基于河道治理的微生物菌种孵化器研究

基于河道治理的微生物菌种孵化器研究

刘志文，刘菲菲，马华飞，谢迎

单位青岛蔚蓝赛德生物科技有限公司  山东青岛 266000

摘要：本发明的目的在于提供一种用于河道治理的菌种孵化器装置，创新的采用气升环流发酵工艺+细胞再循环菌种恒化器+连续流灌注培养配合二次发酵扩培工艺，真正意义上实现就地孵化，实现菌种指数级别扩培及驯化投加。增加加入水体微生物量，提升水体治理效果，降低治理成本，可用于含有厌 5氧、兼氧、好氧微生物菌群的各种微生物菌剂培养，集装箱式一体化装置，运输安装简单，自动化控制、无需人工值守运营管理简单。

关键词：河道治理；微生物菌种；孵化器

前言：一种用于河道治理的菌种孵化器装置，包括集装箱外壳、菌种投加系统、营养碳源投加系统、供碱系统、紫外消毒系统、菌种孵化罐、菌种恒化器、发酵供气系统、二次扩培系统以及自动控制系统；上述所有系统集成于集装箱外壳内，通过管路相连接；所述自动控制系统提前设置运行控制程序及运行要求。

1背景技术

随着城市化发展，城市水环境受城市化进程的影响愈来愈明显，越来越多的污染物被排放到河道中，大量有机污染物进入水体后，破坏了水体自身降解及净化系统，腐败过程产生腐殖质等发臭物质沉积在水体底部，产生的挥发性、刺激性气味气体。排入水体的重金属污染物与水中的硫形成了硫化物，形成大量带电胶体的黑色悬浮颗粒，从而导致水体呈现出发黑发臭的现象。目前解决这类问题的主要方法有物理化学方法、物理机械方法和生物方法。物理化学方法是治标不治本的临时性方法、物理机械方法多为底泥疏浚，但没有连续性，隔一段时间又要疏浚，劳民伤财。水体微生物修复技术是通过在水体适当位置添加微生物制剂，并与水体充氧、微生物固定等技术相结合，提高水体土著微生物或外源微生物对污染物的降解能力，从而使水质逐步得到恢复的过程。该技术无须在水体中修建构筑物，可“就地”清除河水污染，削减底泥，快速解决水体突出的黑臭问题，已广泛应用于黑臭水体治理方面。

目前微生物菌剂使用方法主要有直接投加法、溶解激活投加法、二次扩培法等。由于菌剂价格较高且微生物活力较低，在投加之前，一般需要在现场进行多次活化及扩培以增加有效微生物数量，提高菌体活力。扩培方法大多采用二次扩培法，其具体步骤是取出一定量待处理水体，往混合液中投放菌剂，并提供微生物生长的其他环境条件，使投加微生物及土著微生物在混合液中大量生长，待数量达到一定程度后，返还入受污染水体中。目前针对此种方法的专用设备较少，且在使用过程中往往存在设备功耗高、人工操作强度大、菌种养分利用率低、发酵效果差、扩增倍数低等问题，设备投入使用一段时间后多数成为摆设，浪费了大量投资费用。

2具体要求和流程

1. 一种用于河道治理的菌种孵化器装置，包括集装箱外壳、菌种投加系统、营养碳源投加系统、供碱系统、紫外消毒系统、菌种孵化罐、菌种恒化器、发酵供气系统、二次扩培系统以及自动控制系统；上述所有系统集成于集装箱外壳内，通过管路相连接；所述自动控制系统提前设置运行控制程序及运行要求。

2. 根据权利要求 1 所述菌种投加系统包括菌种下料器、菌种活化罐、液位控制仪、搅拌系统、加水电磁阀、投菌计量泵。菌种投加系统自动运行状态下，菌种下料器下料菌种至菌种活化罐，自动配置 10%液体菌剂并按设定投加频率投加至菌种孵化罐。

3. 根据权利要求 1 所述营养碳源投加系统包括碳源储罐、碳源投加计量泵。营养碳源投加系统自动运行状态下与投菌计量泵联动投加。

4. 根据权利要求 1 所述供碱系统包括碱液储罐、碱液投加计量泵。供碱系统自动运行状态下受菌种孵化罐 PH 探头控制。

5. 根据权利要求 1 所述菌种孵化罐包括发酵罐罐体、上法兰盖、磁翻板液位计、在线 PH 计、在线溶解氧仪、在线温度计、加热恒温系统、气升导流筒、长条目镜、紫外灯、呼吸阀。其中所述加热恒温系统自动运行状态下受在线温度计控制，根据温度控制要求保持菌种孵化罐恒温。

