管壁和底部封頭內(nèi)壁，操作更加方便簡單省時。特別適合于內(nèi)置多組光源的大型反應器，光源在罐內(nèi)排列密集，光源管固定在上封頭(頂蓋)。尤其是大型反應器和多反應器的組合，假如每個反應器均需拆卸清洗，繁瑣費時。本發(fā)明也可以采用傳動桿控制裝置同時控制多聯(lián)體光生物反應器每一個反應器的清洗裝置，可實現(xiàn)機械化控制，可隨時或連續(xù)清洗多聯(lián)反應器內(nèi)壁和多組內(nèi)置光源管壁，解決了逐個清洗多聯(lián)體反應器的問題。省時、快捷、節(jié)省人力、操作簡單。本發(fā)明克服了現(xiàn)有光透明材質(zhì)設計制造的光生物反應器滅菌不夠徹底的現(xiàn)象，針對現(xiàn)有光生物反應器提供了一種常溫、安全的滅菌方法和滅菌工藝。利用臭氧對反應器、連接的附屬設備和連接管道進行滅菌，滅菌徹底，操作簡單，節(jié)能?，F(xiàn)有以高分子透明材料制造大容量光生物反應器，尤其是內(nèi)置光源管，采用高溫滅菌不安全，通常以大接種量，培養(yǎng)優(yōu)勢菌，而不是真正意義上的純培養(yǎng)。通過滅菌，減少污染，保證了光合細菌的高純度培養(yǎng)，也避免了反應器清洗向環(huán)境中排放大量的活菌，有效地避免了培養(yǎng)菌株被噬菌體感染的機


圖1本發(fā)明的光生物反應系統(tǒng)結構示意圖；圖2本發(fā)明的清洗裝置示意圖；圖3本發(fā)明的圓形多孔板示意圖；圖4本發(fā)明的氣體交換器結構示意圖。反應器罐體I光照系統(tǒng)2清洗裝置3進液口 4出液口 5循環(huán)管道6循環(huán)泵7補料裝置8進水控制系統(tǒng)9氣體供給裝置10配料罐控制裝置11排污口 12溫度顯示器13溶氧電極裝置14電加熱裝置15水循環(huán)熱交換器16pH測量裝置17取樣裝置18pH調(diào)節(jié)裝置19室外排氣管道20抽真空裝置21氣體交換裝置22消泡裝置23儲罐控制裝置24臭氧滅菌控制裝置25轉動件31軸封32螺桿33圓形多孔板34光源相配合的通孔341供液體流動的透液孔342中心孔343邊緣鑲嵌毛刷344轉動清洗頭35中央濾芯管221濾布222外罩223法蘭224排氣管22具體實施例方式實施例1光生物反應器系統(tǒng)光生物反應器系統(tǒng)包括反應器罐體1、光照系統(tǒng)2、清洗裝置3、進液口 4、出液口 5、循環(huán)管道6、循環(huán)泵7、補料裝置8、進水控制系統(tǒng)9、氣體供給裝置10、配料罐控制裝置11、排污口 12、溫度顯示器13、溶氧電極裝置14、電加熱裝置15、水循環(huán)熱交換器16、pH測量裝置17、取樣裝置18、pH調(diào)節(jié)裝置19、室外排氣管道20、抽真空裝置21、氣體交換裝置22、消泡裝置23、儲罐控制裝置24 ;反應器罐體I為立柱式全透明的封閉容器；光照系統(tǒng)2為內(nèi)置光源系統(tǒng)，在反應器罐體I內(nèi)均勻數(shù)組安裝多列光源，多列光源開關可分組控制；清洗裝置3與多列光源配合安裝在反應器罐體I上；進液口 4設置在反應器罐體I底部；出液口 5設置在反應器罐體I側壁的上方；循環(huán)管道6連接在進液口 4和出液口 5上；循環(huán)泵7、補料裝置8、溫度顯示器13、溶氧電極和顯示器14、電加熱裝置15、水循環(huán)熱交換器16、pH測量裝置17、取樣裝置18、pH調(diào)節(jié)裝置19設置在循環(huán)管道6上；進水控制系統(tǒng)9及消泡裝置23設置在反應器罐體I頂部；氣體供給裝置10、配料罐控制裝置11、儲罐控制裝置24及排污口 12設置在反應器罐體I底部；室外排氣管道20、抽真空裝置21設置在氣體供給裝置10上。