專利名稱：一種分批式生物反應器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及生物反應器設備領域，特別是涉及一種分批式生物反應器。
背景技術(shù)：
近年來隨著世界人口的快速增長以及工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源已不能滿足日趨增加的能源需求。緊張的能源危機以及諸如溫室效應等尖銳的全球環(huán)境問題迫使人們尋找清潔的、可持續(xù)的能源來代替日益枯竭的化石能源。燃料乙醇，特別是木質(zhì)纖維素燃料乙醇，受到越來越廣泛的關(guān)注。由于其具有原料來源廣泛，綠色、清潔，能大大減少co2、so2排放等特點，具有廣闊的應用前景。利用木質(zhì)纖維素原料來制取燃料乙醇大概要經(jīng)過預處理、酶水解、發(fā)酵三個主要步驟。目前，利用木質(zhì)纖維素原料經(jīng)酶水解、發(fā)酵過程制取燃料乙醇的技術(shù)還不成熟，基本停留在實驗室研究階段。在得到大規(guī)模工業(yè)化應用之前還需要進行大量的實驗及理論研究，進行相應的技術(shù)突破。目前，實驗室中進行如生物質(zhì)酶水解、發(fā)酵等實驗一般采用酶反應器、發(fā)酵罐或者搖瓶等生物反應器?，F(xiàn)在的大部分酶反應器、發(fā)酵罐類生物反應器存在體積較大、系統(tǒng)復雜、操控麻煩，成本較高、攪拌及取樣裝置容易堵塞等缺點，且只能進行低基質(zhì)濃度的實驗研究。由于實驗室規(guī)模的科學研究需同時進行的平行實驗較多，即樣本容量較大，但所需取樣的體積較小，利用此類生物反應器進行實驗研究時還存在運營成本高、原料浪費大，不能同時進行多組平行實驗，實驗周期長等問題。利用搖瓶實驗能很好克服平行樣品多的問題，但是搖瓶實驗還存在不少問題，如生物反應過程中反應液的PH難以控制，密封性能不佳等，特別不適合生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣類實驗，或者密封性難以保證，或者容易導致?lián)u瓶爆炸，存在較大的安全隱患。現(xiàn)有酶解、發(fā)酵反應罐存在的體積較大、系統(tǒng)復雜、操控麻煩，成本較大、攪拌及取樣裝置容易堵塞，原料浪費大，不能同時進行多組平行實驗，實驗周期長且只能進行低基質(zhì)濃度的實驗研究等缺點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種體積小、控制方便、自動化程度較高，能同時進行多組平行對照試驗，對照性較好，試驗周期短，運營成本低，原料利用效率高，既能進行基質(zhì)濃度實驗，也能進行低基質(zhì)濃度實驗，且適合于實驗室應用的分批式生物反應器。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)一種分批式生物反應器，其特征在于，包括生物反應器中參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)，用于生物反應器中PH調(diào)節(jié)的補料系統(tǒng)，用于監(jiān)測和計量生物反應器中產(chǎn)生氣體量的氣體流量計裝置，尾氣排出裝置，生物反應器 溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；所述的參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)，PH在線檢測裝置，控制器和多個生物反應器，所述的主控制系統(tǒng)連接控制器，控制器連接PH在線檢測裝置和補料系統(tǒng)，所述的pH在線檢測裝置和補料系統(tǒng)分別連接各生物反應器，所述的氣體流量計裝置連接尾氣排出裝置，所述的尾氣排出裝置連接各生物反應器，所述的生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)分別連接各生物反應器和控制器。所述的主控制系統(tǒng)包括pH控制系統(tǒng)，所述的pH控制系統(tǒng)連接控制器，通過pH控制系統(tǒng)設定各生物反應器所需的PH值，并實時監(jiān)測各生物反應器中的pH值，當生物反應器中PH值不在設定范圍內(nèi)時，由pH控制系統(tǒng)發(fā)出指令，并通過控制器啟動補料系統(tǒng)，投加酸液或堿液，進行PH調(diào)節(jié)，直至pH值為設定范圍內(nèi)。