6. 根据权利要求 1 所述发酵供气系统包括旋混风机、菌种孵化罐出气口、无菌空气进气口管路和设于菌种孵化罐底部的均匀布气系统，所述无菌空气进气口和菌种孵化罐出气口上设置电磁阀，所述电磁阀开闭受孵化罐在线溶解氧仪控制。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。所述旋混风机的出气口通过导管与菌种发酵罐布气系统固定连接。

7. 根据权利要求 1 所述菌种恒化器包括恒化器罐体、上法兰盖、高效微生物选择器、微生物固定床，微生物固定化载体。所述菌种恒化器与菌种孵化器通过导管、循环泵相互连通，导管上固定安装有阀门。其实所述高效微生物选择器内填充特定微生物激活营养素，促进所投菌种繁殖生长。所述微生物固定床内填充聚烯烃类和聚酰胺填料，具有比表面积大、孔隙率高、充氧性能好、微生物新陈代谢快、不结团、不堵塞、运行管理简便、使用寿命长等优点。微生物固定化载体为包埋固定化的特定菌种。

8. 根据权利要求 1 所述二次扩培系统包括箱体、潜水搅拌机、微孔曝气头、空气泵、纳米悬浮球填料、在线溶解氧仪等。微孔曝气头安装于箱体底部，且曝气装置与潜水搅拌机的启闭受所述在线溶解氧仪参数调节。

3发明内容

本发明的目的在于提供一种用于河道治理的菌种孵化器装置，创新的采用气升环流发酵工艺+细胞再循环菌种恒化器+连续流灌注培养配合二次发酵扩培工艺，真正意义上实现就地孵化，实现菌种指数级别扩培及驯化投加。增加加入水体微生物量，提升水体治理效果，降低治理成本，可用于含有厌氧、兼氧、好氧微生物菌群的各种微生物菌剂培养，集装箱式一体化装置，运输安装简单，自动化控制、无需人工值守运营管理简单。本发明提供一种用于河道治理的菌种孵化器装置，包括集装箱外壳、菌种投加系统、营养碳源投加系统、供碱系统、紫外消毒系统、菌种孵化罐、菌种恒化器、发酵供气系统、二次扩培系统以及自动控制系统；上述所有系统集成于集装箱外壳内，通过管路相连接；所述自动控制系统提前设置运行控制程序及运行要求。

进一步的所述菌种投加系统包括菌种下料器、菌种活化罐、液位控制仪、搅拌系统、加水电磁阀、投菌计量泵。菌种投加系统自动运行状态下，菌种下料器下料菌种至菌种活化罐，自动配置 10%液体菌剂并按设定投加频率投加至菌种孵化罐。

进一步的所述营养碳源投加系统包括碳源储罐、碳源投加计量泵。营养碳源投加系统自动运行状态下与投菌计量泵联动投加。进一步的所述供碱系统包括碱液储罐、碱液投加计量泵。供碱系统自动运行状态下受菌种孵化罐 PH 探头控制。

进一步的所述菌种孵化罐包括发酵罐罐体、上法兰盖、磁翻板液位计、在线 PH 计、在线溶解氧仪、在线温度计、加热恒温系统、气升导流筒、长条目镜、紫外灯、呼吸阀。其中所述加热恒温系统自动运行状态下受在线温度计控制，根据温度控制要求保持菌种孵化罐恒温。

进一步的，所述发酵供气系统包括旋混风机、菌种孵化罐出气口、无菌空气进气口管路和设于菌种孵化罐底部的均匀布气系统，所述无菌空气进气口和菌种孵化罐出气口上设置电磁阀，所述电磁阀开闭受孵化罐在线溶解氧仪控制。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。所述旋混风机的出气口通过导管与菌种发酵罐布气系统固定连接。

进一步的所述菌种恒化器包括恒化器罐体、上法兰盖、高效微生物选择器、微生物固定床，微生物固定化载体。所述菌种恒化器与菌种孵化器通过导管、循环泵相互连通，导管上固定安装有阀门。其实所述高效微生物选择器内填充特定微生物激活营养素，促进所投菌种繁殖生长。所述微生物固定床内填充聚烯烃类和聚酰胺填料，具有比表面积大、孔隙率高、充氧性能好、微生物新陈代谢快、不结团、不堵塞、运行管理简便、使用寿命长等优点。微生物固定化载体为包埋固定化的特定菌种。

