固定微生物用的载体及其制备方法和应用技术

本发明专利技术有关微生物和动物细胞在多孔性无机载体上的固定化方法，特别是用于厌氧过程，其特征是采用一种具有双重孔隙结构的多孔烧结体作为载体，该载体具有能允许载体内部与外面自由进行液体和气体交换的，由孔隙率所确定的贯通式粗孔隙，以及与粗孔隙壁相连通的微孔隙，微孔隙大小处于微生物或者细胞大小的范围内．（*该技术在2005年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微生物和动物细胞特别是用于厌氧过程在多孔性无机载体上的固定化方法，和用此方法获得的有微生物生长的载体，以及用于固定化的合适载体。将微生物和细胞材料固定到固体上是一种手段，用来使这些材料在所需要的位点上繁殖。这对生物工艺过程有非常重要的意义。无论是需氧的，还是厌氧的生物工艺过程都应当以尽可能高的体积一时间收获率(在单位体积和时间里基质的转换)进行。活性细胞的浓度越高，上述要求就越容易满足，因为活性细胞同时起着生产和催化剂的作用。在需氧系统中，细胞的生长实际上可以毫无阻碍地进行，所以能毫无困难地达到高的细胞浓度。然而，在厌氧系统中，细胞的生长从一开始就要受到限制，因此只能达到很低的相对生物物质浓度。但是，由于厌氧系统有利于能量平衡(一方面是生物气的生成，另一方面是需氧系统因供应氧气，而不需要能量)，因此近些年来，人们给予它以特别的关注。人们认识到，厌氧系统不需要很多的能量消耗，就能从便宜的物质中生产出大量有价值的无法按比例计算的产品来。一个突出的例于是，用厌氧法处理的高浓度废水，废水中被转变成为生物气的有机污物高达95%，仅有3%～4%的有机物转化成生物物质。厌氧系统微生物的低生长率提出了对生物物质保留和浓缩的要求，这对于解决需氧系统的分离等问题也是有意义的。因此，长期以来就有人进行微生物在固体载体上固定化的试验。特别还试验了各种天然的或者便宜的载体材料，例如沙子，火山石，陶制品，活性炭，硬煤，玻璃等等。用这些材料多少可以做到微生物的固定化。最近又发现了许多有机载体材料，例如伊.卡鲁伯(I.Kar-ube)等人(见“生物工艺和生物工程”1980年第22卷847～857页)试验过甲烷产生细菌在聚丙烯酰胺凝胶，琼脂凝胶和生胶质薄膜上的固定化作用，并发现其中只有琼脂凝胶合适，当然也指出了营养物和甲烷通过琼脂凝胶扩散能力微弱。培.歇勒(P.Scherer)等人(见“生物工艺和生物工程”1981年第23卷，1057～1067页)曾报导过巴氏甲烷八叠球菌在Ca+2交联的藻酸盐网络上固定化的试验，其中的藻酸盐网络为1.2至3.7mm的不同直径的小球形状。这和培.斯.杰.齐哈姆(P.S.J.cheetham)等人(见“生物工艺和生物工程”1979年等21卷，2155页)的报告不一致，按照他们的报告，基质转移的迟延是发生在藻酸盐小球内部，并没有发现微生物活性的差别与小球的直径有关。玻.克赖斯朵夫(B.kressdorf)等人于1982年9月在柏林召开的第五届微生物工程科学讨论会上曾报告过关于酵母和细菌通过Ca-藻酸盐凝胶固定化的试验。在对比试验中使用了不同类型的载体，并且认为特别适用的载体是能负载生物量的，其直径小于1mm的有较高强度的交联藻酸盐凝胶。后来培.胡斯曼(P.Huysman)等人(“生物技术通讯”1983年第5号卷，第9期643-648页)又做了对比试验。试验中采用了一种被称为“无孔隙材料”的，由海泡石，沸石，澎润土(表面孔隙度为0.1～7.5μm的焙烧膨胀粘土)和玻璃珠作成的大约5mm大小的颗粒作为载体材料。其它的载体是被称为“有孔隙材料”的孔隙率大约为50%，孔隙大小从微米级到厘米级的天然海绵和孔隙率大约为30%，孔隙大小从微米级到毫米级的未交联聚氨酯泡沫塑料，最后还有各种不同的孔隙率为97%，孔隙平均直径为(a)2.21mm，(b)270μm的交联聚氨酯泡沫塑料。在试验中还使用了孔隙度为430μm的有斑脱土涂层的聚氨酯泡沫塑料。在试验中发现，在“无孔隙材料”中只有海泡石可以让有用的菌落形成，在检查海泡石的晶体结构时发现，它具有长度为2μm的细针束，针束中有大量象细菌那样大小的裂隙。被认为比较合适的载体是有孔隙材料，主要因为它们具有较大的孔隙率和孔隙度，其中具有430μm微孔和97%孔隙率的没有斑脱土涂层的材料被认为有很好的效果。用这种交联聚氨酯泡沫塑料在两星期的周期内，平均每升反应器体积一天能产生大约25升沼气(含有65%甲烷)。最近，在联邦德国公开书2839580中，也介绍了一系列有孔隙载体材料，特别是用于微生物固定化的玻璃料，其中＞70的孔隙应当至少与最小的微生物一样大，但又比最大的微生物(例如酵母菌或者细菌)小4至5倍。因此不论是无孔隙的硼硅玻璃，还是玻璃料，孔隙＞20μm的材料显然不如孔隙＜20μm的。尽管做了大量载体材料的试验，并且研究出了部分确实能够使用的载体，然而微生物固定化的问题还远没有令人满意地解决，在密度耐磨度、稳定性，长期使用性、润湿性等各方面还存在着问题，并且还没有达到具有很高效率水平的生物量固定化的总目标。因此，本专利技术的任务是寻找达到微生物和细胞材料固家化的途径，以便能在获得较高生物活性的同时，达到生物量的高浓度。该任务通过一种前面所述类型的固定化方法得到解决。该方法采用一种具有双重孔隙结构的多孔烧结体作为载体，该载体具有能允许载体内部与外面自由进行液体和气体交换的、由孔隙率所确定的贯通式粗孔隙，以及与粗孔隙壁相连通的微孔隙，微孔隙的大小处于微生物或者细胞大小的范围内。令人意外的是采用了上述多孔性烧结体后，能显著提高生物过程的效率。其中起决定性作用的是载体材料的结构。由于该材料有贯通式的粗孔隙，所以周围的液体可以自由地流入，不致阻碍待分解物料的输入和物质交换产物的输出。而烧结材料孔隙壁上的微孔形裂痕构型则有利于生物体或者微生物的固定化。材料在有尽可能高的孔隙率的同时，应当能保证有足够的机械强度。由于这个原因，载体孔隙率超过85%以后，一般就不能使用了。同时孔隙率若低于35%，也没有什么意义。因此孔隙率应该＞40%，特别是在50%～70%之间，最好在大约55%～65%之间。粗孔隙的孔隙直径可以根据使用条件选择，通常不超过500μm。比较合适的粗孔隙在20至250μm之间，最好在50～150μm之间。微孔隙直径一般大约在1～10μm之间。微孔隙占全部孔隙体积的百分比，根据微孔隙和粗孔隙尺寸之间的比例和综合孔隙率来确定，通常大约在5%～15%之间。当孔隙率较高时，由于机械强度的原因，只允许有很少的微孔隙存在。载体材料不要求一定要均匀一致，但要有足够的烧结性。优先选用的材料是玻璃、陶制品或者玻璃陶瓷，最好是硅酸盐材料。载体大小为20-500μm的粗孔隙是通过从可烧结产物中熔化出一种粒度为20-600μm的物质获得的;而载体大小为1-10μm的微孔隙是通过使用一种粒度＜40μm，优先＜20μm的可烧结材料获得的。附带的玻璃结构的电子显微镜放大图显示出材料的有利结构。图1a是一个填环烧结玻璃体的表面(放大19倍);图1b是上述烧结玻璃体的模断面，其孔隙率为60%，粗孔隙度为60～100μm(放大104倍);图1c是将上述烧结玻璃体的横断面放大到512倍。图1d将上述烧结玻璃体的横断面放大到2000倍;图2a和图2b为反应器操作了四个月后的负载微生物生长的烧结玻璃体(放大200倍和5040倍);图3为固定床式连续一流动反应器示意图;图4为废水渗透和操作时间的关系曲线图;图5为沼气产量和操作时间的关系曲线图。多孔性载体材料是用一种粉末混合物经烧结、冷却并将可溶成份分离去后获得的;粉末混合物由细颗粒的可烧结材料和粗颗粒的，在高于烧结温度中熔化并从烧结产物中分离熔化出来的本文档来自技高网...

