生物膜載體的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種生物膜載體，能夠提高每單位反應器體積的生物轉化的速度。所述生物膜載體由包括細絲的結構化紗線制成，構成中心紗線的各條單獨的細絲構成了在所述紗線的整個長度上延伸的連續纖維，且細絲沿著所述紗線的長度通過錨定點彼此固定到一起，其特征在于，結構化紗線在格狀結構的固定點處被固定，各條結構化紗線在兩個相鄰固定點之間形成圈，所述圈的弧長大于這兩個固定點之間的距離。
【專利說明】
生物膜載體
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種生物膜載體，該生物膜載體由包括細絲的結構化紗線制成，構成中心紗線的各條單獨的細絲構成了在該紗線的整個長度上延伸的連續纖維，且細絲沿著紗線的長度通過錨定點彼此固定到一起。
【背景技術】
[0002]現代經濟將以微生物轉化和以微生物產生的材料為基礎的操作用到了一個顯著的且逐漸增長的程度。以微生物轉化為基礎的這些操作包括但不限于:例如，生物污水處理、有機材料至沼氣的厭氧發酵、若干醫藥工業發酵和食品工業發酵、甚至生物空氣凈化。對此引用幾個生物上可產生的物質的例子，例如生物乙醇、生物聚合物(例如聚乳酸或聚羥基烷酸酯)、酶、有機酸、抗生物質和無數的其它重要產品。
[0003]相關微生物轉化明確在液相反應器中進行，而很少在氣相反應器中進行，這些反應器即所謂的生物反應器。生物反應器為負責轉化的微生物的操作提供充足的條件:必要的營養物質和環境條件。當充足的條件存在時，生物反應器的性能基本上由引入到該生物反應器的微生物的量(濃度)及其狀態限定。
[0004]負責生物轉化的微生物基本上以兩種形式存在于生物反應器中:自由漂浮(所謂的浮游)形式、或附著于表面(如所謂的生物膜表型)。在自然條件下，如果可能的話，微生物優選生物膜形式。在生物膜上定殖的微生物能夠獲得非常高的細胞濃度，并且由于所建立的復雜結構以及用于該復雜結構的粘合材料，這些微生物基本上能夠比它們的自由漂浮同源物發揮更高效的作用。
[0005]以生物膜為基礎的生物反應器(即所謂的生物膜反應器)在全球的使用由于上述實現方式而增加，以用于各種生物轉化。工業化尺寸的生物膜反應器首先出現在生物污水處理中，但現在，它們被用于越來越多的工業發酵技術中。
[0006]在生物膜反應器中，微生物在載體上定殖并形成生物膜，其中，該載體具有用于使微生物在其上定殖并形成生物膜的充足表面。已知有兩種主要的生物膜載體:即懸浮載體(懸浮在生物反應器的流體空間中)和固定設計的載體。固定載體近年來已經躋身到前沿研究中，因為它們的性能比懸浮載體的性能更加有利(無需用于移動、懸浮的能量，無需特定的過濾步驟，沒有因摩擦而導致的機械磨損問題等)。
[0007]—個最重要的要求是:生物膜載體必須能夠結合盡可能多的生物質的量，而同時能夠使所產生的生物膜對液相中的營養物質以及對微生物所產生的代謝物是可滲透的。根據載體的設計，可滲透的并因此適用于技術目的的生物膜的厚度在十分之一毫米到多達幾厘米的范圍內。
[0008]就制作生物膜載體而言，目前的總體目標是使用具有盡可能大的比表面面積的材料。這基于所公認的假設，即微生物被定殖為平行于表面而設置的膜狀薄膜(由此產生了術語生物膜)。粘附有膜狀薄膜的表面通常能夠從幾十分之一毫米發展到幾毫米厚，進一步的增厚受其自身的限制，因為微生物新陳代謝所需的至關重要的營養物質不能穿透厚的薄膜。因此，迄今為止，能夠以生物膜的形式設置在反應器體積單位內的生物質的量受到載體的比表面面積和仍舊存活的生物膜的膜厚的限制。
