CN114085764A - 用于环境修复可移动式微生物发酵***及方法 - Google Patents

用于环境修复可移动式微生物发酵***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于环境生物工程领域，具体涉及用于环境修复可移动式微生物发酵***及方法。本发明发酵箱设有独特的两腔室设计，可根据工艺的实际情况对菌剂的发酵量进行有效控制，当每次菌剂使用量不大，且现场不具备保存条件的情况下，避免了不必要的浪费，符合当前双碳目标的要求。此外，造成本低，发酵过程便于操作，发酵物料灭菌、冷却、培养一体化操作不经外部程序，将染菌风险控制到最低。同时，***为整体可移动式设计，便于运输和现场使用，特别是针对偏远地区及现场条件有局限的环境微生物修复项目，极大降低了微生物制剂的生产及运输成本，并且可以随时根据项目的需求提供高活性的微生物制剂，保证了项目的成功率。

Description

用于环境修复可移动式微生物发酵***及方法
技术领域
本发明属于环境生物工程领域，具体涉及用于环境修复可移动式微生物发酵***及方法。
背景技术
在双碳总体目标的要求下，微生物修复技术因为修复成本低、安全性好、无二次污染等特点，在环境修复领域受到越来越多的关注和应用，工程上的微生物修复一般需要不断地向污染环境投入大量的外源微生物菌液、酶、氮、磷、无机盐等，尤其是微生物菌液的使用量巨大，需进行不断补充。现阶段使用的菌液多采用异地加工，存在生产周期长、生产发酵及运输保存成本高，且不能根据现场工艺状况及时进行调整等问题，另部分可现场生产菌种的设备两极分化严重，一种是设备价格过高，现场发酵设备损耗大；一种是装备简陋，发酵过程不受控制，菌剂成品得率低。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了用于环境修复可移动式微生物发酵***及方法，目的是为了解决现有技术中，菌液多采用异地加工，存在生产周期长、生产发酵及运输保存成本高，且不能根据现场工艺状况及时进行调整；以及现场生产菌种的设备价格过高，现场发酵设备损耗大，或者装备简陋，发酵过程不受控制，菌剂成品得率低的技术问题。
本发明提供的用于环境修复可移动式微生物发酵***，具体技术方案如下：
用于环境修复可移动式微生物发酵***，包括发酵箱，供水***、加热灭菌***、冷凝***、发酵供气***和控制***；所述发酵箱设有两个发酵腔室，每个所述发酵腔室均设有盘管和搅拌机构；所述供水***向发酵腔室内进行供水操作；所述加热灭菌***通过所述盘管通入高温蒸汽对所述发酵腔室进行灭菌操作；所述冷凝***通过所述盘管通入冷凝水对所述发酵腔室进行冷却操作；所述发酵供气***用于向所述发酵腔室进行供氧操作，所述控制***根据发酵量对一个或两个所述发酵腔室控制进行所述供水操作、所述灭菌操作、所述冷却操作和所述供氧操作，以及控制所述搅拌机构的启停。
在某些实施方式中，所述发酵箱内设有隔板，所述隔板将所述发酵箱分隔为两个所述发酵腔室，所述发酵箱顶部开设排气口，两个所述发酵腔室顶部相互连通且均与所述排气口连通。
在某些实施方式中，所述发酵箱顶部开设有两个投料口，两个所述投料口分别对准两个所述发酵腔室的顶部；所述发酵箱的底部开设有两个排料口，两个所述排料口分别对准两个所述发酵腔室的底部，所述排料口配置为从所述发酵腔室中排出产物或者取出样品；所述发酵箱顶部还开设有两个接种口，两个所述接种口分别对准两个所述发酵腔室的顶部。
在某些实施方式中，所述加热灭菌***包括蒸汽发生器、蒸汽进口管路和蒸汽出口管路，所述蒸汽发生器通过所述蒸汽进口管路分别与每个所述盘管的顶端口连通，每个所述盘管的底端口与所述蒸汽出口管路连通。
