一種用於復壯細菌的磁電誘導生物反應器的製作方法

2023-04-26 11:49:26

專利名稱:一種用於復壯細菌的磁電誘導生物反應器的製作方法
技術領域：
本發明屬於生物反應器領域，尤其涉及ー種採用磁電誘導的方法復壯細菌的生物反應器。
背景技術：
很多細菌，特別是那些人類需利用其某種特性為人類提供某種服務的細菌，會出現在高效運行一段時間，某特定活性下降甚至喪失的情形，需要反覆引入新細菌才能高效地保持該性能的服務功能，例如人們在研究厭氧氨氧化脫氮細菌生物脫氮活性時就會遇到這樣的情形厭氧氨氧化細菌的脫氮活性會隨細菌脫氮作用時間的加長而逐漸失活以致完全喪失甚至變黑、變臭，因此及時復壯細菌，保 持其脫氮活性的穩定性，是進行工程應用、為人類消除氮汙染、保證氮循環的前提。
厭氧氨氧化是自然界重要的氮循環階段，也是廢水生物脫氮研究的新領域，其在消除水體氮汙染的工程利用中有著無可替代的作用，具有廣泛而深遠的應用前景，是目前國際上脫氮技術流域最大的研究熱點之一。對於利用厭氧氨氧化作用進行工程實踐的研究，雖然在國際上非常熱門，但在我國，該研究多處於實驗室階段，其中的ー個主要問題是在厭氧氨氧化菌運行一段時間後，常發生脫氮活性逐漸喪失的現象，如果不及時採取一定措施，最後失活的細菌會發生大量死亡解體，菌體發黑變臭的後果。
電轉化法作為ー種常規的外源DNA轉移方法，具有操作簡便、快速、轉化效率高等優點。通過電轉化的方法實現遺傳物質的轉移，使失去某種特性的細菌重新獲得該種特性，也能加快細菌的遺傳變異，是復壯細菌，獲取某種具有特定性能細菌的常用方法。電轉化法在放線菌基因操作中已有許多成功的應用，如在變鉛青鏈黴菌{Streptomyces Iividans) >小鏈黴菌CS、酒紅鏈黴菌(51 r/aaceiAs)、龜裂鏈黴菌(51等都有成功的報導。
磁致生物效應一直是磁效應領域的研究熱點，國內外大量研究表明，磁場作用於生物體後，在生物體內可引起一系列的生物學反應。部分專家認為磁場會影響生物體內的蛋白質大分子和酶，使生物體內酶活性增強，提高酶反應速度；另外，磁場還會提高生物細胞膜的通透性，使水和氧分子及ー些能受磁作用活化的金屬離子等易於進入細胞。通過磁化處理汙水的生物效應實驗，可以發現磁通密度為O. 37T時，好氧微生物活性増加17. 3%，水藻的初級生產力由對照樣的每天8. 4-10g/m3提高到每天16. 9g/m3 ;脫氫酶脫色試驗表明，磁場的存在對微生物的生長及新陳代謝有利，從而促進對有機物的吸附和利用，增強微生物氧化降解有機物的能力。因此，磁致生物效應和電(場)致生物效應在復壯細菌中具有重要作用。
使用外加的高壓電場和磁場，基於生物介電質對複合磁電場的應激反應研究磁電作用的生物效應，在實驗中確定和獲得某種菌株的「頻率作用窗」、「功率(振幅)作用窗」和「作用時間窗」，找到生物效應規律，激活或復壯正在逐漸失去某種活性的菌株，使得菌株重新恢復活性，維持其某種有益於人類的作用狀態，對人類利用其特定性狀為人類生產生活服務，是微生物利用中經常遇到和解決難題的有效途徑。
目前，國內已有用於「難降解有機廢水的電生物處理裝置」專利(公開號CN1435379)，和「用於處理有機廢水的磁生物反應分離裝置」專利(公開號CN201593005U)等，但尚無用於對細菌進行磁電誘導的生物反應器。而研究表明，無論是磁場處理和電場處理，只要強度適宜，都可以對生物產生有益效應，特別是對ー些退化菌株的復壯過程，具有較好的促進作用。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能產生特定磁場電場的磁電誘導型生物反應器，該反應器能起到對失活細菌細胞的刺激誘導作用，引起正處於失活過程的細菌在生理生化過程發生某種改變，從而逆轉失活過程，使正失活的細菌細胞活性得以恢復，達到復壯的目的。
一種用於復壯細菌的磁電誘導生物反應器，包括反應器本體和反應器本體自下而上的進水緩衝區、升流式反應室、三相分離區、磁場和電場產生系統和外周的水浴保溫套，與現有技術不同的是三相分離區包括ー級三相分離區和ニ級三相分離區，在反應器本體內還設置在磁場產生系統和電場產生系統，池底還設置有內循環混合攪拌系統，磁場產生系統和電場產生系統與控制系統相連。
