包埋微生物载体连续生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种包埋微生物载体连续生产方法，属于生物材料制备领域。该方法包括：a、以至少三种液体物料为原料，物料一由可自由基聚合单体、水、交联剂、引发剂A、密度调节剂和强度调节剂组成；物料二为微生物和/或酶悬浮液；物料三由引发剂B和水组成；b、将物料一的各原料充分混合；c、使用原位混合设备一将除所述物料三的各物料混合获得预混合物；d、使用原位混合设备二将物料三与所述预混合物混合获得反应混合物；e、将反应混合物进行连续注模、固化成型、切割后获得包埋微生物载体。通过将可分别稳定存储的至少三种液体物料为原料，通过特定工艺进行反应实施，从而使得包埋微生物载体材料在保证产品质量基础上，实现了连续生产。
【专利说明】包埋微生物载体连续生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固定化生物材料制备领域，特别是涉及一种包埋微生物载体连续生产方法。
【背景技术】
[0002]固定化生物技术中，所用的微生物在外可每个凝胶珠都可以看成是一个小的生物反应器，由于缩短了扩散距离，转化率明显提高，反应结束后细胞还可以回收并重复使用。具有微生物密度高、反应迅速、微生物流失少、产物易分离、反应过程易控制的优点。固定化生物技术的作用方法大致有吸附法、共价结合法、交联法和包埋法四大类。目前采用最多的是吸附法和包埋法。采用吸附法将微生物固定到载体上的时候，很难使微生物稳定地固定到载体上，从而运行过程中有脱落的可能，而且抗冲击力相对较差。包埋固定法不存在固定不牢导致的脱落和抗冲击性差等问题，对于底物和产物是小分子的体系十分适合，同时化学交联方法制备的包埋微生物载体具有强度好寿命长等优点 。
[0003]然而目前具有化学交联结构的包埋微生物载体，由于参与反应的物料混合过程是不稳定且不耐储存的，其制备过程基本上是序批式生产，主要通过停留时间和各物料用量的精确控制来保证产品品质及微生物活性。然而该方法需经过数次物料转移，致使微生物污染风险增加，同时自动化程度较低，不利于规模化生产。如何实现包埋微生物载体的连续生产，将可促进其产业化进程。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种包埋微生物载体连续生产方法，能在保证微生物和/或酶的活性情况下实现包埋微生物载体的连续生产，从而解决现有生产方法对包埋微生物载体不能连续生产的问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供一种包埋微生物载体连续生产方法，包括:
[0006]以至少三种液体物料为原料，其中物料一由水溶性自由基聚合单体、水、交联剂、引发剂A和强度调节剂组成；物料二为含有微生物和/或酶的悬浮液；物料三由引发剂B和水组成；
[0007]将物料一的各原料进行充分混合；
[0008]采用原位混合设备一将除所述物料三的其它物料混合获得预混合物；
[0009]采用原位混合设备二将所述物料三与所述预混合物混合获得反应混合物；
[0010]将所述反应混合物进行连续注入由惰性气体保护的模具中固化成型，即得到包埋微生物载体。
[0011]本发明的有益效果为:通过将可分别稳定存储的至少三种液体物料为原料，通过特定工艺进行反应实施，从而使得包埋微生物载体材料在保证产品质量基础上，实现了连
续生产。【具体实施方式】
[0012]下面对本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，都属于本发明的保护范围。
[0013]本发明实施例提供一种包埋微生物载体连续生产方法，是一种各反应物料可分别稳定存储，并可在大多数微生物和/或酶的存活温度下进行连续自由基聚合，从而在保证微生物和/或酶的活性情况下实现包埋微生物载体的连续生产的方法，该方法包括以下步骤:
[0014]以至少三种液体物料为原料，其中物料一由水溶性自由基聚合单体、水、交联剂、引发剂A、密度调节剂和强度调节剂组成；物料二为含有微生物和/或酶的悬浮液；物料三由引发剂B和水组成；
[0015]将物料一各物料进行充分混合；
[0016]采用原位混合设备一将所述物料一和物料二的物料混合获得预混合物；
[0017]采用原位混合设备二将物料三与所述预混合物混合获得反应混合物；
[0018]将所述反应混合物进行连续注入由惰性气体保护的模具中固化成型，即得到包埋微生物载体。进一步的可对固化成型后的产物进行切割后获得该包埋微生物载体的成品。
[0019]上述方法物料一中的各原料用量按质量百分比计为:
[0020]水溶性自由基聚合单体7~50%、水48~84%、交联剂0.02~5%、弓丨发剂A0.015~3%、强度调节剂0.3~10%ο