臭氧滅菌控制裝置25連接在罐體底部，經(jīng)過反應器罐體到氣體交換器排出室外，用于反應器罐體內(nèi)部滅菌；通過反應器罐體與各連接的管道相通，各連接管道通過閥門控制與臭氧排氣管連接，匯合于另一個氣體交換器排出室外，用于反應器所有連接的管道滅菌。實施例2清洗和控制裝置清洗裝置3包括轉動件31、軸封32、螺桿33、圓形多孔板34及轉動清洗頭35，螺桿33設置在反應器罐體I中心，螺桿33上端穿過反應器罐體I頂部與軸封32密封連接，轉動件31安裝在螺桿33頂部，圓形多孔板34上設有與光源相配合的通孔341，、供液體流動的透液孔342及中心孔343，光源相配合的通孔邊緣鑲嵌硅橡膠環(huán)，圓形多孔板邊緣鑲嵌毛刷344，中心孔343設有螺紋段，螺桿33穿過中心孔343的螺紋段，將圓形多孔板34活動 固定于螺桿33上，轉動清洗頭34固定在螺桿33底部，其下邊緣與反應器罐體I底部相配合并設置毛刷。實施例3氣體交換器如圖4所示，氣體交換器22，材質(zhì)為硬質(zhì)塑料管，由中央濾芯管221、濾布222、外罩223、法蘭224及排氣管225組成；中央濾芯管221上端密封，下端開口，在靠近上端處分布氣孔，形成氣孔區(qū)；濾布222纏繞在氣孔區(qū)，形成濾布區(qū)；外罩將濾布區(qū)套入其中，用法蘭224將中央濾芯管221和外罩223緊密連接；排氣管225設有閥門，安裝在外罩223頂部，氣體交換器，用于光生物反應器內(nèi)外氣體的無菌交換，通過閥門控制反應器內(nèi)外氣體的流量，保持適宜的罐壓。實施例4直接通入臭氧滅菌方法八聯(lián)單控圓柱型光生物反應器，反應器罐體內(nèi)徑為0. 40m,高為2. Om,反應器總容積約為2m3，反應器內(nèi)部數(shù)組4列平行光源。采用臭氧產(chǎn)量為100g/h、流量約為0. 5^0. Sm3/min的臭氧發(fā)生器。關閉反應器其它相關閥門，打開氣體交換器閥門，啟動臭氧發(fā)生器，通氣量約達反應器容積的4倍，繼續(xù)通氣60min，先關閉氣體排出閥，再關閉臭氧氣體進入閥，反應器內(nèi)部的臭氧氣體在反應器中保持40min，滅菌后殘余的臭氧氣體通過氣體交換器排出室外。將滅菌的液體培養(yǎng)基泵入反應器內(nèi)，開啟循環(huán)泵，使液體在反應器中循環(huán)10分鐘，無菌操作從反應器中取50ml培養(yǎng)基，加入含有IOOml肉湯培養(yǎng)基的500ml三角瓶中，間隔I分鐘取樣，重復取樣6次，于30°C培養(yǎng)48小時，培養(yǎng)液澄清未見渾濁，表明反應器滅菌徹底。另外，延長通入臭氧的時間以及關閉臭氧后延長臭氧在反應器中的保持時間，也未見培養(yǎng)液渾濁。實施例5先抽真空再通入臭氧滅菌方法四聯(lián)單控圓柱型光生物反應器，反應器罐體內(nèi)徑為0. 40m,高為2. Om,容積約為Im3,反應器內(nèi)部數(shù)組4列平行光源。采用臭氧產(chǎn)量為100g/h、流量約為0. 5^0. SmVmin的臭氧發(fā)生器。將反應器抽真空，真空度達到O.OSMPa，關閉真空泵和抽真空管道閥門，開啟臭氧發(fā)生器和臭氧氣體管道閥門，通入臭氧氣體，通氣量達到反應器容積的41倍，開啟排氣閥門，繼續(xù)通入臭氧氣體40min,關閉排氣閥門和臭氧進氣控制閥門，臭氧在光生物反應器中保持20min，滅菌后殘余的臭氧氣體通過氣體交換器排出室外。將滅菌的液體培養(yǎng)基泵入反應器內(nèi)，開啟循環(huán)泵，使液體在反應器中循環(huán)10分鐘，無菌操作取50ml培養(yǎng)基，加入含有IOOml肉湯培養(yǎng)基的500ml三角瓶中，間隔I分鐘取樣，重復取樣6次，于30°C培養(yǎng)48小時，培養(yǎng)液澄清未見渾濁，表明反應器滅菌徹底。另外，延長通入臭氧的時間以及關閉臭氧后延長臭氧在反應器中的保持時間，也未見培養(yǎng)液渾濁?！?br> 權利要求