所述的補料系統(tǒng)包括流量控制系統(tǒng)、微型蠕動泵、酸液補料瓶和堿液補料瓶，所述的流量控制系統(tǒng)連接微型蠕動泵，所述的微型蠕動泵分別連接控制器、酸液補料瓶和堿液補料瓶，通過流量控制系統(tǒng)設定微型蠕動泵補料時的轉(zhuǎn)速，當PH值不在設定范圍內(nèi)時，由PH控制系統(tǒng)發(fā)出指令，并通過控制器啟動微型蠕動泵，按流量控制系統(tǒng)設定的轉(zhuǎn)速進行補加酸液或堿液。所述的pH在線檢測裝置由插入各生物反應器的pH電極組成，各pH電極分別連接控制器，各PH電極在線實時檢測各自生物反應器中的pH情況，并通過控制器將各生物反應 器中的pH情況傳輸?shù)絧H控制系統(tǒng)。所述的控制器為整合了數(shù)據(jù)收集、發(fā)送，指令接收、反饋，控制微型蠕動泵啟動、停止的裝置；控制器將各生物反應器中的PH電極檢測到的pH數(shù)據(jù)實時反饋給pH控制系統(tǒng)，當PH不在設定范圍內(nèi)時，接收pH控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，啟動微型蠕動泵，進行酸堿補料，直至PH為設定范圍內(nèi)。所述的多個生物反應器包括六個250mL生物反應器，各生物反應器的材料均為聚丙烯材質(zhì)，各生物反應器整體為圓臺形，頂部形狀為圓柱形，前部并列分布設置排氣孔和取樣口，頂端沿直徑方向兩側(cè)設置補料管，各生物反應器頂部設有保護套。所述的生物反應器頂部設有與pH電極相匹配的內(nèi)螺紋，以及與保護套相匹配的外螺紋；所述的補料管呈向上弧狀彎曲，頂端部分設有補料針以及與保護套相匹配的外螺紋。所述的尾氣排出裝置包括尾氣排出支管、尾氣收集干管和尾氣收集瓶，所述的尾氣排出支管一端依次連接氣體流量計裝置和各生物反應器，另一端連接尾氣收集干管，所述的尾氣收集干管深入尾氣收集瓶液面以下，所述的尾氣收集瓶上設有排氣孔，排氣孔處設置孔徑0. 22 y m濾頭，防止細菌通過排氣孔進入尾氣排放裝置，進而污染生物反應器。所述的氣體流量計裝置實時觀察各生物反應器中尾氣的流量，并能記錄其相連的生物反應器產(chǎn)生尾氣總量。所述的生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)，搖床和磁力攪拌裝置；通過控制系統(tǒng)對各生物反應所需溫度、振蕩、攪拌轉(zhuǎn)速進行設定，所述的溫控系統(tǒng)采用微電腦單片機技術(shù)、氣浴加熱方式，具有數(shù)顯控溫及定時功能，溫度控制范圍為4-60°C，溫度均勻度±0. 5°C，溫度控制精度為±0. 1°C，具有良好的熱循環(huán)功能；所述的搖床和磁力攪拌裝置單獨運行對生物反應器中的反應物進行混合，或聯(lián)合運行同時對生物反應器中的反應物進行混合。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明分批式生物反應器體積小，操控方便，自動化程度較高，能實現(xiàn)在線實時監(jiān)測、記錄各反應器中參數(shù)的變化。同時，與傳統(tǒng)的大型酶解、發(fā)酵罐相比，其能同時進行多樣本平行對照，且所需原料較少，節(jié)省成本。該分批式生物反應器非常適合實驗室研究，尤其適合秸桿酶解及發(fā)酵類生物實驗。該分批式生物反應器為實驗室生物反應提供了理想的反應器，一定程度上促進了木質(zhì)纖維素燃料乙醇的研究，縮短了實驗周期，加速了木質(zhì)纖維素燃料乙醇的工業(yè)化應用，增加了理論研究數(shù)據(jù)的可靠性與可比性。


圖I為本發(fā)明分批式生物反應器結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)示意圖。圖中1_微型蠕動泵，2-流量計，3-排氣孔，4-取樣口，5-尾氣收集瓶，6-0. 5mol/LNaOH補料瓶，7-0. 5mol/L HCl補料瓶，8-主控制系統(tǒng)，9-控制器，10-pH計，11-排氣干管，12-排氣支管，13-NaOH補料支管，14-HC1補料支管，15-NaOH補料干管，16-HC1補料干管，17-生物反應器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