[0021]其中，水溶性自由基聚合单体选自:水溶性酰胺类单体、水溶性丙烯酸类单体、水溶性丙烯酸酯单体、水溶性聚氨酯大分子单体、水溶性聚乙二醇大分子单体等中的任一种或任意几种的组合物；
[0022]交联剂选自:乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、N，N’-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任一种或任意几种的混合；
[0023]引发剂A选自:硝酸铈铵、过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸、偶氮二异丙基咪唑啉、双氧水中的至少一种；
[0024]强度调节剂选自:粉末活性炭、粘土粉、沸石粉、硅藻土、磁粉、蛭石粉、污泥提取物、天然矿物短切纤维中的任一种或任意几种的混合。
[0025]上述方法物料二的含有微生物和/或酶的悬浮液为原液，或将原液经浓缩、稀释后的稀释液，其中的微生物为好氧微生物、兼性微生物或在无氧条件下能休眠超过2h或存活超过2h的微生物中的任一种或任意几种。优选的，物料二的含有微生物和/或酶的悬浮液中可含有营养物质和保护剂。其中，营养物质采用微生物和/或酶所需营养物质:若微生物为硝化菌采用铵盐、为焦化废水难降解有机物专用菌采用焦化废水浓缩液，为COD降解菌采用碳酸氢钠，为厌氧氨氧化菌采用铵盐和亚硝酸盐等；保护剂选自:甘油、明胶、聚丙烯酸钠、抗生素中的任一种。
[0026]上述方法物料三中的引发剂B与水的用量按质量百分比计为:引发剂BI~30%、水70~99%。其中，引 发剂B选自:亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、四甲基亚乙基二胺、二甲胺基丙腈、抗坏血酸、亚铁盐中的任一种或任意几种。
[0027]上述方法将物料一各物料进行充分混合进一步包括:在反应液保持流动性的前提下，进行预反应，反应后冷却至10~25°c。
[0028]上述方法中，原位混合设备一和原位混合设备二均选自:静态管道混合器、动态管道混合器中的任一种。区别是原位混合设备二的混合时间小于20s，快于原位混合设备一，属于快速原位混合设备。
[0029]采用原位混合设备二将物料三与所述预混合物混合获得反应混合物步骤中，混合时间小于20s，得到的反应混和物在操作温度下可稳定储存时间不小于30s，优选大于60s，小于120s ；
[0030]上述方法中的模具设有为提供惰性气体保护的惰性气体保护装置。
[0031]本发明实施例的方法制备的包埋微生物载体的结构均匀，产品稳定性好，微生物活性保持好生产效率高，适合于在10~45°C可以存活的微生物和/或酶的固定化载体的制备及生产。
[0032]下面结合具体实施例对本发明的生产方法作进一步说明。
[0033]实施例一[0034]本实施例提供一种包埋微生物载体连续生产方法，包括以下步骤:
[0035]a、以三种液体物料为原料，三种物料的用量按质量百分比计，其中，物料一由丙烯酰胺(6%)、丙烯酸(3%)、水(82.935%)、N, N-亚甲基双丙烯酰胺(5%)、过硫酸钾(0.05%)、偶氮二异丙基咪唑啉(0.015%)和活性炭(3%)组成，物料一的质量分数为79% ；
[0036]物料二为硝化菌悬浮液，将原液经浓缩5倍后、添加碳酸氢铵和明胶后使用，物料二的质量分数为20% ；
[0037]物料三由水(97%)、亚硫酸氢钠(2%)和四甲基亚乙基二胺(1%)组成，物料三的质量分数为1% ；
[0038]b、将物料一的各原料进行充分混合后，在40°C预反应60min后冷却至10°C ；
[0039]C、使用原位混合设备一将所述物料一和物料二混合获得预混合物；
[0040]d、使用原位混合设备二将物料三与步骤c得到的所述预混合物混合获得反应混合物，混合时间小于20s，反应混合物的稳定时间大于50s ；
[0041]e、将所述反应混合物连续注入经氮气保护的模具中，经固化成型、切割后获得包埋微生物载体。
[0042]所得包埋微生物载体呈黑色，密度为1.017g/cm3, 25°C的活化时间为5~7天。
[0043]实施例二
[0044]本实施例提供一种包埋微生物载体连续生产方法，包括以下步骤:
[0045]a、以四种液体物料为原料，四种液体物料的用量按质量百分比计为100%，物料一由水(49.42%)、丙烯酸羟乙酯(25%)、丙烯酰胺(18%)、聚乙二醇双丙烯酸酯(0.08%)、硝酸铈铵(2%)、偶氮二异丁基脒盐酸盐(0.5%)和蛭石粉(5%)组成，物料一的质量分数的28% ；
[0046]物料二为亚硝化菌悬浮液，以原液使用，物料二的质量分数为20% ；
[0047]物料三由水(70%)和四甲基亚乙基二胺(30%)组成，物料三的质量分数为1% ；
