一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统及其灭菌方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，包括反应器罐体、光照系统、清洗装置、进液口、出液口、循环管道、循环泵、补料装置、进水控制系统、气体供给装置、配料罐及排污口，反应器罐体为立柱式全透明的封闭容器，光照系统为内置光源系统，在反应器罐体内均匀数组安装多列光源，清洗装置与多列光源配合安装在反应器罐体内，清洗装置包括转动件、轴封、螺杆、圆形多孔板及转动清洗头；采用本发明专利技术后，可以有效清除贴壁的光合细菌，提高生产效率；同时公开了一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统的灭菌方法，采用臭氧灭菌的方法可以有效对本光生物反应系统进行灭菌。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微生物学
，具体涉及一种规模化纯培养光合细菌的光生物反应系统及其灭菌方法。
技术介绍
不产氧光合细菌(AnoxygenicPhotosynthetic Bacteria, APB)是一类在厌氧条件下，利用各种有机物或无机物作为电子供体进行光合作用但不释放氧气的原核微生物的总称，传统上所称为“光合细菌(PSB)”。现有研究表明，光合细菌类群有80余属200余种，自然环境中广泛分布，在自然界物质和能量循环中具有重要作用；其代谢方式灵活多样，能进行光自养、光异养和化能异养生长，与其生存环境相适应。光合细菌作为一类重要的生物资源，在水产养殖、农业、畜牧业、环境修复和治理、医药保健以及能源等领域已有深入的研究，并且在菌种资源、生产设备、制剂和产品、以及应用等方面取得了重要进展，但针对生产 实践和发展的要求，仍需要着力开发光合细菌菌种资源，规模化生产专一性好、效果稳定、闻质量、闻稳定性的广品和制剂。规模化生产是满足生产实践需求的关键环节。因此，在保障高质量前提下，只有达到规模化，才能大幅度降低生产成本。而实现光合细菌制剂规模化生产的关键在于开发可控性能强、适用于多种类群生长特性的、高纯度、高密度、高活性生产光合细菌的设备和装置。目前，光合细菌培养方式主要包括“开放式光照”、“全封闭式厌氧光照”和“光生物反应器”3种类型。开放式光照培养一般采用水泥池、培养槽等容器中开放培养，与空气接触面大，利用自然光和人工光源，生产设备简单，运行成本低廉，可用于大规模培养，这种培养方式较适合于有机废水的净化处理，但温度、光照和搅拌均匀度难以控制，菌密度低，易被杂菌污染，纯度差、质量不稳定；在水产养殖、农业种植和畜牧养殖中的应用效果不稳定，一般为现制备现应用，难于储存和商品化。全封闭式厌氧光照培养这是理想的光合细菌培养方式，在控制的条件下，通过严格的无菌操作，生长效率高、纯度高，菌体密度高，无污染、制剂质量稳定，一般仅限于实验室小规模培养，多用于实验性研究。光生物反应器是一种典型的“相对封闭式”培养装置；自1980年以来，由于光合微生物规模化应用的需求和发展，国内外对光生物反应器的研究和开发取得了很大进展，使生产规模有了很大提高。因此，光生物反应器的发展是解决光合细菌规模化培养的关键，实现高密度和纯度培养、节能环保和规模型的智能光生物反应器是发展的必然趋势，而反应器中“光”的合理分布和高效利用是光生物反应器的核心和大型化限制因素。到目前为止，已经设计和开发了多种形式的光生物反应器。从外形上来看，概括起来主要包括柱(罐)式、板(箱式)式、管式(培养管以多种方式盘绕)以及这3类结构的组合和变形，如多层式、环流型和线圈式盘绕状等。绝大多数光生物反应器是以透光材料制造，极少数采用金属材料，均能够实现光照、控温和搅拌(机械、泵循环或气流式搅拌)。除了其外型和内部结构(液体流动方式、搅拌循环方式、温度控制方式等)不同外，最大的差别在于它们拥有不同的表面积体积比。光照是光生物反应器的关键限制因素，一般来说，板式反应器的比表面积最大，其次是管式和罐式。从光源照射方式来看，光照方式采用外置光源、内置光源和内外置光源相结合3种方式。外置光源设计是应用较早且较为简单的光照方式，照射方向包括单侧、双侧和环周型，其最大优点是可以利用太阳光，但光的损失较大、利用率低，若采用人工光源则耗能较大。内置光源可以解决光利用率低的问题，如公开号分别为CN101402915A (2008年)，CN2199988 (1994年)等中国专利，将光源安装在反应器内部中心位置。但是，无论是内置光源还是外置光源，尤其是菌悬液密度较高时，光源照射的光程范围受到限制，因此，反应器内径(柱型)或厚度(箱型)不能太大，否则反应器内部特定区域光强很弱，甚至出现暗区。