[0009]此外，在固定設計的生物膜載體中，柔性結構已替代了之前熟練的剛性結構，尤其是，由于柔性結構的有利表面和成本特征，基本上以織物為基礎的纖維狀和絲狀的載體應用最廣泛。由編織合成織物制成的生物膜載體的一個最優選設計公開在專利HU227984說明書中，而圈狀合成織物載體的例子公開在專利文件US5771716和US7862890中。可以說，在柔性的、以織物為基礎的生物膜載體中，圈狀構造已被證明是更有利的，因為該圈為微生物粘附至織物紗線的表面提供了某種保護，以避免微生物受到液體流動的剪切作用，因此能夠使更大體積的生物質粘附至表面。
[0010]然而，即使現在以織物為基礎的生物膜載體、尤其是圈狀織物生物膜載體構成了生物膜反應器中用于微生物的最有利的結合表面，但目前熟知的且廣泛應用的方案存在嚴重的缺陷。
[0011]已知方案的主要缺陷在于:由于已知方案的設計，用于結合單位生物質(Ikg的干物質)所使用的特定織物材料的量是相當顯著的(大約0.2?0.5kg)。
[0012]此外，在載體表面上發展的生物膜的量以及適當的操作均受生物膜中微生物新陳代謝所需的營養物質的進入速度和深度的限制，還受所產生的代謝物從表面上釋放方式的限制。這意味著限制了生物反應器的體積效率和利用率。
[0013]因此，產生一種具有垂直于生物膜載體表面生長的松散的、細絲狀結構的生物膜是有利的，營養物質能夠深入地滲透到生物膜中，且代謝物也能夠從更深的層離開。與傳統的十分之一毫米的量級相比，這樣的生物膜結構能夠發展到幾厘米厚，且流體能夠在生物膜結構的松散的細絲狀結構中自由流動。
【實用新型內容】
[0014]本實用新型的目的是創建一種生物膜載體，其中，生物膜具有垂直于生物膜載體表面生長的松散的細絲狀結構。這樣，粘附到生物膜載體的生物膜的量可以達到在傳統設計的載體上建立的生物量的許多倍，因此每單位反應器體積的生物轉化的速度得到顯著提高。所形成的生物膜的材料特性和傳熱能力比傳統生物膜的材料特性和傳熱能力更有利，因此如氧傳遞、混合和溫度控制的特定能量需求能夠得到顯著改善。
[0015]通過根據本實用新型的生物膜載體可以實現以上目的，所述生物膜載體由包括細絲的結構化紗線制成，構成中心紗線的各條單獨的細絲構成了在所述紗線的整個長度上延伸的連續纖維，且細絲沿著所述紗線的長度通過錨定點彼此固定到一起，結構化紗線在格狀結構的固定點處被固定，各條結構化紗線在兩個相鄰固定點之間形成圈，所述圈的弧長大于這兩個固定點之間的距離。
[0016]各個固定點與所述格狀結構的節點和所述紗線的錨定點重合。
[0017]固定點上固定有至少兩條紗線的錨定點。
[0018]所述銷定點之間的距離在5mm到50mm之間。
[0019]所述紗線在固定點處通過膠合、機械連接或熱焊連接到所述格狀結構。
[0020]相鄰固定點之間的距離為10?70mm。
【附圖說明】
[0021]將參照附圖對本實用新型進行進一步地詳細公開。在附圖中，
[0022]圖1示出了形成本實用新型所述的生物膜載體的基本要素的結構化紗線；
[0023]圖2a、2b、2c以主視圖(2a)和側視圖(2b、2c)示出了本實用新型所述的生物膜載體的紗線在格狀結構上的設置；
[0024]圖3a、3b示出了在傳統生物膜載體上形成的薄的生物膜層(3a)，以及在本實用新型所述的載體上形成的圈和厚的生物膜層(3b)。
【具體實施方式】
[0025]圖1示出了構成本實用新型所述的生物膜載體的基本要素的結構化紗線I。有利地，紗線I由聚丙烯、聚乙烯或聚酰胺制成，該紗線優選包括50?300條連續的細絲2，每條細絲的直徑為10?100微米，在紗線I的整個長度上延伸，并通過膠合、打結或加熱(熱焊、熱熔)在錨定點3處彼此固定到一起，銷定點之間以等長T設置，T優選為5?50mm。
