一种微生物连续培养装置的制作方法

本发明属于微生物培养装置领域，具体是涉及到一种微生物连续培养装置。

背景技术：

生物冶金是一种利用浸矿微生物来浸出低品位、高复杂、难处理的矿产资源或含重金属固废的湿法冶金技术，其金属浸出范围广，浸出效果好，而且不产生污染，环境压力小，同时具有投入成本低且经济效益好等优点而被广泛应用于矿产资源开采和二次资源的回收领域。

生物冶金是由浸矿微生物发挥主体作用，因此在生物冶金过程中培养浸矿微生物并持续获得大量的浸矿微生物是保证生物浸出的关键。实验室中对生物浸出的工艺探究和优化过程中需要源源不断的提供浸矿微生物菌液作为生物浸出的原料。目前，实验室中浸矿微生物的获得通常是采用种子培养，即先用摇瓶培养获得种子液，然后将种子液逐级扩大培养以逐步获得浸矿或实验所需的生物量。由于工业浸矿需要源源不断的大量提供浸矿微生物，因此传统的培养模式因其所需培养周期长，培养体积十分有限，培养生物量浓度不均一等弊端而难以保证浸出实验的效果和最佳工艺的探究。因此实验室需要一种能够连续不断并且培养效果稳定的浸矿微生物的培养装置来为浸出实验的正常、高效进行提供保障。

微生物曝气培养装置的一般类型为曝气管深入培养罐中进行曝气培养，比如中国专利申请号为201220161347.0的专利，公开了一种微生物培养罐气流搅拌装置，包括曝气管、空气泵、通气管，空气泵通过通气管与设置在培养罐内的曝气管一端连接，曝气管设置在培养罐腔体内，所述曝气管上开有孔径相等的通孔，且通孔沿曝气管径向呈螺旋状分布，所述曝气管的伸展方向，与培养罐的轴心线一致。该种曝气方式需要控制特定的气泡走向，曝气孔太大，气泡过大，单位体积曝气效率下降，而曝气孔太小，气泡沿着气流方向运动路径较短，不会形成螺旋搅拌，有效曝气面积局限于曝气管附近。且对于铁氧化浸矿微生物培养体系，形成的沉淀颗粒会让曝气孔径存在一定范围的波动。因此，现有技术的曝气方式，很难同时兼顾高效曝气和减少加热管结垢(浸矿微生物作用下易形成的类铁钒物质，趋向于加热上生成)效果。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种构造简单、操作方便、可连续获得浸矿微生物并且制造成本低廉的微生物连续培养装置，并且可以显著减少加热装置表面沉积物结垢量，大大延长加热装置使用寿命。

本发明的内容包括培养罐和设置在培养罐内的曝气管，还包括环绕在曝气管外围并对培养罐内的培养液加热的加热管，所述曝气管还固定有沿曝气管轴向分布的多个挡板，挡板的形状为圆环形，中心向下凹陷，所述挡板靠近曝气管的位置设置有漏孔；所述加热管呈螺旋环绕在曝气管外围，螺旋的直径大于挡板的直径。

所述挡板上分布有漏孔的区域为圆环，圆环的环宽不超过挡板环宽的1/10。

所述漏孔的孔径为1-5mm。

相邻挡板之间的距离为所述螺旋螺距的2/3-4/3。

所述加热管的数量为1-2根。

所述曝气管为无毒聚乙烯材料；所述曝气管上的曝气孔的微孔平均孔径：φ0.03～φ0.06mm，微孔布置密度：700～1200个/米。

所述曝气管产生的气泡直径：0.5～1mm(淡水)，0.8～2mm(海水)，但根据水质黏度和水位高低有一定变化。

最下方的挡板上的漏孔下方为倒圆锥形的沉淀堆积池，沉淀堆积池的下方连通有排泄沉淀物的排污管。

所述培养罐的顶部设置有防尘盖，防尘盖上设置有通气孔。

所述加热管外套有传热效果好的厚度为1～2mm的塑胶套。

所述培养罐的侧壁上设置有连通培养罐内部并显示水位的水位显示管。

所述培养罐内设置有温度传感器，培养罐下部设置有进料管，底部设置有排泄管，上部设置有溢流管。

本发明的有益效果是，本发明的曝气产生在加热管附近，加热管和曝气管高度一致，曝气管曝气时在加热管附近形成持续水流扰刷，不仅减轻了加热管局部高温，而且避免了铁钒的附着和结垢，使得加热管传热均匀，且使用寿命延长，也延长了培养的维护周期，同时利于提高悬浮菌浓度。加热管和曝气管位置均不超过溢流管和进料管开口，可以避免进料压力和溢流速度不均一等问题。本发明的加热管为螺旋结构环绕在曝气管的外围，曝气管上的气体会最大程度的冲刷加热管，加热管的加热范围较大，效果较好，整体的微生物培养效果较好。