實施例I如圖I所示，一種分批式生物反應器，包括生物反應器中參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)，用于生物反應器中PH調(diào)節(jié)的補料系統(tǒng)，用于監(jiān)測和計量生物反應器中產(chǎn)生氣體量的氣體流量計裝置，尾氣排出裝置，生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；所述的參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)8 (即pH控制系統(tǒng))，pH在線檢測裝置，控制器9和多個生物反應器17，pH在線檢測裝置由插入各生物反應器17的pH計10組成，所述的主控制系統(tǒng)8連接控制器9，控制器9連接pH計10和補料系統(tǒng)，補料系統(tǒng)包括流量控制系統(tǒng)、微型蠕動泵I、
0.5mol/LNa0H補料瓶6和0. 5mol/L HCl補料瓶7，所述的流量控制系統(tǒng)連接微型蠕動泵1，所述的微型蠕動泵I分別連接控制器9、0. 5mol/LNa0H補料瓶6和0. 5mol/L HCl補料瓶7，所述的氣體流量計裝置為流量計2，所述的尾氣排出裝置包括排氣支管12、排氣干管11和尾氣收集瓶5，所述的排氣支管12 —端依次連接流量計2和各生物反應器17，另一端連接排氣干管11，所述的排氣干管11深入尾氣收集瓶液5面以下。本分批式生物反應器共有六個250mL生物反應器17，其材質(zhì)均為聚丙烯(PP)，具有密度小，質(zhì)量輕，韌性好，耐化學性、耐熱性好，可用于100°c以上滅菌等優(yōu)點。各生物反應器瓶口頂端均設內(nèi)外螺紋旋口，PH計10旋入內(nèi)螺紋旋口，旋緊，保證氣密性，導線通過旋轉(zhuǎn)接口與控制器9相連接，保護套從外螺紋旋口旋入，起到固定和保護pH計10的作用。生物反應器17兩側(cè)對稱設置的為酸堿補料管，各補料管上部和下部均設置補料針。上部補料針孔徑與NaOH補料支管13和HCl補料支管14孔徑相匹配，補料管上端同樣設置外螺紋，以便旋入保護蓋，起到固定進樣支管的作用。各反應器的NaOH補料支管13和HCl補料支管14通過微型蠕動泵之后分別與Na0H15補料干管和HCl 16補料干管相連接。Na0H15補料干管和HCl 16與0. 5mol/LNa0H補料瓶6和0. 5mol/L HCl補料瓶7相連接。當pH計10檢測到的生物反應器17中pH不在設定范圍內(nèi)時，由pH控制系統(tǒng)發(fā)出補加酸或堿的指令，由控制器9控制啟動微型蠕動泵I，補加酸液或堿液，直至pH計10檢測到的pH值在設定范圍內(nèi)?？刂破?既可通過USB接口，又可以數(shù)據(jù)無線傳輸方式與檢測控制系統(tǒng)相連接，能將各生物反應器中各參數(shù)變化實時傳輸?shù)街骺刂葡到y(tǒng)8，實現(xiàn)在線實時檢測與控制。生物反應器正面上端平行設置尾氣排氣孔3與取樣口 4。取樣口 4兩端設置取樣針且均連接取樣管，上端取樣管用止水夾夾住，只有取樣時予以打開。各排氣孔3連接排氣支管12，且與氣體流量計2連接。通過氣體流量計2能觀察各生物反應器瞬時氣體流量及產(chǎn)生的總的氣體體積。經(jīng)過氣體流量計的排氣支管12與排氣干管11相連接，排氣管干管11與尾氣收集瓶5相連接并伸入瓶液面以下，減少生物反應器中揮發(fā)性組分的揮發(fā)，并通過尾氣收集瓶5的排氣孔排出，排氣孔處設置孔徑0. 22 y m濾頭，防止細菌通過排氣孔進入尾氣排放裝置，進而污染生物反應器。該分批式生物反應器的溫度通過溫控系統(tǒng)控制。溫控系統(tǒng)采用微電腦單片機技術(shù)、氣浴加熱方式，具有數(shù)顯控溫及定時功能，溫度控制范圍為4-60°C，溫度均勻度±0.5°C，溫度控制精度為±0. 1°C，具有良好的熱循環(huán)功能。振蕩混勻方式有磁力攪拌和搖床振蕩兩種模式可以選擇。當進行高基質(zhì)濃度的生物實驗時可選擇搖床振蕩模式，進行低基質(zhì)濃度實驗室可調(diào)為磁力攪拌模式，以達到理想的混合效果。該分批式生物反應器的核心部件為參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)，通過其可以對整個系統(tǒng)的參數(shù)進行設置。例如，通過其可以設定反應所需pH、溫度，磁力攪拌的轉(zhuǎn)速、振蕩的轉(zhuǎn)速等。向1-6號反應器中分別加入干燥的、經(jīng)過I. 0% NaOH預處理過的小麥秸桿粉末 4. 0g、8. 0g、16. 0g、20. 0g、28. 0g、32. Og, Sigma 纖維素酶投加量均為 30FPU/g 底物，各反應器中液體總體積均為200mL。則固體含量分別為2. 0 %、4. 0%、8. 0 %、10. 0 %、14. 0%、16. 