1.一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，包括反應器罐體、光照系統(tǒng)、清洗裝置、進液口、出液口、循環(huán)管道、循環(huán)泵、補料裝置、進水控制系統(tǒng)、氣體供給裝置、配料罐及排污口，反應器罐體為立柱式全透明的封閉容器，反應器內(nèi)外通過氣體交換器交換氣體，光照系統(tǒng)為內(nèi)置光源系統(tǒng)，在反應器罐體內(nèi)數(shù)組安裝多列光源，清洗裝置與多列光源配合安裝在反應器罐體上，其特征在于清洗裝置包括轉動件、軸封、螺桿、圓形多孔板及轉動清洗頭，螺桿設置在反應器罐體中心，螺桿上端穿過反應器罐體頂部與軸封密封連接，轉動件安裝在螺桿頂部，圓形多孔板上設有與光源相配合的通孔、供液體流動的透液孔及供螺紋套管固定的中心孔，邊緣鑲嵌毛刷，中心孔設有螺紋段，螺桿穿過中心孔，將圓形多孔板活動固定于螺桿上，轉動清洗頭固定在螺桿底部，其下邊緣與反應器罐體底部相配合并鑲嵌毛刷。
2.如權利要求1所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，其特征在于還包括氣體交換器，由中央濾芯管、濾布、外罩、法蘭及排氣管組成；中央濾芯管上端密封，下端開口，在靠近上端處分布氣孔，形成氣孔區(qū)；濾布纏繞在氣孔區(qū)，形成濾布區(qū)；外罩將濾布區(qū)套入其中，用法蘭將中央濾芯管和外套緊密連接；排氣管設有閥門，安裝在外罩頂部。
3.如權利要求1所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，其特征在于反應器罐體由透光、耐壓的有機玻璃管材和上下封頭構成的立柱型容器，下封頭為半圓形結構，上封頭為半圓形、盤形或平板形結構；反應器罐體與封頭通過可拆裝的方式連接在一起，反應器罐體上下端焊接法蘭，封頭邊緣具有法蘭，通過法蘭和螺栓將反應器罐體與封頭連接，連接的法蘭之間設有硅橡膠密封墊；光源系統(tǒng)由內(nèi)置多組數(shù)組光源組成，多組數(shù)組光源在罐內(nèi)均勻、豎直排列，光源組的數(shù)量依據(jù)反應器罐體的直徑和所需要的光程而定；每一組光源由光源、透光套管和光源控制器組成，透光套管下端密封，上端開口，上端安裝在反應器的上封頭上，下端懸掛穿過圓形多孔平板上的與光源相配合的通孔，通孔邊緣鑲有硅膠環(huán)，透光套管材質(zhì)為透明的有機玻璃，光源安裝在透光套管內(nèi)，多組光源的導線連接到光源控制器上。
4.如權利要求1所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，其特征在于光生物反應器通過自身的進液口和出液口相連，至少共享抽真空裝置、供氣裝置及補料裝置中的一套，形成多聯(lián)多控反應器，或者光生物反應器通過串聯(lián)的方式，將反應器的進液口與另一反應器的出液口相連，整體連成一個反應器，形成多聯(lián)單控反應器；一組多聯(lián)反應器安裝在一個聯(lián)體金屬支架上，一組串聯(lián)的多聯(lián)單控反應器連接反應器的數(shù)量為21個。
5.如權利要求1所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，其特征在于循環(huán)管道上還設有控溫裝置、pH測量裝置及其控制裝置、溶氧測量裝置；控溫裝置包括溫度顯示器和溫度控制器，溫度顯示器安裝在循環(huán)管道上，溫度控制器由電加熱器和水循環(huán)熱交換器共同構成，連接在循環(huán)管道上；PH測量裝置由電極和顯示器組成，pH控制裝置由加酸罐、加堿罐、流量控制器、連接管線組成，PH測量及其控制裝置可拆卸、可選配；溶氧測量裝置可拆卸，可選配。