所述的三相分離區的ー級三相分離區的分離裝置為活動型，其下部嵌套於升流式反應區內壁，上部延伸出兩耳，倒扣於ニ級三相分離區下端的內壁，需要時可與反應器主體分離；ニ級三相分離區內部設置擋板共6塊，擋板為活動型，以卡槽固定於ニ級三相分離器上，必要時內置擋板的數目可減少或増加，擋板間分區以導流管相通。
所述的電場產生系統包括裝在反應區下部相對向的通電碳棒及極板，使用時通入穩定直流電流，產生穩定的輻射型電場。通過改變電流大小，可產生不同強度的電場；通過改變極板與碳棒方向，可產生不同方向的電場，電場產生系統與控制系統相連，外接的控制系統可自由控制電場強度的強弱，以及電場作用的時間、順序、方式。
所述的磁場產生系統包括裝於反應區下部另ー相對向或上下向的通電螺線圈，使用時通入穩定直流電流，線圈內部產生穩定的均勻磁場。通過改變電流大小，可產生不同強度的磁場；通過改變通電螺線圈方向，可產生不同方向的磁場，磁場產生系統與控制系統相連，外接的控制系統可自由控制磁場強度的強弱，以及磁場作用的時間、順序、方式。
所述的池底內循環攪拌裝置是特徵是，通過沉沒於底部得到內吸式內循環攪拌裝置對泥水混合物的吸排，包括定位吸排及移動式吸排，既能使沉澱在進水緩衝區底部的汙泥與上部汙泥不斷翻滾混合，保證沉澱的汙泥都能充分進入磁電誘導區，接受磁電誘導作用，又使表層富氧水不易混入下層。
本發明的優點和有益效果
I)技術新磁電誘導技術結合實現對細菌的培養、復壯作用，達到激活失活厭氧氨氧化菌的目的。單ー的電誘導技術或磁誘導技術很難激活已失活或正失活的厭氧氨氧化菌。本反應器通過提供一種能產生特定電場磁場的磁電誘導型生物反應器，通過電場、磁場的組合激活技術，起到對失活細菌細胞的刺激誘導作用，引起正處於失活過程的細菌在生理生化過程發生某種改變，從而逆轉失活過程，從而使正失活的細菌細胞活性得以恢復，達到復壯的目的。
2)保證接受磁電誘導作用的汙泥充分、均勻混合通過池底內循環攪拌裝置的沉沒式內吸循環攪拌裝置的吸排，使沉澱在進水緩衝區底部的汙泥與上部汙泥不斷翻滾混合，保證沉澱的汙泥都能充分進入磁電誘導區，接受磁電誘導作用，並儘可能減少氧氣的混入。
3)利於研究各項作用參數、反應指標通過電場、磁場、溫度控制等反應條件或參數的調控組合，有利於探索激活功能失活細菌的各項參數，如最適電壓作用範圍，電流作用範圍，頻率作用範圍，以獲取各參數的「最適作用窗」，為反應器在最佳作用窗ロ運行提供條件，最大限度地保證激活效率；並使在溫度、進水水質等相同條件下，對比研究磁電誘導菌種與非誘導培養菌種生理生化活性上的區別成為可能。


圖I是實施例中反應器的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進ー步說明
見圖1，本發明反應器下部進水緩衝區I為四面稜錐體，底部設有進水管10，緩衝區I往上為升流式反應區2，呈方形，再往上為三相分離區，三相分離區分為ー級三相分離區3與ニ級三相分離區4，三相分離區上部設有出水管11，頂部裝有密封蓋並設有出氣ロ 6，升流式反應區2下部裝有磁電誘導裝置，包括產生電場的主要部分通電碳棒7-1及極板7-2，產生磁場的主要部分通電螺線圈8，內循環攪拌裝置9。厭氧氨氧化菌以顆粒汙泥的形態存在於升流式反應區2內。反應器主體外部設有水浴保溫套5，其長寬為升流式反應區2的
I.5-2倍，高度相等，可用於保持反應器池體溫度。
所述的稜錐體進水緩衝區I長寬高比為I: I: I. 5，下部斜面傾角為65°-75°，升流式反應區2下接進水緩衝區I上端，上接三相分離區下端，其高度佔反應器主體高度的2/3-3/5. ー級三相分離裝置3內置於反應區2與ニ級三相分離區4之間，為兩端開ロ，中間收縮的兩端對稱型稜體，其總體長寬高比為1:1 :(2-2.5)。ニ級三相分離區4直接接於升流式反應區2之上，高度為反應區2高度的1/3-1/2，上端設有活動型密封蓋，密封蓋上設有出氣ロ 6。
