專利名稱：一種利用微管系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的生物反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物反應(yīng)器領(lǐng)域，特別涉及一種利用微管系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的生物反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
生物反應(yīng)器是實(shí)現(xiàn)微生物發(fā)酵、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)，生產(chǎn)各種生物制品和發(fā)酵產(chǎn)品 的必備設(shè)備，其作用是強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，為微生物或動(dòng)植物細(xì)胞提供穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境。目前 已經(jīng)有多種生物反應(yīng)器問(wèn)世，如攪拌式反應(yīng)器、氣升式反應(yīng)器、氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器 等，它們能分別使用于某些特定物質(zhì)的生產(chǎn)，對(duì)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到重要的推動(dòng)作用。 但各自都有一定的缺陷，如攪拌式反應(yīng)器產(chǎn)生的剪切力對(duì)某些細(xì)胞的生長(zhǎng)有抑制作用而限 制了其更廣泛的應(yīng)用，攪拌所需的高能耗也大大提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，而氣相雙動(dòng)態(tài)固 態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器以氣體為介質(zhì)進(jìn)行氣體交換和強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱，不能進(jìn)行以液體為介質(zhì)的物質(zhì) 交換。也有人開(kāi)發(fā)了一種發(fā)酵罐(專利號(hào)200610017078. X)通過(guò)貼有壓電片的彈簧組固定 連接的柔性壁蠕動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)，這種發(fā)酵罐雖然可以使其中的物料產(chǎn)生位移，但 難以放大，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散出，很難應(yīng)用于工業(yè)化。針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明模仿 土壤與植物根系進(jìn)行物質(zhì)交換的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種在反應(yīng)器內(nèi)有類似于植物根系的管道的 生物反應(yīng)器，管道由若干剛性主管道和柔性微管道兩級(jí)管道系統(tǒng)組成，管道壁由微濾膜、超 濾膜或納濾膜做成，管道內(nèi)外的物質(zhì)如二氧化碳、氧氣、葡萄糖等和能量可通過(guò)管道壁進(jìn)行 交換。本生物反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)培養(yǎng)，克服攪拌式反應(yīng)器的剪切力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的不利影響， 由于不需要攪拌而大大降低生產(chǎn)能耗。本生物反應(yīng)器可用于厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵 和固態(tài)發(fā)酵，也適應(yīng)于動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)。近年來(lái)膜技術(shù)的發(fā)展迅速，已能夠廉價(jià)制備各種高效的微濾膜、超濾膜和納濾膜， 這就使本發(fā)明的管道壁的選擇提供了廣泛的材料，根據(jù)需要，管道的壁可以是微濾膜、超濾 膜或納濾膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的根據(jù)土壤與植物根系進(jìn)行物質(zhì)交換的特點(diǎn)，發(fā)明了一種利用微 管系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的生物反應(yīng)器，使發(fā)酵微生物或動(dòng)植物細(xì)胞在靜態(tài)的條件下能夠與外 界進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，克服攪拌式反應(yīng)器產(chǎn)生的剪切力對(duì)微生物和動(dòng)植物細(xì)胞的不利影 響、攪拌能耗高、氣相雙動(dòng)態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器只能以氣體為介質(zhì)進(jìn)行氣體交換和強(qiáng)化傳質(zhì) 傳熱等目前生物反應(yīng)器存在的缺陷。本發(fā)明的技術(shù)方案如下技術(shù)方案一種利用微管系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的生物反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)器為 圓柱狀，有進(jìn)料口和出料口，可以密封和利用蒸汽滅菌，在反應(yīng)器內(nèi)有類似于植物根系的管 道，管道由若干根剛性主管道和柔性微管道兩級(jí)管道系統(tǒng)組成，主管道入口端固定在反應(yīng) 器壁上，另一端向反應(yīng)器內(nèi)伸展，微管道一端封閉另一端與主管道相通，反應(yīng)器外面有可收 縮和舒張的囊與主管道相通，氣體或液體物質(zhì)通過(guò)囊進(jìn)入管道，并且在外力作用下使囊收縮和舒張，控制管道內(nèi)液體或氣體的壓力，管道壁由微濾膜、超濾膜或納濾膜做成，管道內(nèi) 外的物質(zhì)和能量可通過(guò)管道壁進(jìn)行交換。主管道內(nèi)徑為0. 5-5cm,其長(zhǎng)度為反應(yīng)器內(nèi)徑的1/2-2/3，微管道內(nèi)徑為 0. lmm-5mm，長(zhǎng)度為lcm-2m，微管道的入口均勻分布于主管道壁上。囊體積為與其相連的管 道總體積的1-5倍，囊有儲(chǔ)存物料功能，它的收縮和舒張可使管道內(nèi)的物質(zhì)往復(fù)流動(dòng)，加快 管道內(nèi)外物質(zhì)的交換。根據(jù)需要管道內(nèi)可以通氣體如空氣、二氧化碳等，也可以通液體，如 葡萄糖溶液等，通過(guò)調(diào)節(jié)充入管道物質(zhì)的溫度來(lái)控制反應(yīng)器的溫度。本生物反應(yīng)器可用于厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵，也適應(yīng)于動(dòng)植物 細(xì)胞培養(yǎng)。