6.如權利要求1所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，其特征在于補料裝置，由廣3個補料罐和流量控制裝置構成，流量控制裝置使用蠕動泵控制，或者采用氣泵控制，補料裝置可拆卸、可選配；供氣裝置，不同氣體經(jīng)過各自的總過濾器過濾，過濾氣體通過連接管道分別與多個分過濾器的進氣口連接，每個分過濾器的凈化空氣通過出氣口和供氣管道與多個反應器的進氣口連接；氣體供給通過氣體分布環(huán)供氣，氣體分布環(huán)由不銹鋼管制成，呈環(huán)狀，分布開孔，一端封閉成盲端，一端為進氣口，進氣口通過管道和閥門與供氣管道連接；抽真空裝置，安裝于氣體交換器的排氣管上，抽真空裝置包括真空泵、緩沖罐、 氣體過濾器和相應的連接管道組成；通過連接管道和閥門，一臺真空泵控制多個反應器抽真空；消泡裝置，消泡裝置包括消泡劑罐，通過連接管道和閥門控制，一套消泡裝置可以給多個光生物反應器補加消泡劑，消泡劑罐可拆卸，可選配；消泡劑罐上有進氣接口，通過閥門控制與凈化空氣管道連接，通過高壓凈化過濾氣體提供動力，調(diào)節(jié)閥門控制消泡劑進入光合生物反應器內(nèi)。
7.一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器的滅菌方法，其特征在于臭氧發(fā)生器安裝在光生物反應器上，利用臭氧對光生物反應器進行滅菌；反應器及其連接管道，通過閥門控制連接到臭氧發(fā)生器上，與相應的氣體交換器連接，通過氣體交換器排出室外。
8.如權利要求7所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器的滅菌方法，其特征在于臭氧通氣量為反應器容積的Γ8倍，繼續(xù)通氣60mirT80min，先關閉氣體排出閥，再關閉臭氧氣體進入閥，反應器內(nèi)部的臭氧氣體在反應器中保持40mirT60min,滅菌后殘余的臭氧氣體通過氣體交換器排出室外。
9.如權利要求7所述的一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器的滅菌方法，其特征在于將反應器抽真空后，再通入臭氧滅菌，真空度達到O. 05MPa^0. 08MPa，關閉真空泵和抽真空管道閥門，開啟臭氧發(fā)生器和臭氧氣體管道閥門，通入臭氧氣體，通氣量達到反應器容積的4、倍,開啟排氣閥門，繼續(xù)通入臭氧氣體40mirT60mim,關閉排氣閥門和臭氧進氣控制閥門，臭氧在光生物反應器中保持20mirT40min,滅菌后殘余的臭氧氣體通過氣體交換器排出室外。
10.一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應器系統(tǒng)及其滅菌方法的應用，其特征在于 適用于高純度、高密度培養(yǎng)厭氧、耐氧及兼性光合細菌。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)，包括反應器罐體、光照系統(tǒng)、清洗裝置、進液口、出液口、循環(huán)管道、循環(huán)泵、補料裝置、進水控制系統(tǒng)、氣體供給裝置、配料罐及排污口，反應器罐體為立柱式全透明的封閉容器，光照系統(tǒng)為內(nèi)置光源系統(tǒng)，在反應器罐體內(nèi)均勻數(shù)組安裝多列光源，清洗裝置與多列光源配合安裝在反應器罐體內(nèi)，清洗裝置包括轉動件、軸封、螺桿、圓形多孔板及轉動清洗頭；采用本發(fā)明后，可以有效清除貼壁的光合細菌，提高生產(chǎn)效率；同時公開了一種高效純培養(yǎng)光合細菌的光生物反應系統(tǒng)的滅菌方法，采用臭氧滅菌的方法可以有效對本光生物反應系統(tǒng)進行滅菌。
文檔編號A61L2/20GK102994367SQ20121048035
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權日2012年11月22日
發(fā)明者楊素萍, 趙春貴, 孟寧生, 張永軍 申請人:華僑大學, 石家莊乾豐生物科技有限公司