[0048]物料四为水，质量分数为51% ；
[0049]b、将物料一的各原料进行充分混合后，在35°C预反应30min后冷却至15°C ；[0050]C、使用原位混合设备一将所述物料一和物料四混合获得预混合物一；
[0051]d、使用原位混合设备一将步骤c得到的所述预混合物一和物料二混合获得预混合物二 ；[0052]e、使用原位混合设备二将物料三与步骤d得到的所述预混合物2混合获得反应混合物，混合时间小于20s，反应混合物的稳定时间大于240s ；
[0053]f、将所述反应混合物连续注入经氮气保护的模具中，经固化成型、切割后获得包埋微生物载体。
[0054]所得包埋微生物载体呈灰色，密度为1.026g/cm3, 25°C的活化时间为12~15天。
[0055]实施例三
[0056]本实施例提供一种包埋微生物载体连续生产方法，包括以下步骤:
[0057]a、以四种液体物料为原料，三种物料按质量百分比计，物料一由丙烯酸(16%)、水(80.175%)、N, N-亚甲基双丙烯酰胺(3.5%)、过硫酸钾(0.04%)、偶氮二异丙基咪唑啉(0.015%)和短切玄武岩纤维(0.3%)组成，物料一的质量分数为64% ；
[0058]物料二为焦化废水适用高效菌悬浮液，将原固态菌剂以焦化废水生化出水10倍浓缩液(72.5%)稀释30倍(质量分数为2.5%)并添加聚丙烯酸钠(0.25%)和甘油(24.75%)(总计菌剂被稀释40倍)后使用，物料二的质量分数为5% ；
[0059]物料三由水(99.35%)、四甲基亚乙基二胺(0.3%)和抗坏血酸(0.35%)组成，物料三的质量分数10% ；
[0060]物料四为水，质量分数为21% ；
[0061]b、将物料一的各原料进行充分混合后冷却至21°C ；
[0062]C、使用原位混合设备一将所述物料一和物料四混合获得预混合物一；
[0063]d、使用原位混合设备一将步骤c得到的所述预混合物一和物料二混合获得预混合物二 ；
[0064]e、使用原位混合设备二将物料三与步骤d得到的所述预混合物二混合获得反应混合物，混合时间小于20s，反应混合物的稳定时间大于120s ；
[0065]f、将所述反应混合物连续注入经氮气保护的模具中，经固化成型、切割后获得包埋微生物载体。
[0066]所得包埋微生物载体呈白色半透明状，密度为1.015g/cm3，25°C的活化时间为7~10天。
[0067]实施例四
[0068]本实施例提供一种包埋微生物载体连续生产方法，包括以下步骤:
[0069]a、以三种液体物料为原料，三种物料的用量按质量百分比计；其中，物料一由丙烯酰胺(18%)、丙烯酸(1%)、水(73%)、N，N-亚甲基双丙烯酰胺(5%)、双氧水(1.0%)、过硫酸钾(0.25)和活性炭(1.75%)组成，物料一的质量分数为34% ；
[0070]物料二为厌氧氨氧化菌悬浮液，以培养后原液添加亚硝酸盐和明胶后使用，物料二的质量分数为64% ；
[0071]物料三由水(99.7%)、氯化亚铁(0.1%)和抗坏血酸(0.2%)组成，物料三的质量分数为2% ；
[0072]b、将物料一的各原料进行充分混合后冷却至16°C ；[0073]C、使用原位混合设备一将所述物料一和物料二混合获得预混合物；
[0074]d、使用原位混合设备二将物料三与步骤c得到的所述预混合物混合获得反应混合物，混合时间小于20s，反应混合物稳定时间大于60s ；
[0075]e、将所述反应混合物连续注入经氮气保护的模具中，经固化成型、切割后获得包埋微生物载体。
[0076]所得包埋微生物载体呈黑色，密度为1.020g/cm3，25°C为活化时间的20~30天。 [0077]本发明中所指稳定储存为反应混合物(即步骤d中的反应混合物)保持自由流动的情况，稳定储存时间指反应混合物(即步骤d中的反应混合物)黏度显著增加甚至固化现象发生之前的时间。
[0078]现有制备具有化学交联结构的包埋微生物载体时，由于参与反应的物料混合过程大部分是不稳定且不耐储存的物料，当将所有物料混合成一批初始进料一起进入反应区时，混合液即使在室温也是很不稳定的，而必须立刻转移至反应区，一方面希望聚合速率足够低以获得较长的安全转移时间，另一方面又希望聚合速率足够快而尽可能减少微生物和/或酶暴露在较高浓度单体中的停留时间。虽然通过在前期保持较低的反应液温度(如文献报道的4~5°C)，而在后期保持较高的反应温度可以在一定程度上实现，但过低的温度会对相当一部分细菌的活性造成影响，同时要求很高的制冷和传热效率，从而使得微生物载体制备工艺成为高耗能工艺。而本发明的制备方法，通过引发剂(引发剂A、引发剂B)的分次投加和原位快速混合设备配合，一方面各物料仅需一次管道式转移，微生物污染风险显著降低，另一方面显著缩短了操作时间，从而对物料的温度控制要求较宽松，一般控制在10~25°C即可，显著降低了能量消耗；物料二从投加到注模停留时间可短至30~120s，微生物和/或酶暴露在较高浓度单体中的时间大大缩短，活性得以较好保持，而传统方法中如此短的时间甚至不能完成反应液的预混合。该方法利于实现自动化控制，更加适合作为微生物载体的连续生产。