所述的三相分離區裝置分為活動型ー級三相分離裝置3與固定型三相分離區4兩部分，活動型3其下部嵌套於升流式反應區2內壁，上部延伸出兩耳3-1，倒扣於ニ級三相分離區下端的內壁，需要時可與反應器主體分離。收縮部分3-2截面積為開ロ面積的1/3-2/5。固定型三相分離器4與所述反應器主體的總體積比為(O. 3-0. 4) : 1，其漸擴壁與基準水平面的夾角β為45°-70°，內部設置擋板4-2共6塊，擋板皆以卡槽固定，必要時可拆卸，其與基準水平面的夾角γ為65°-85°，外側擋板與內側擋板最高點與出水管高度持平，中間擋板高度與反應器頂部持平。擋板底部與漸擴壁內壁間距為3-7cm。擋板間分區以導流管相通。活動型三相分離器及可拆卸擋板的設計主要為了方便檢修磁電誘導裝置時磁電誘導裝置的取出及放入。
所述磁電誘導部分分為產生電場的通電碳棒7-1及極板7-2部分，產生磁場的通電螺線圈部分8。極板材料為高純度石墨板或導電金屬板，線圈材料為絕緣型金屬線。通電碳棒7-1位於通電螺線圈8中心，兩者高度均為升流式反應區2的1/3-2/5，螺線圈8外圍直徑內切於升流式反應區2內壁，碳棒7-1直徑為螺線圈8外徑的1/5-1/6，通電極板7-2貼於反應區2外部，高度與碳棒7-1高度相等，寬度與反應區2外壁相等，厚度為3-5mm。碳棒7-1與極板7-2配合產生電場,螺線圈8產生磁場。
所述內循環攪拌裝置9包括特製的沉沒式內吸循環攪拌混合裝置與控制系統，沉沒式內吸循環攪拌混合裝置可在控制系統控制下，以特定流量進行吸排，也可根據需要進行移位，主要用於使反應器內所有汙泥進行內循環攪拌混合，從而使絕大多數汙泥接受磁電誘導作用，並儘量減少氧氣的混入。
本發明用有機玻璃構成，使用時，廢水由底部進水管10進入，經進水緩衝區I進入升流式反應區2，與緩衝區I和反應區2內的厭氧氨氧化菌接觸反應後，流經三相分離區，最後從出水管11流出。厭氧氨氧化菌在緩衝區I內受到內循環攪拌裝置9的攪拌，與反應區 2下部汙泥翻滾、混合，接受磁電誘導裝置的作用。外周水浴部分5是用於保持反應器池體溫度的水浴保溫套，能有效控制汙泥溫度環境。
磁電誘導反應池體可用於激活活性降低或失活的厭氧氨氧化菌，能直觀地研究磁場、電場、或磁電場同時作用下的厭氧氨氧化菌的活性狀態，與普通狀態下的厭氧氨氧化菌作對比，有利於探索反應器運行的各項參數，如最適電壓作用範圍，電流作用範圍，頻率作用範圍，以獲取各參數的「最適作用窗」，為反應器在最佳作用窗ロ運行提供條件，最大限度地保證激活效率；並使在溫度、進水水質等相同條件下，對比研究磁電誘導菌種與非誘導培養菌種生理生化活性上的區別成為可能。
反應器啟動後通過改變通電碳棒7-1-極板7-2，通電螺線圈8的立體方向，可根據電場、磁場的作用方式和方向，具有以下幾種誘導方式
1、単獨電場作用，徑向作用方向可分為上下、前後、左右，同時每個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
2、単獨磁場作用，徑向作用方向可分為上下、前後、左右，同時每個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
3、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為前後方向，磁場為前後方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
4、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為前後方向,磁場為左右方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
5、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為前後方向，磁場為上下方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