0 %。通過pH控制系統(tǒng)設定酶水解pH值為4. 0，設定溫度為40°C，以搖床模式進行振蕩，轉(zhuǎn)速為180r/min。用于pH調(diào)節(jié)的HCl和NaOH濃度均為0. 5mol/L，蠕動泵轉(zhuǎn)速為0. lrpm。酶水解總時間為120h，每24h取一次樣。經(jīng)過48h后，各反應器中的葡萄糖濃度均達到最大值，分別為:8. 5g/L，16. 8g/L，31. 2g/L，36. lg/L，47. Og/L，57. Og/L，各反應器中溶液體積變化很小，均在IOmL以內(nèi)，證明pH控制調(diào)節(jié)較為精準，不會出現(xiàn)投加過量或重復投加而導致體積增大的現(xiàn)象。實施例2分批式生物反應器同實施例I。向1-6號反應器中分別加入干燥的、經(jīng)過I. 0% NaOH預處理過的小麥秸桿粉末各32. 0g, Sigma纖維素酶投加量分別為5FPU/g底物，10FPU/g底物，20FPU/g底物，30FPU/g底物，35FPU/g底物，50FPU/g底物，酵母投加量均為2g/L，各反應器中液體總體積均為200mL，則固體含量均為為16.0%。通過pH控制系統(tǒng)設定酶水解pH值為4.0，設定溫度為38°C，以搖床模式進行振蕩，轉(zhuǎn)速為180rpm。用于pH調(diào)節(jié)的HCl和NaOH濃度均為0. 5mol/L,蠕動泵轉(zhuǎn)速為0. lrpm。同步糖化發(fā)酵總時間為120h，每24h取一次樣。經(jīng)過96h后，各反應器中的乙醇濃度均達到最大值，分別為7. 9g/L，22. 8g/L，25. 9g/L，29. 1/L，32. 4g/L，32. 8g/Lo與各反應器連接的氣體流量計顯示的產(chǎn)生CO2總體積分別0. 86L，2. 56L，2. 92L，3. 27L，
3.62L，3. 68L。同時，各反應器中溶液體積變化很小，均在IOmL以內(nèi)，證明pH控制調(diào)節(jié)較為精準，不會出現(xiàn)投加過量或重復投加而導致體積增大的現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.一種分批式生物反應器，其特征在于，包括生物反應器中參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)，用于生物反應器中PH調(diào)節(jié)的補料系統(tǒng)，用于監(jiān)測和計量生物反應器中產(chǎn)生氣體量的氣體流量計裝置，尾氣排出裝置，生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；所述的參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)，PH在線檢測裝置，控制器和多個生物反應器，所述的主控制系統(tǒng)連接控制器，控制器連接PH在線檢測裝置和補料系統(tǒng)，所述的pH在線檢測裝置和補料系統(tǒng)分別連接各生物反應器，所述的氣體流量計裝置連接尾氣排出裝置，所述的尾氣排出裝置連接各生物反應器，所述的生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)分別連接各生物反應器和控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的主控制系統(tǒng)包括PH控制系統(tǒng)，所述的pH控制系統(tǒng)連接控制器，通過pH控制系統(tǒng)設定各生物反應器所需的pH值，并實時監(jiān)測各生物反應器中的pH值，當生物反應器中pH值不在設定范圍內(nèi)時，由pH控制系統(tǒng)發(fā)出指令，并通過控制器啟動補料系統(tǒng)，投加Ife液或喊液，進彳丁 pH調(diào)節(jié)，直至pH值為設定范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的補料系統(tǒng)包括流量控制系統(tǒng)、微型蠕動泵、酸液補料瓶和堿液補料瓶，所述的流量控制系統(tǒng)連接微型蠕動泵，所述的微型蠕動泵分別連接控制器、酸液補料瓶和堿液補料瓶，通過流量控制系統(tǒng)設定微型蠕動泵補料時的轉(zhuǎn)速，當PH值不在設定范圍內(nèi)時，由pH控制系統(tǒng)發(fā)出指令，并通過控制器啟動微型螺動泵，按流量控制系統(tǒng)設定的轉(zhuǎn)速進行補加酸液或堿液