本发明的挡板便于微生物培养过程中产生的铁矾等沉淀物的收集和排出，也便于装置的冲洗。

整个培养器装置外部可包被保温材料以减少热量散失，从而提高节能效果和维持不同外部气候条件下培养过程中温度条件的稳定。

同时，本装置除了适用于浸矿微生物的连续培养外，也适用于其他类型的微生物如污水处理用菌的好氧分批培养或连续培养。

本发明自带可调节流速的进料管和溢流管，可以实现微生物的连续培养以持续获得所需微生物。自带的加热装置和温度传感器可以方便调节培养温度以培养多种温度类型的微生物，相比传统培养减少了附属设备的投入成本。装置自带的通气和曝气装置不仅可以通入不同气体以培养好氧、厌氧等类型微生物，也同时起到均匀搅拌培养基的作用以使得传质、传热均匀。

附图说明

图1为常规加热装置培养前和培养7天后其表面铁钒结垢情况。

图2为本发明不具挡板的结构示意图。

图3a为本发明的漏孔式挡板的俯视图。

图3b为本发明的支架式挡板的俯视图。

图4为本发明具挡板和加热管的结构示意图。

图5为本发明的挡板对气体导流状态示意图。

图6为本发明的双螺旋加热管和挡板的立体结构示意图。

图7为图6的侧视图。

图8为30天分批培养与连续培养获得的生物菌液量。

图9为培养30天后加热装置表面单位面积上铁矾等结垢量。

在图中，1通气孔、2防尘盖、3培养罐、4通气管、5气流量控制阀、6水位显示管、7加热管、8曝气管、9温度传感器、10液流量控制阀、11进料管、12底座、13溢流管、14电位传感器、15排卸管、16排卸阀门、17挡板、171漏孔、172固定通孔。

具体实施方式

如图2-7所示，本发明包括培养罐3和设置在培养罐3内的曝气管8，还包括环绕在曝气管8外围并对培养罐3内的培养液加热的加热管7，所述曝气管8还固定有沿曝气管8轴向分布的多个挡板17，挡板17的形状为圆环形，中心向下凹陷，所述挡板17靠近曝气管8的位置设置有漏孔171，所述加热管7呈螺旋环绕在曝气管8外围，螺旋的直径大于挡板17的直径。

本发明的培养罐3设置在底座12，上底座为圆台式空心结构，底座高度为装置总高度的1/5-1/6，底座底部半径为装置总高度的1/3-1/4，排卸管15距离底部约底座高度的1/3-1/4。本发明的曝气管8为筒状结构，管壁厚度为3-5mm，材料为无毒无害、质地较硬的塑胶材料(如pvc材料)，可以防止酸性溶液的腐蚀，质地坚硬可套上挡板，也可防止长时间处在高温和高压气体环境中的软化问题。曝气管8上均匀分布有平均孔径：φ0.03～φ0.06mm的微孔，微孔布置密度：700～1200个/米。不仅可预防不通气时孔道堵塞，并防止高压气体剪切力太大影响生物生长和液位深时通入气体流出不均匀。曝气管8上端与通气管4相连，通气管4设置有气流量控制阀，底端封闭，上端与加热管7等高，下端略长于加热管7，曝气管8上下两端均不超过进料管11的进料口和溢流管13的溢流口。

加热管为316l型不锈钢蛇形盘管，外面套有(或镀有)厚度1-2mm的传热效果好的塑胶材料，以防止加热管在酸性培养体系中被腐蚀和与微生物直接接触而烫伤微生物。

挡板17为质地坚硬的塑胶材料，厚度为5-8mm，中间设置有固定通孔172，直接套在曝气管8上并加以紧固(过盈配合或者其他固定方式)，可拆卸和调整位置。挡板17为凹陷且呈弧形的圆环状，便于沉淀物滑落，在靠近曝气管8处为孔状，漏孔直径为1～5mm，便于积累的沉淀物漏下。