在某些实施方式中，所述冷凝***包括与自来水源连接的冷凝水进口管路和冷凝水出口管路，所述冷凝水进口管路分别与每个所述盘管的底端口连通，所述冷凝水出口管路分别与每个所述盘管的顶端口连通。
在某些实施方式中，所述供水***包括与自来水源连接的进水管路，所述进水管路与每个所述发酵腔室的底部连通。
在某些实施方式中，所述发酵供气***包括风机、无菌空气进气口管路和设于每个所述发酵腔室底部均的进气管，所述进气管通过所述无菌空气进气口管路连接，所述无菌空气进气口管路上设有空气过滤器和流量计；所述流量计设于所述空气过滤器与所述风机之间。
在某些实施方式中，所述控制***包括控制器、设于所述发酵腔室中的温度探头、pH值探头和溶氧探头、设于所述供水***的供水阀门、设于所述加热灭菌***的近进气阀门和出气阀门、设于所述冷凝***中的进水阀门和出水阀门、设于所述发酵供气***的供氧阀门，所述控制器电连接所述温度探头、所述pH值探头、所述溶氧探头、所述供水阀门、所述进气阀门、所述出气阀门、所述进水阀门、所述出水阀门和所述供氧阀门。
本发明提供了另一个技术方案，即用于环境修复可移动式微生物发酵方法，基于上述的***，包括如下步骤；
S1，控制***控制供水***向发酵腔室进水，以及搅拌机构进行搅拌，对发酵腔室进行清洗后，进行排水；
S2，控制***控制加热灭菌***通过盘管通入高温蒸汽对发酵腔室进行灭菌操作；
S3，控制***控制供水***向发酵腔室进水，注水量为发酵腔室体积的70-80％；
S4，从发酵箱的投料口中向发酵腔室投放培养基，控制***开启搅拌机构进行搅拌；
S5，控制***控制加热灭菌***通过盘管通入高温蒸汽对发酵腔室及培养基进行灭菌操作；
S6，控制***控制冷凝***通过盘管通入冷凝水对发酵腔室进行降温冷却；
S7，通过接种口完成微生物接种工作；控制***控制发酵供气***进行供氧以及开启搅拌机构进行搅拌进行微生物培养；
S8，控制***控制发酵供气***停止供氧以及关闭搅拌机构，通过排料口收集微生物菌液，重复步骤S1。
在某些实施方式中，在步骤S7中，微生物培养过程中，控制***调整搅拌机构的搅拌转速，通过溶氧探头的数值控制发酵供气***供氧的供氧量，通过温度探头和pH值探头，监测温度和pH值。
本发明具有以下有益效果：本发明提供的用于环境修复可移动式微生物发酵***，发酵箱设有独特的两腔室设计，可根据工艺的实际情况对菌剂的发酵量进行有效控制，当每次菌剂使用量不大，且现场不具备保存条件的情况下，避免了不必要的浪费，符合当前双碳目标的要求。此外，制造成本低，发酵过程便于操作，发酵物料灭菌、冷却、培养一体化操作不经外部程序，将染菌风险控制到最低。同时，***为整体可移动式设计，便于运输和现场使用，特别是针对偏远地区及现场条件有局限的环境微生物修复项目，极大降低了微生物制剂的生产及运输成本，并且可以随时根据项目的需求提供高活性的微生物制剂，保证了项目的成功率。
附图说明
图1是本发明实施例1中用于环境修复可移动式微生物发酵***的立体结构示意图；
图2是本发明实施例1中用于环境修复可移动式微生物发酵***的内部平面结构示意图；
图3是本发明实施例1中用于环境修复可移动式微生物发酵***的平面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1-3，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供的用于环境修复可移动式微生物发酵***，具体技术方案如下：
用于环境修复可移动式微生物发酵***，包括发酵箱1，供水***、加热灭菌***、冷凝***、发酵供气***和控制***13；发酵箱1设有两个发酵腔室，每个发酵腔室均设有盘管6和搅拌机构14；供水***向发酵腔室内进行供水操作；加热灭菌***通过盘管6通入高温蒸汽对发酵腔室进行灭菌操作；冷凝***通过盘管6通入冷凝水对发酵腔室进行冷却操作；发酵供气***用于向发酵腔室进行供氧操作，控制***13根据发酵量对一个或两个发酵腔室控制进行供水操作、灭菌操作、冷却操作和供氧操作，以及控制搅拌机构14的启停。