圖1為本發(fā)明生物反應(yīng)器的示意圖，圖中
1、反應(yīng)器，2、剛性主管道，3、柔性微管道，4、囊，5、進(jìn)料口，6、出料口，7、囊壓板
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，反應(yīng)器為圓柱狀，內(nèi)徑(直徑)為50cm，有效發(fā)酵體積為100升，有進(jìn)料口和出料 口，可以密封和利用蒸汽滅菌，在反應(yīng)器內(nèi)有類似于植物根系的管道，管道由剛性主管道和 柔性微管道兩級(jí)管道系統(tǒng)組成，主管道入口端固定在反應(yīng)器壁上，另一端端口封閉并向反 應(yīng)器內(nèi)伸展，微管道一端封閉另一端與主管道相通，反應(yīng)器外面有可收縮和舒張的囊與主 管道相通，氣體通過(guò)囊進(jìn)入管道，并且囊的收縮和舒張控制管道內(nèi)氣體的壓力，管道壁由微 濾膜做成，管道內(nèi)外的氣體可通過(guò)管道壁進(jìn)行交換。4根主管道在離反應(yīng)器底部40-45cm處從壁上向內(nèi)突出，其內(nèi)徑為2cm，長(zhǎng)度為 30cm，微管道內(nèi)徑為0. l_2mm，長(zhǎng)度為l-40cm，微管道的入口均勻分布于主管道壁上。囊體 積為與其相連的管道總體積的2倍，囊有儲(chǔ)存物料功能，它在囊壓板的壓縮和松弛下收縮 和舒張，使管道內(nèi)的氣體往復(fù)流動(dòng)，加快管道內(nèi)外氣體的交換。通過(guò)調(diào)節(jié)充入管道氣體的溫 度來(lái)控制反應(yīng)器的溫度。應(yīng)用本反應(yīng)器，利用拉曼被胞霉(Mortierealla ramanniana)以汽爆小麥秸稈和 麩皮為發(fā)酵底物固態(tài)發(fā)酵微生物油脂時(shí)，在優(yōu)化條件下，即用空氣為交換介質(zhì)進(jìn)出于囊和 管道系統(tǒng)中，囊的收縮和舒張周期為15-20min，纖維素酶添加量為13FPU/g干底物、汽爆秸 稈與麩皮的比率15 3、培養(yǎng)基水分含量73%、發(fā)酵溫度30°C、發(fā)酵時(shí)間為8d，油脂產(chǎn)量為 80. 8mg/g干底物，發(fā)酵物的油脂含量為10. 4%，纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率分別為79. 6% 和48. 2%，而在三角瓶?jī)?nèi)固態(tài)發(fā)酵，在其他發(fā)酵條件(纖維素酶添加量、汽爆秸稈與麩皮的 比率、培養(yǎng)基水分含量、發(fā)酵溫度、發(fā)酵時(shí)間)均相同的情況下，油脂產(chǎn)量為65. 8mg/g干底 物，發(fā)酵物的油脂含量為7. 6%，纖維素和半纖維素的轉(zhuǎn)化率分別為61. 6%和44. 2%?？梢?看出利用本反應(yīng)器固態(tài)發(fā)酵，由于強(qiáng)化了氣體交換，油脂產(chǎn)量提高了 22. 8%。
權(quán)利要求
一種利用微管系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的生物反應(yīng)器，其特征是反應(yīng)器為圓柱狀，有進(jìn)料口和出料口，可以密封和利用蒸汽滅菌，在反應(yīng)器內(nèi)有類似于植物根系的管道，管道由剛性主管道和柔性微管道兩級(jí)管道系統(tǒng)組成，主管道入口端固定在反應(yīng)器壁上，另一端向反應(yīng)器內(nèi)伸展，微管道一端封閉另一端與主管道相通，反應(yīng)器外面有可收縮和舒張的囊與主管道相通，氣體或液體物質(zhì)通過(guò)囊進(jìn)入管道系統(tǒng)，并且囊的收縮和舒張控制管道內(nèi)液體或氣體的壓力，管道壁由微濾膜、超濾膜或納濾膜做成，管道內(nèi)外的物質(zhì)和能量可通過(guò)管道壁進(jìn)行交換。
2.按權(quán)利要求1所述的主管道內(nèi)徑為0.5-5cm，其長(zhǎng)度為反應(yīng)器內(nèi)徑的1/2-2/3。
3.按權(quán)利要求1所述的微管道內(nèi)徑為0.lmm-5mm，長(zhǎng)度為lcm-2m，微管道的入口均勻分布于主管道壁上。
4.按權(quán)利要求1所述的囊體積為與其相連的管道總體積的1-5倍，囊有儲(chǔ)存物料功能， 它的收縮和舒張可使管道內(nèi)的物質(zhì)往復(fù)流動(dòng)，加快管道內(nèi)外物質(zhì)的交換。
5.本生物反應(yīng)器可用于厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵，也適應(yīng)于動(dòng)植物細(xì) 胞培養(yǎng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用微管系統(tǒng)強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱的生物反應(yīng)器，模仿土壤與植物根系進(jìn)行物質(zhì)交換的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種在反應(yīng)器內(nèi)有類似于植物根系的管道的生物反應(yīng)器，管道由若干剛性主管道和柔性微管道兩級(jí)管道系統(tǒng)組成，主管道一端固定在反應(yīng)器壁上，另一端向反應(yīng)器內(nèi)伸展，微管道與主管道相通，反應(yīng)器外面有可收縮和舒張的囊與大管道相通，囊的收縮和舒張控制管道內(nèi)液體或氣體的壓力，管道壁由微濾膜、超濾膜或納濾膜做成，管道內(nèi)外的物質(zhì)和能量可通過(guò)管道壁進(jìn)行交換。本生物反應(yīng)器能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)培養(yǎng)，克服攪拌式反應(yīng)器的剪切力對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)的不利影響，節(jié)省攪拌能耗，可用于厭氧發(fā)酵、好氧發(fā)酵，液態(tài)發(fā)酵和固態(tài)發(fā)酵，也適應(yīng)于動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)。
文檔編號(hào)C12M3/00GK101886032SQ201010113588
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月24日
發(fā)明者彭小偉, 陳洪章 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所