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的pH在線檢測裝置由插入各生物反應器的PH電極組成，各pH電極分別連接控制器，各pH電極在線實時檢測各自生物反應器中的PH情況，并通過控制器將各生物反應器中的pH情況傳輸?shù)絧H控制系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的控制器為整合了數(shù)據(jù)收集、發(fā)送，指令接收、反饋，控制微型蠕動泵啟動、停止的裝置控制器將各生物反應器中的pH電極檢測到的pH數(shù)據(jù)實時反饋給pH控制系統(tǒng),當pH不在設定范圍內(nèi)時,接收PH控制系統(tǒng)發(fā)出的指令，啟動微型蠕動泵，進行酸堿補料，直至pH為設定范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的多個生物反應器包括六個250mL生物反應器，各生物反應器的材料均為聚丙烯材質(zhì)，各生物反應器整體為圓臺形，頂部形狀為圓柱形，前部并列分布設置排氣孔和取樣口，頂端沿直徑方向兩側(cè)設置補料管，各生物反應器頂部設有保護套。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的生物反應器頂部設有與PH電極相匹配的內(nèi)螺紋，以及與保護套相匹配的外螺紋；所述的補料管呈向上弧狀彎曲，頂端部分設有補料針以及與保護套相匹配的外螺紋。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的尾氣排出裝置包括尾氣排出支管、尾氣收集干管和尾氣收集瓶，所述的尾氣排出支管一端依次連接氣體流量計裝置和各生物反應器，另一端連接尾氣收集干管，所述的尾氣收集干管深入尾氣收集瓶液面以下，所述的尾氣收集瓶上設有排氣孔，排氣孔處設置孔徑0. 22 y m濾頭，防止細菌通過排氣孔進入尾氣排放裝置，進而污染生物反應器。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的氣體流量計裝置實時觀察各生物反應器中尾氣的流量，并能記錄其相連的生物反應器產(chǎn)生尾氣總量。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種分批式生物反應器，其特征在于，所述的生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)，搖床和磁力攪拌裝置；通過控制系統(tǒng)對各生物反應所需溫度、振蕩、攪拌轉(zhuǎn)速進行設定，所述的溫控系統(tǒng)采用微電腦單片機技術(shù)、氣浴加熱方式，具有數(shù)顯控溫及定時功能，溫度控制范圍為4-60°C，溫度均勻度±0. 5°C，溫度控制精度為±0. rc，具有良好的熱循環(huán)功能所述的搖床和磁力攪拌裝置單獨運行對生物反應器中的反應物進行混合，或聯(lián)合運行同時對生物反應器中的反應物進行混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分批式生物反應器，包括生物反應器中參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)，用于生物反應器中pH調(diào)節(jié)的補料系統(tǒng)，用于監(jiān)測和計量生物反應器中產(chǎn)生氣體量的氣體流量計裝置，尾氣排出裝置，生物反應器溫度和轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)；所述的參數(shù)在線檢測及控制系統(tǒng)包括主控制系統(tǒng)，pH在線檢測裝置，控制器和多個生物反應器，所述的主控制系統(tǒng)連接控制器，控制器連接pH在線檢測裝置和補料系統(tǒng)，所述的pH在線檢測裝置和補料系統(tǒng)分別連接各生物反應器，所述的氣體流量計裝置連接尾氣排出裝置，所述的尾氣排出裝置連接各生物反應器。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有體積小、控制方便，檢測精準，可同時進行多個樣品反應，實現(xiàn)獨立控制等優(yōu)點。
文檔編號C12M1/36GK102703313SQ201210149528
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月14日
發(fā)明者張偉, 林燕 申請人:上海交通大學