具体地，发酵箱1内设有隔板2，隔板2将发酵箱1分隔为两个发酵腔室，发酵箱1顶部开设排气口，两个发酵腔室顶部相互连通且均与排气口15连通。发酵箱1顶部开设有两个投料口5，两个投料口5分别对准两个发酵腔室的顶部；发酵箱1的底部开设有两个排料口16，两个排料口16分别对准两个发酵腔室的底部，排料口16配置为从发酵腔室中排出产物或者取出样品；发酵箱1顶部还开设有两个接种口12，两个接种口12分别对准两个发酵腔室的顶部。本实施例中发酵箱为带保温层的不锈钢箱体。
参见图1，用于环境修复可移动式微生物发酵***，主要由带保温层的发酵箱1、隔板2、控制***13、附属设施(检修爬梯17、安全护栏18)所组成，其中带保温层的发酵箱1由隔板2平均划分为两个独立的发酵腔室，可根据发酵量多少单独使用，互补干扰，隔板2顶部距离发酵箱1顶板空置一段距离，便于发酵尾气顺利排出，该装置通过管路***、阀门及线路连接成一个完整的发酵***。
具体地，加热灭菌***包括蒸汽发生器22、蒸汽进口管路7和蒸汽出口管路8，蒸汽发生器22通过蒸汽进口管路7分别与每个盘管6的顶端口连通，每个盘管6的底端口与蒸汽出口管路8连通。冷凝***包括与自来水源连接的冷凝水进口管路9和冷凝水出口管路10，冷凝水进口管路9分别与每个盘管6的底端口连通，冷凝水出口管路10分别与每个盘管6的顶端口连通。供水***包括与自来水源连接的进水管路3，进水管路3与每个发酵腔室的底部连通。发酵供气***包括风机24、无菌空气进气口管路11和设于每个发酵腔室底部均的进气管4，进气管4通过无菌空气进气口管路11连接，无菌空气进气口管路11上设有空气过滤器26和无菌空气进气口管路11；流量计25设于空气过滤器26与风机24之间。
管道连接方式：进水管路3与控制***13、水泵23、供水阀门及管道连接从带保温层发酵箱1底部分别接入两个发酵腔室，组成供水***；蒸汽进口管路7与控制***13、蒸汽发生器22及管道连接从带保温层的发酵箱1顶部分别接入两个发酵腔室，与盘管6连接后，同发酵箱1底部蒸汽出口管路8连接，组成加热灭菌***；冷凝水进口管路9与控制***13、水泵23、进水阀门、出水阀门及管道连接从带保温层发酵箱1底部分别接入两个发酵腔室，与盘管6连接后，同发酵箱1顶部冷凝水出口管路10连接，组成冷凝***，冷凝***与加热灭菌***除进出气口、进出水口分别设置外，其他部分共用一套连接管道；无菌空气进气口管路11与控制***13、风机24、流量计25、空气过滤器、供氧阀门及管道连接从带保温层发酵箱1底部分别接入两个发酵腔室，与进气管4连接，进气管4为带孔的不锈钢管，组成发酵供气***。
具体地，控制***13包括控制器、设于发酵腔室中的温度探头19、pH值探头20和溶氧探头21、设于供水***的供水阀门、设于加热灭菌***的进气阀门和出气阀门、设于冷凝***中的进水阀门和出水阀门、设于发酵供气***的供氧阀门，控制器电连接温度探头19、pH值探头20、溶氧探头21、供水阀门、进气阀门、出气阀门、进水阀门、出水阀门和供氧阀门。