【技术保护点】
微生物和动物细胞在多孔性无机载体上的固定化方法，特别是用于厌氧过程，其特征是，采用一种具有双重孔隙结构的多孔烧结体作为载体，该载体具有能允许载体内部与外面自由进行液体和气体交换的、由孔隙率所确定的贯通式粗孔隙，以及与粗孔隙壁相连通的微孔隙，微孔隙的大小处于微生物或者细胞大小范围内。

【技术特征摘要】
1.微生物和动物细胞在多孔性无机载体上的固定化方法，特别是用于厌氧过程，其特征是，采用一种具有双重孔隙结构的多孔烧结体作为载体，该载体具有能允许载体内部与外面自由进行液体和气体交换的、由孔隙率所确定的贯通式粗孔隙，以及与粗孔隙壁相连通的微孔隙，微孔隙的大小处于微生物或者细胞大小范围内。2.根据权利要求1的方法，其特征是，采用硅酸盐载体作为载体。3.根据权利要求1和2的方法，其特征是，采用烧结玻璃作为无机载体。4.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，采用的载体具有35%至85%开放式孔隙体积，并有20%至80%孔隙直径为20至500μm的粗孔隙和15%至5%孔隙直径为1至10μm的微孔隙。5.根据权利要求4的方法，其特征是，全部开放式孔隙体积在50%和70%之间，优先在55%至65%之间，并且小于10μm的微孔隙部份占10至5%。6.根据权利要求4或5的方法，其特征是，粗孔隙的平均孔隙直径在50至150μm之间。7.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，载体采用拉希环的形状。8.根据上述权利要求之一的方法，其特征是，使用的载体材料中含有生物所需要的重要微量元素。9.用于固定微生物的具有粗孔隙和微孔隙的双重结构载体，其特征是，该载体是将细颗粒的可烧结材料和粗颗粒的、高于烧结温度才熔化的，并能从烧结产物中分离出来的物质组成的粉末混合物;经烧结、冷却并将可溶成分分离去后获得的。10....

【专利技术属性】
技术研发人员：艾瓦斯狄斯，克里斯琴旺德锐，沃纳基弗，
申请(专利权)人：于利奇研究中心有限公司，肖特玻璃制造厂，
类型：发明
国别省市：DE[德国]