[0079]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种包埋微生物载体连续生产方法，其特征在于，包括: 以至少三种液体物料为原料，其中物料一由水溶性自由基聚合单体、水、交联剂、引发剂A和强度调节剂组成；物料二为含有微生物和/或酶的悬浮液；物料三由引发剂B和水组成； 将物料一的各原料进行充分混合； 采用原位混合设备一将除所述物料三的其它物料混合获得预混合物； 采用原位混合设备二将所述物料三与所述预混合物混合获得反应混合物； 将所述反应混合物进行连续注入由惰性气体保护的模具中固化成型，即得到包埋微生物载体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料一中的各原料用量按质量百分比计为: 水溶性自由基聚合单体7~50%、水48~84%、交联剂0.02~5%、引发剂A0.015~3%、强度调节剂0.3~10%。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述物料一中的水溶性自由基聚合单体选自:水溶性酰胺类单体、水溶性丙烯酸类单体、水溶性丙烯酸酯单体、水溶性聚氨酯大分子单体、水溶性聚乙二醇大分子单体等中的任一种或任意几种的组合。 交联剂选自:乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯、N, N’ -亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯中的任一种或任意几种的混合； 引发剂A选自:硝酸铈铵、过硫酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、偶氮二异丁基脒盐酸盐、偶氮二异丁咪唑啉盐酸盐、偶氮二氰基戊酸、偶氮二异丙基咪唑啉、双氧水中的至少一种； 强度调节剂选自:粉末活性炭、粘土粉、沸石粉、硅藻土、磁粉、蛭石粉、污泥提取物、天然矿物短切纤维中的任一种或任意几种的混合。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料二的含有微生物和/或酶的悬浮液为原液，或将原液经浓缩、稀释后的稀释液，其中的微生物为好氧微生物、兼性微生物或在无氧条件下能休眠超过2h或存活超过2h的微生物中的任一种或任意几种。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，所述物料二的含有微生物和/或酶的悬浮液中含有营养物质和保护剂。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述营养物质采用微生物和/或酶所需营养物质:硝化菌采用铵盐、焦化废水难降解有机物专用菌采用焦化废水浓缩液，COD降解菌采用碳酸氢钠等；厌氧氨氧化菌采用铵盐和亚硝酸盐； 所述保护剂选自:甘油、明胶、聚丙烯酸钠中的任一种。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物料三中的引发剂B与水的用量按质量百分比计为:引发剂BI~30%、水70~99%。
8.如权利要求1或7所述的方法，其特征在于，所述物料三中的引发剂B选自:亚硫酸盐、亚硫酸氢盐、四甲基亚乙基二胺、二甲胺基丙腈、抗坏血酸、亚铁盐中的任一种或任意几种。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将物料一的各原料进行充分混合进一步包括:在物料一的各原料混合后形成的反应混合物保持流动性的前提下，进行预反应，反应后冷却至10~25°C。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述 所述原位混合设备一、二均选自:静态管道混合器、动态管道混合器中的任一种。 所述采用原位混合设备二将物料三与所述预混合物混合获得反应混合物步骤中，混合时间小于20s，得到的反应混和物在操作温度下可稳定储存时间不小于30s ； 所述模具设有为提供惰性气体保 护的惰性气体保护装置。
【文档编号】C12N11/08GK103525799SQ201310495531
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2013年10月21日
【发明者】李宗慧, 刘金泉, 王俊安, 任彦强, 姜安平, 王凯 申请人:北京伊普国际水务有限公司