进一步的所述二次扩培系统包括箱体、潜水搅拌机、微孔曝气头、空气泵、纳米悬浮球填料、在线溶解氧仪等。微孔曝气头安装于箱体底部，且曝气装置与潜水搅拌机的启闭受所述在线溶解氧仪参数调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的用于河道微生物修复菌种孵化系统，菌种孵化罐采用气升环流发酵工艺，通过智能芯片控制智能切换气体内循环与外循环进气量来控制发酵溶解氧，解决了原有桨式发酵罐搅拌功耗高，养分混合不佳的问题。

2、本发明提供的菌种孵化系统在原有菌种孵化罐基础上增加细胞再循环恒化器，菌种恒化器内部包含高效微生物选择器、微生物固定床，微生物固定化载体，满足高效微生物的固着与持续释放能力，解决菌种投加量大的问题，同时系统抗冲击负荷能力与抗毒性抑制能力大幅度提升。

3、本发明提供的菌种孵化系统采用连续流灌注培养配合二次发酵扩培工艺，相对于传统的批次和补料批次培养方式，连续灌注培养生产能用更小的设备表达更多的产物，同时还能有效改善产品质量。而且该培养模式中，补料营养成分连续加入，有害代谢产物会及时去除，从而使得细胞在长时间内维持高密度培养和活率。配合二次发酵扩培工艺，保证了营养剂的高效利用，避免了高浓度培养基对河湖水质的影响。一次发酵采用工艺清水或消毒河水配合专用营养基作为发酵基质，菌种活性高，产率大。二次发酵工艺采用低浓度河水混合液中的有机质作为基质利用，可使扩培的菌种快速适应水体环境，具有菌剂投加量少，处理效果好、见效快等优点。

本发明通过在无杂菌的环境下对菌种进行发酵，避免微生物被感染，通过二次扩培装置对发酵后的菌种进行扩培驯化，充分利用系统添加的菌体及培养基，大大提高发酵产率、提升发酵菌体质量，投加后的菌种快速适应水体环境，污染物降解效果佳。

附图说明：

图1为一种用于河道治理的菌种孵化器装置系统平面图

图 2 为一种用于河道治理的菌种孵化器装置系统流程图

图 3 为菌种孵化罐内部结构示意图

图中：集装箱外壳 1、紫外消毒系统 2、菌种投加系统 3、营养碳源投加系统

4、供碱系统 5、菌种孵化罐 6、菌种恒化器 7、发酵供气系统 8、二次扩培系统 9、自动控制系统 10、菌种下料器 301、菌种活化罐 302、液位控制仪303、搅拌系统 304、加水电磁阀 305、投菌计量泵 306、碳源储罐 401、碳源投加计量泵 402、加水电磁阀 403、碱液储罐 501、碱液投加计量泵 502、加水电磁阀 503、循环进水管 601、循环排水管 602、呼吸口 603、进气口 604排气口 605、在线 PH 计 606、在线溶氧仪 607、在线温度计 608、手孔 609、长条目镜 610、环形布气支管 611、反应釜支座 612、导流筒 613、磁翻板液位计 614、上法兰盖 615、反应器罐体夹层伴热 616、恒化器罐体 701、上法兰盖 702、高效微生物选择器 703、微生物固定床 704、微生物固定化载体705、旋混风机 801、无菌空气进气口管路 802、回流电磁阀 803、进气电磁阀 804、箱体 901、潜水搅拌机 902、微孔曝气头 903、空气泵 904、纳米悬浮球填料 905、在线溶解氧仪 906。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图 1～3，本发明实施例中，一种用于河道治理的菌种孵化器装置，包括集装箱外壳 1、紫外消毒系统 2、菌种投加系统 3、营养碳源投加系统 4、供碱系统 5、菌种孵化罐 6、菌种恒化器 7、发酵供气系统 8、二次扩培系统9 以及自动控制系统 10。集装箱尺寸 3500*2200*2300mm、菌种孵化罐 6 尺寸φ1000*1600mm、二次扩培系统 9 尺寸 2200*1000*2300mm。其中所述菌种投加系统 3 包括菌种下料器 301、菌种活化罐 302、液位控制仪 303、搅拌系统 304、加水电磁阀 305、投菌计量泵 306。菌种投加系统 3 自动运行状态下，菌种下料器 301 下料菌种至菌种活化罐 302，自动配置 10%液体菌剂并按设定投加频率投加至菌种孵化罐。

其中所述营养碳源投加系统 4 包括碳源储罐 401、碳源投加计量泵402、加水电磁阀 403。营养碳源投加系统 4 自动运行状态下与投菌计量泵306 联动投加。其中所述供碱系统 5 包括碱液储罐 501、碱液投加计量泵 502、加水电磁阀 503。供碱系统 5 自动运行状态下受菌种孵化罐在线 PH 计 16 控制。其中所述菌种孵化罐 6 包括循环进水管 601、循环排水管 602、呼吸口603、进气口 604、排气口 605、在线 PH 计 606、在线溶氧仪 607、在线温度计 608、手孔 609、长条目镜 610、环形布气支管 611、反应釜支座 612、导流筒 613、磁翻板液位计 614、上法兰盖 615、反应器罐体夹层伴热 616。其中所述反应器罐体夹层伴热 616 自动运行状态下受在线温度计 608 控制，根据温度控制要求保持菌种孵化罐恒温。其中所述菌种恒化器 7 包括恒化器罐体 701、上法兰盖 702、高效微生物选择器 703、微生物固定床 704，微生物固定化载体 705。所述菌种恒化器7 与菌种孵化器 6 通过导管以及循环泵相互连通，导管上固定安装有阀门。其实所述高效微生物选择器 703 内填充特定微生物激活营养素，促进所投菌种繁殖生长。所述微生物固定床 704 内填充聚烯烃类和聚酰胺填料，具有比表面积大、孔隙率高、充氧性能好、微生物新陈代谢快、不结团、不堵塞、运行管理简便、使用寿命长等优点。微生物固定化载体 705 为包埋固定化的特定菌种。

其中所述发酵供气系统 8 包括旋混风机 801、菌种孵化罐排气口 605、无菌空气进气口管路 802 和设于菌种孵化罐底部的环形布气支管 611，所述无菌空气进气口 802 管路和菌种孵化罐排气口 605 管路上设置回流电磁阀803、进气电磁阀 804，所述电磁阀开闭受孵化罐在线溶氧仪 607 控制。所述旋混风机 801 的出气口通过导管与菌种孵化罐环形布气支管 611 固定连接。其中所述二次扩培系统 9 包括箱体 901、潜水搅拌机 902、微孔曝气头903、空气泵 904、纳米悬浮球填料 905、在线溶解氧仪 906 等。微孔曝气头903 安装于箱体 901 底部，且空气泵 904 与潜水搅拌机 902 的启闭受所述在线溶解氧仪 906 参数调节。

3本实施例的工作原理

设备运输到河道边，将进水潜污泵放置到河水中，孵化罐以及加药罐接入工艺清水，电控箱与外界电源之间进行连接，整个孵化器装置就可以很好地进行使用了。

1、营养补充

孵化器共有 3 个营养液储罐，分别储存碱液、专用营养液、菌种，每个罐配合一台加药泵，用于向孵化罐投加相应营养液，自动运行状态下，碱液计量泵会根据孵化罐 PH 变化自动投加，营养液、菌液根据设定好的投加频率自动投加。碱液罐内添加 10%浓度的碳酸钠，投加时用适量清水充分搅拌溶解后加入罐内。营养罐内为专用营养碳源，包含有机酸、缓冲剂、酶、细胞分裂素、维生素、微量元素等，投加时用适量清水充分搅拌溶解后加入罐内。菌种罐设自动投菌系统，固体菌剂投加至下料箱，自动配置 10%浓度菌液。

2、上位机设置孵化罐发酵培养条件：温度 25-35℃，PH6-7.5，DO≥2mg/L，

发酵罐发酵时间 2-8 小时，此时点击自动/手动，旋钮旋至左侧，系统自动运行启动。在培养的过程中，系统通过监测探头能够对发酵罐的温度、溶解氧以及 PH 值进行实时监控，并反馈给自动控制系统，当温度、溶解氧以及 PH值超出或低于最适调节，自动控制系统则会选择性的启动孵化罐加热保温装置、进气电磁阀、碱液投加计量泵来调节目标微生物的培养温度、溶解氧、PH 值上述的最佳条件范围内。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

结束语：

总而言之，微生物制药管理是个全面的过程，考虑到应用周期以及具体变化，大规模实验人员在实验分析的阶段，必须做好菌种准备工作，考虑到实验准备操作以及时间等方面因素，生物废品较多，做好后续处理工作是重点，要改善实验环境，节约人力和物力投入等。

参考文献：

[1]屈三甫,郑从义,方呈祥,陶天申,张火春,薛玲.专利微生物菌种的保藏与发放统计分析[J].氨基酸和生物资源,2012,34(01):1-4.

[2]刘梦涵，叶海强，李黎明.黑曲霉柠檬酸生产菌常用的保藏方法[J]. 当代化工.2019,48(12).