本***在使用前通过控制***13控制供水阀门、进气阀门、出气阀门、进水阀门、出水阀门和供氧阀门的开合，使整个管路***处于连通状态，打开加热灭菌***用蒸汽对发酵箱1及所有管道连接***进行一次灭菌处理，然后关闭蒸汽发生器22及所有阀门；通过控制供水***向发酵腔室内供应自来水，视发酵量多少选择一个或两个腔室进行供水操作，注水量应不超过每个发酵腔室的70-80％；依据培养微生物种类及方式的不同从投料口5加入培养基，开启搅拌机构14(搅拌机构14包括位于发酵箱1顶部的搅拌电机和设于所述发酵箱1内部的搅拌桨，搅拌电机驱动所述搅拌桨转动)，使培养基充分混合、溶解；开启加热灭菌***，对培养基进行灭菌处理，高热灭菌时间不低于2-4h，有条件情况下应对灭菌的效果进行验证(镜检等方式)；灭菌结束，开启冷凝***，将发酵液及***温度降至25-37℃；通过接种口12-1、12-2完成微生物接种工作；开启发酵供气***，进行微生物培养工作，***温度、pH值、溶氧等参数分别通过温度探头19、pH值探头20、溶氧探头21进行监测；发酵尾气通过发酵箱1排气口15排出***外；定期通过取样口16对发酵过程进行监控；发酵结束通过排料口16获得微生物发酵产品。
实施例2
本实施例提供了基于实施例1***的用于环境修复可移动式微生物发酵方法，具体技术方案如下：
一种水体污染治理氨氮降解菌剂的培养，利用已筛选得到的水体污染治理氨氮降解菌株，进行一级种液扩大培养(NA培养基)，启动本发酵***，通过进水***及搅拌机构对***进行使用前清洗，通过控制***控制进水阀门的开合，使整个管路***处于连通状态，启动蒸汽发生器，通过加热灭菌***用蒸汽对发酵箱1及所有管道连接***进行一次灭菌处理，灭菌时间为30-60min，然后关闭蒸汽源及所有进水阀门；通过控制供水***向发酵腔室内供应自来水，选择两个腔室进行供水操作，注水量为腔室体积70-80％；从两个投料口加入NA培养基，开启搅拌机构，使培养基充分混合、溶解,时间为15-30min；开启加热灭菌***，对培养基进行灭菌处理，高热灭菌时间为3-4h，灭菌结束从取样口取样对***灭菌的效果进行镜检，灭菌率应不低于98-100％；灭菌结束，开启冷凝***，将发酵液及***温度降至28-35℃；通过接种口完成微生物接种工作，接种量1‰-1％；开启发酵供气***，搅拌机构，控制溶氧40-70％，转速120-180r/min，pH值6-8，进行微生物培养工作，发酵尾气通过发酵箱1排气口排出***外；每12-24h通过取样口对发酵过程进行监控；发酵时间48-72h,发酵结束后，停止通气搅拌，通过排料口收集微生物菌液，清洗发酵箱并灭菌，排出污水，所得氨氮降解菌剂微生物量为6.3-55×108cfu/g。
综上所述，本发明提供的用于环境修复可移动式微生物发酵***，发酵箱设有独特的两腔室设计，可根据工艺的实际情况对菌剂的发酵量进行有效控制，当每次菌剂使用量不大，且现场不具备保存条件的情况下，避免了不必要的浪费，符合当前双碳目标的要求。此外，造成本低，发酵过程便于操作，发酵物料灭菌、冷却、培养一体化操作不经外部程序，将染菌风险控制到最低。同时，***为整体可移动式设计，便于运输和现场使用，特别是针对偏远地区及现场条件有局限的环境微生物修复项目，极大降低了微生物制剂的生产及运输成本，并且可以随时根据项目的需求提供高活性的微生物制剂，保证了项目的成功率。
上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，包括发酵箱，供水***、加热灭菌***、冷凝***、发酵供气***和控制***；所述发酵箱设有两个发酵腔室，每个所述发酵腔室均设有盘管和搅拌机构；所述供水***向发酵腔室内进行供水操作；所述加热灭菌***通过所述盘管通入高温蒸汽对所述发酵腔室进行灭菌操作；所述冷凝***通过所述盘管通入冷凝水对所述发酵腔室进行冷却操作；所述发酵供气***用于向所述发酵腔室进行供氧操作，所述控制***根据发酵量对一个或两个所述发酵腔室控制进行所述供水操作、所述灭菌操作、所述冷却操作和所述供氧操作，以及控制所述搅拌机构的启停。
2.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述发酵箱内设有隔板，所述隔板将所述发酵箱分隔为两个所述发酵腔室，所述发酵箱顶部开设排气口，两个所述发酵腔室顶部相互连通且均与所述排气口连通。
3.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述发酵箱顶部开设有两个投料口，两个所述投料口分别对准两个所述发酵腔室的顶部；所述发酵箱的底部开设有两个排料口，两个所述排料口分别对准两个所述发酵腔室的底部，所述排料口配置为从所述发酵腔室中排出产物或者取出样品；所述发酵箱顶部还开设有两个接种口，两个所述接种口分别对准两个所述发酵腔室的顶部。
4.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述加热灭菌***包括蒸汽发生器、蒸汽进口管路和蒸汽出口管路，所述蒸汽发生器通过所述蒸汽进口管路分别与每个所述盘管的顶端口连通，每个所述盘管的底端口与所述蒸汽出口管路连通。
5.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述冷凝***包括与自来水源连接的冷凝水进口管路和冷凝水出口管路，所述冷凝水进口管路分别与每个所述盘管的底端口连通，所述冷凝水出口管路分别与每个所述盘管的顶端口连通。
6.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述供水***包括与自来水源连接的进水管路，所述进水管路与每个所述发酵腔室的底部连通。
7.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述发酵供气***包括风机、无菌空气进气口管路和设于每个所述发酵腔室底部均的进气管，所述进气管通过所述无菌空气进气口管路连接，所述无菌空气进气口管路上设有空气过滤器和流量计；所述流量计设于所述空气过滤器与所述风机之间。
8.根据权利要求1所述的用于环境修复可移动式微生物发酵***，其特征在于，所述控制***包括控制器、设于所述发酵腔室中的温度探头、pH值探头和溶氧探头、设于所述供水***的供水阀门、设于所述加热灭菌***的近进气阀门和出气阀门、设于所述冷凝***中的进水阀门和出水阀门、设于所述发酵供气***的供氧阀门，所述控制器电连接所述温度探头、所述pH值探头、所述溶氧探头、所述供水阀门、所述进气阀门、所述出气阀门、所述进水阀门、所述出水阀门和所述供氧阀门。
9.用于环境修复可移动式微生物发酵方法，基于权利要求1-8任一项所述的***，其特征在于，包括如下步骤；
S1，控制***控制供水***向发酵腔室进水，以及搅拌机构进行搅拌，对发酵腔室进行清洗后，进行排水；
S2，控制***控制加热灭菌***通过盘管通入高温蒸汽对发酵腔室进行灭菌操作；
S3，控制***控制供水***向发酵腔室进水，注水量为发酵腔室体积的70-80％；
S4，从发酵箱的投料口中向发酵腔室投放培养基，控制***开启搅拌机构进行搅拌；
S5，控制***控制加热灭菌***通过盘管通入高温蒸汽对发酵腔室及培养基进行灭菌操作；
S6，控制***控制冷凝***通过盘管通入冷凝水对发酵腔室进行降温冷却；
S7，通过接种口完成微生物接种工作；控制***控制发酵供气***进行供氧以及开启搅拌机构进行搅拌进行微生物培养；
S8，控制***控制发酵供气***停止供氧以及关闭搅拌机构，通过排料口收集微生物菌液，重复步骤S1。
10.根据权利要求9所述的用于环境修复可移动式微生物发酵方法，其特征在于，在步骤S7中，微生物培养过程中，控制***调整搅拌机构的搅拌转速，通过溶氧探头的数值控制发酵供气***供氧的供氧量，通过温度探头和pH值探头，监测温度和pH值。
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