[0026]形成充足的生物膜層的必要條件是，如圖2a?c所示，將結構化紗線I固定到反應器中的格狀結構6上，該反應器用于容納生物膜載體，主視圖(圖2a)和側視圖(2b、2c)示出了生物膜載體的紗線I在格狀結構6上的布置，S卩，各條紗線I在固定點之間形成松散的圈4，固定點有利地以彼此之間I?7cm的距離t排布，該圈與格狀結構6的平面之間具有角度(圖2b、2c)，但在任何情況下該圈4不被拉緊。關于實際用途，例如對于清潔廢水的應用，阻塞是一個大問題，特別優選地是，如果固定點5可以在空間內的所有方向上相對彼此移動。
[0027]圖2a中清晰可見，結構化紗線I的固定點5優選形成在格狀結構6上。在所示的實施例中，各個固定點5與格狀結構6的節點重合。如圖2b中格狀結構6的平面所示，形成圈4的紗線I明顯地從格狀結構6的平面凸出。在圖2c所示的實施例中，由于各個固定點5固定有兩條或更多條紗線l、lb，因此紗線I的凸出的圈4設置在格狀結構6的平面的兩側。
[0028]在圖3a中，示出了在現有技術所述的方案上形成的薄生物膜7a層，在圖3b中，示出了在根據本實用新型的生物膜載體上形成的松散的相對厚的生物膜7層，其中，紗線I在空間中以間隔足夠大的距離設置，有利地以間隔I?1cm設置，從而與現有技術方案相比，能夠形成大量松散的纖維狀生物膜7。在以生物膜7a載體為基礎的傳統織物中，紗線I要彼此盡可能緊密地放置以便增加表面積，與之相反，適當固定的結構化紗線I之間保持有充足的距離，以便維持本實用新型所述的載體的效率。用于固定紗線I的格狀結構6的材料特性和表面特性這樣設置，以使生物膜7的粘附是最小的。
[0029]與現有技術方案相比，本實用新型所述的生物膜載體的主要優勢是，粘附到生物膜載體上的生物膜的厚度能夠達到在傳統設計的生物膜載體上形成的生物量的幾十分之一毫米厚度的許多倍，因此流體在生物膜的松散的纖維狀結構中自由流動。由此，粘附到載體的生物膜7的量超過粘附到傳統載體的生物膜7a的體積的許多倍，從而能夠顯著提高每單位反應器體積的生物轉化的速度。所形成的生物膜7的材料特性和傳熱能力比傳統生物膜7a的材料特性和傳熱能力更有利，因此如氧傳遞、攪拌和溫度控制的特定能量需求能夠得到顯著改善。
【主權項】
1.一種生物膜載體，所述生物膜載體由包括細絲(2)的結構化紗線(I)制成，構成中心紗線(I)的各條單獨的細絲(2)構成了在所述紗線(I)的整個長度上延伸的連續纖維，且細絲(2)沿著所述紗線(I)的長度通過錨定點(3)彼此固定到一起，其特征在于，結構化紗線(I)在格狀結構(6)的固定點(5)處被固定，各條結構化紗線(I)在兩個相鄰固定點(5)之間形成圈(4)，所述圈的弧長大于這兩個固定點(5)之間的距離(t)。2.根據權利要求1所述的生物膜載體，其特征在于，各個固定點(5)與所述格狀結構(6)的節點和所述紗線(I)的錨定點(3)重合。3.根據權利要求2所述的生物膜載體，其特征在于，固定點(5)上固定有至少兩條紗線(I)的錨定點(3)。4.根據權利要求1?3任一項所述的生物膜載體，其特征在于，所述錨定點(3)之間的距離在5mm到50mm之間。5.根據權利要求1?3任一項所述的生物膜載體，其特征在于，所述紗線(I)在固定點(5)處通過膠合、機械連接或熱焊而連接到所述格狀結構(6)。6.根據權利要求1?3任一項所述的生物膜載體，其特征在于，相鄰固定點(5)之間的距離(t)為10?70mm。
【文檔編號】C02F3/00GK205500887SQ201620284805
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】伊什特萬·肯亞羅斯, 費倫茨·哈茲
【申請人】拜奧普拉斯非盈利協會