如图5所示，曝气管8内的气体从孔隙中出来后，由于气泡浮力作用会直接向上游走，在挡板17发作用下，冲击和扩散到加热管7上，扰刷加热管7，致使加热管7上附着的铁钒和加热管7分离，实现气流导向，从而提高传热效率。本发明特别适合于曝气管8低压通入空气时，因为此时曝气管8的气压不足，会导致采用一般设计时，气流难以冲刷加热管7。本发明也特别适合于大容器容量的培养罐3，加大了气泡和加热管7的接触，扩大了加热管7的设置范围，不在需要将其紧贴在曝气管8上设置。

本发明的挡板17积累的铁钒等沉淀物从漏孔171漏下，由于挡板17的形状和漏孔171的位置，铁钒等沉淀物会依次进入到最下方的挡板17，最下方的挡板17上的漏孔171连通有排泄沉淀物的排污管，减少沉淀物在培养罐内的扩散面积，防止其堵塞进料管等，提高微生物培育效果。

所述挡板17上分布有漏孔171的区域为圆环，圆环的环宽不超过挡板环宽的1/10，防止气体通过漏孔溢出。

漏孔式的所述漏孔171的孔径为1～5mm，以能够排出沉淀物为准。

所述的支架式的挡板为171区域为围绕圆心圆形等间距分布的3-6个支架，实现挡板与曝气管的连接与固定，提供更大镂空区域排放沉积物。

所述的加热盘管为双螺旋结构，材料优选为316l型钢，外面套有一层1-2mm后的橡胶套。

所述加热管7呈螺旋环绕在曝气管8外围，螺旋的直径大于挡板17的直径，以便加热管7能够顺利安装和使用。加热管7的数量可以为1-2根，如图5-6，加热管的数量为2根。

相邻挡板17之间的距离为所述螺旋螺距的2/3-4/3，此时挡板17和加热管7之间的密度分布情况最为理想，能有效的加热、冲刷加热管和曝气。

所述培养罐3的顶部设置有防尘盖2，防尘盖2上设置有通气孔1。

所述培养罐3的侧壁上设置有连通培养罐3内部并显示水位的水位显示管6，连通处距离上下约1/15-1/20处。

所述培养罐3内设置有温度传感器9，培养罐3下部设置有进料管11，进料管11设置有液流量控制阀10；底部设置有排泄管15，排泄管15上设置有排卸阀门16；上部设置有溢流管13，溢流管13上设置有电位传感器14。溢流管13开口位于装置内部距离装置内部上面1/15-1/20水平位置处，在连续培养时手动控制进料速率或通过溢流管上的电位传感器14来反馈调节进料速率。

所述的排污管15以30-60°角度向下倾斜，便于沉积物的排出。

以浸矿微生物嗜酸硫化杆菌(sulfobacillusacidophilus)的连续培养为例。

培养基为9k营养液，其配方如下：硫酸铵((nh4)2so4)3g/l；磷酸氢二钾(k2hpo4)0.5g/l；氯化钾(kcl)0.1g/l；硫酸镁(mgso4·7h2o)0.5g/l，硝酸钙(ca(no3)2)0.01g/l；溶解后用98％浓硫酸(h2so4)调节ph至2.0左右。另外加入硫酸亚铁13g/l、酵母提取物0.25g/l。

启动培养时，先通过进料管加入上述培养基约9l后关闭进料管，按照10％接种量接入约1l的氧化亚铁硫杆菌，控制温度为45℃，通气量为0.2m³/min，打开排气孔，保温通气持续培养4-7天。

待装置内培养菌液变为深红色，开启进料管添加培养基，控制进料速率为0.5-2.0l/h，待装置内菌液达到溢流管位置时通过电位监测装置检测电位是否达到600mv，未达到600mv则调节或关闭进料管，达到600mv即可开启溢流阀门排出菌液，并调节溢流速率与进料速率一致，达到连续培养目的。培养过程中产生的沉淀物可通过排污管来去除。

图1为常规的加热装置在培养前(上)和培养7天(下)后其表面铁钒结垢情况，从中可以看出，培养7天后结垢非常严重，严重影响加热效果。

培养效果：

(1)采用本发明的连续培养模式，在30天可获得高生物量浸矿菌液1.13m³，同时间内比常规的加热装置传统分批所得0.17m³相比，大大提高了生物量和培养效率(见图8)。

(2)与不具气流挡板的本加热装置相比，安装挡板后可对加热装置起到持续扰刷作用，从而使加热装置表面的铁矾等结垢物单位面积降低80％以上(见图9)。

因此，采用本发明装置培养微生物不仅可以显著提高培养效率，还可以大大延长装置的使用寿命，达到连续培养目标。从而提高了培养效率，降低了培养成本。

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