通过循环搅拌，菌体只能在光强合适的范围内生长，严重影响了光合细菌的生长速率，延长生长周期。因此，反应器的容积不会太大，为了弥补这一缺陷，中国专利CN201301313 (2008年)设计了中心内置和外置光源的组合光照的方式，使得反应器的容积有所提高，但同样受到光源照射的光程范围限制，反应器的容积仍然不会太大，达不到大规模生产能力的要求，而外置光源光利用率低，这样的设计不能满足低成本、节能和规模化生产的需要。解决该问题的策略是在光合生物反应器内部设置多点光源，如专利号分别为 CN2918431Y (2006 年)、CN1088893 (2005 年)和 CN2301448 (1997 年)等中国专利，在培养装置中设置了多点光源。这种设计的特点是根据需要在反应器内均匀布光，罐式反应器内径可以大幅度提高，可以根据材料承受的耐压程度和生产需要实现反应器的大吨位设计。若不考虑利用太阳光，则可以将罐体设计为金属材料制造。但是太阳光强度高，用之不竭、取之不尽，如何即能良好地利用太阳光，又能实现大吨位制造，是光生物反应器发展的方向。张全国课题组申报的中国专利公开号为CN2918431Y (2006年)和发表的研究论文，期刊《可再生能源》，2010年38卷第三期，9扩102页，采用聚光器、耦合器和光纤导光的方式，以及太阳能电池一LED灯光照的方式，乙太阳能为光源设计了光合微生物制氢反应器，符合能源发展趋势，但是，受到太阳光收集面积庞大和太阳光不连续的限制，以及制造成本和占用空间面积太大，而且制造成本很高，目前很难实现规模化生产。因此，本专利技术采用了内置数组多组光源光生物反应器联体设计，安装在太阳房车间内，以太阳光作为辅助光源，既合理地利用了太阳能，又能实现大规模生产，而且能耗降低，成本较低，容易实施。光源和光照强度的设计对于光生物反应器是非常重要的。目前反应器光源设计仅考虑了光源的数量和强度，并未考虑反应器中菌悬液浊度对光强的影响，光在悬液中衰减，内层出现暗区，光合细菌仅在光强合适区域生长，严重影响了生产效率。因此，光生物反应器内部光源之间的距离，对光合细菌具有重要影响。在光反应器运行过程中，内置光源反应器又遇到一个至关重要的问题。光合细菌具有趋旋光性，贴壁现象十分严重，严重地影响了光的穿透率，制约了光合细菌的生长速率。黄海智(CN2616547Y，2003年)设计了一种外置光源的立式光合细菌培养装置，在装置中央安装了螺杆带动罐壁刷和底部搅拌式清洗罐壁的方法。黄旭雄等(CN101402915A，2008年)提出了磁性驱动的罐内壁刷和钢丝提拉的环形光源管壁刷的方法。这些设计和方法，仅限于解决罐壁或中央单列内置光源管上的贴壁问题，且磁性驱动的罐内壁刷操作繁琐费，提拉光源管壁刷的钢丝容易被空气污染，且不能对提拉钢丝进行有效的灭菌，很难保证纯培养。因此，内置多组光源反应器内壁和内置光源光合细菌贴壁问题，亟待解决，以便光照效率低，实现光合细菌的高效培养。在光合细菌培养和操作过程中，光合反应器并不是完全密闭的，不可避免地与外界发生气体交换，即使是密封的体系，培养液进入或菌悬液排出时，反应器内部将有气体的排出和吸入，反应器内部很容易被空气杂菌污染，或者反应器内部培养的细菌污染空气。传统的好氧发酵罐，依赖于通空气产生罐压，使罐内气体外排，而大多光合细菌培养需要厌氧培养，并不需要通气，如何保障罐内外气交换而不产生污染。张肇铭等(CN本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高效纯培养光合细菌的光生物反应系统，包括反应器罐体、光照系统、清洗装置、进液口、出液口、循环管道、循环泵、补料装置、进水控制系统、气体供给装置、配料罐及排污口，反应器罐体为立柱式全透明的封闭容器，反应器内外通过气体交换器交换气体，光照系统为内置光源系统，在反应器罐体内数组安装多列光源，清洗装置与多列光源配合安装在反应器罐体上，其特征在于：清洗装置包括转动件、轴封、螺杆、圆形多孔板及转动清洗头，螺杆设置在反应器罐体中心，螺杆上端穿过反应器罐体顶部与轴封密封连接，转动件安装在螺杆顶部，圆形多孔板上设有与光源相配合的通孔、供液体流动的透液孔及供螺纹套管固定的中心孔，边缘镶嵌毛刷，中心孔设有螺纹段，螺杆穿过中心孔，将圆形多孔板活动固定于螺杆上，转动清洗头固定在螺杆底部，其下边缘与反应器罐体底部相配合并镶嵌毛刷。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨素萍，赵春贵，孟宁生，张永军，
申请(专利权)人：华侨大学，石家庄乾丰生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：