6、電場，磁場同時作用，徑向方向電場為左右方向，磁場為前後方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
7、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為左右方向，磁場為左右方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
8、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為左右方向,磁場為上下方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
9、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為上下方向，磁場為前後方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式； 10、電場,磁場同時作用，徑向方向電場為上下方向，磁場為左右方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式；
11、電場，磁場同時作用，徑向方向電場為上下方向，磁場為上下方向，同時姆個方向均有正向和反向的電流或磁場兩種實施方式。
權利要求
1.一種用於復壯細菌的磁電誘導生物反應器，包括反應器本體和反應器本體自下而上的進水緩衝區、升流式反應室、三相分離區、外周水浴保溫套，其特徵是三相分離區包括ー級三相分離區和ニ級三相分離區，在反應器本體內還設置有磁場產生系統和電場產生系統，池底還設置有內循環混合攪拌系統，磁場產生系統和電場產生系統與控制系統相連。
2.根據權利要求
I所述的生物反應器，其特徵是所述的三相分離區的ー級三相分離區的分離裝置為活動型，其下部嵌套於升流式反應區內壁，上部延伸出兩耳，倒扣於ニ級三相分離區下端的內壁，需要時可與反應器主體分離；ニ級三相分離區內部設置擋板共6塊，擋板為活動型，以卡槽固定於ニ級三相分離器上，必要時內置擋板的數目可減少或増加，擋板間分區以導流管相通。
3.根據權利要求
I所述的生物反應器，其特徵是所述的電場產生系統包括裝在反應區下部相對向的通電碳棒及極板，使用時通入穩定的直流電流，產生穩定的輻射型電場；通過改變電流大小，可產生不同強度的電場；通過改變極板與碳棒方向，可產生不同方向的電場，電場產生系統與控制系統相連，外接的控制系統可自由控制電場強度的強弱，以及電場作用的時間、順序、方式。
4.根據權利要求
I所述的生物反應器，其特徵是所述的磁場產生系統包括裝於反應區下部另ー相對向或上下向的通電螺線圈，使用時通入穩定的直流電流，線圈內部產生穩定的均勻磁場；通過改變電流大小，可產生不同強度的磁場；通過改變通電螺線圈方向，可產生不同方向的磁場，磁場產生系統與控制系統相連，夕卜接的控制系統可自由控制磁場強度的強弱，以及磁場作用的時間、順序、方式。
5.根據權利要求
I所述的生物反應器，其特徵是所述的池底內循環攪拌裝置是通過沉沒於池底的內吸式內循環攪拌裝置對泥水混合物的的吸排，包括定位吸排及移動式吸排。
專利摘要
本發明公開了一種用於復壯細菌的磁電誘導生物反應器，包括反應器本體和反應器自下而上的進水緩衝區、升流式反應器、三相分離區、外周水浴保溫套，其特徵是三相分離區包括一級三相分離區和二級三相分離區，在反應器本體內還設置在磁場產生系統和電場產生系統，池底還設置有循環混合攪拌系統，磁場產生系統和電場產生系統與控制系統相連。本反應器可用於激活生物活性降低或瀕臨失活的細菌，逆轉失活過程，恢復細菌細胞的生物活性，達到復壯目的。
文檔編號C12M1/42GKCN102674543SQ201210165774
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月25日
發明者劉成良, 吳宇, 李天煜, 楊孔萍, 韋峰 申請人:桂林電子科技大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan