[实用新型]生物膜载体

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种由纱线制成的生物膜载体。

背景技术

以微生物转化以及以微生物产生的物质为基础的操作被现代经济用到了一个显著的且逐渐增长的程度。以微生物转化为基础的这些操作包括但不限于：例如生物污水处理、有机物质至沼气的厌氧发酵、若干医药工业发酵和食品工业发酵、甚至生物空气的清洁。对此引用几个生物上可产生的物质的例子，例如生物乙醇、生物聚合物(例如聚乳酸或聚羟基烷酸酯(polyhydroxyalkonate))、酶、有机酸、抗体和无数的其他重要产品。

有关的微生物转化明确在液相反应器中进行而很少在气相反应器中进行，这些反应器即所谓的生物反应器。生物反应器为负责转化的微生物的操作提供了充足的条件：必要的营养物质和环境条件。当充足条件存在时，生物反应器的性能基本上由引入到该生物反应器的微生物的量(浓度)及其状态限定。

负责生物转化的微生物基本上以两种形式存在于生物反应器中：自由漂浮(所谓的浮游生物)形式、或附着于表面(如所谓的生物膜表型)。在自然条件下，如果可能的话，微生物优选生物膜形式。在生物膜上定殖的微生物能够获得非常高的细胞浓度，并且由于所建立的复杂结构以及用于该复杂结构的粘合材料，在生物膜上定殖的微生物基本上能够比它们的自由漂浮同源物发挥更高效的作用。

上述实现方式已经造成以生物膜为基础的生物反应器(即所谓的生物膜反应器)全球使用的增加，以用于各种生物转化。工业化尺寸的生物膜反应器首先出现在生物污水处理中，但现在，他们被用于越来越多的工业发酵技术中。

在生物膜反应器中，微生物在载体上定殖并形成生物膜，其中，该载体具有用于使微生物在其上定殖并形成生物膜的充足表面。一个最重要的必要条件是：生物膜载体必须能够结合尽可能多的生物量，而同时能够使所产生的生物膜对液相中的营养物质以及对微生物所产生的代谢物是可渗透的。根据载体的设计，可渗透的且适用于技术目的的生物膜的厚度在十分之一毫米到厚达几厘米的范围内。

已知有两种主要的生物膜载体：即悬浮载体(悬浮在生物反应器的流体空间中)和固定设计的载体。固定载体近年来已经跻身到前沿研究中，因为它们的性能比悬浮载体的性能更加有利(无需用于移动、悬浮的能量，无需特定的过滤步骤，没有因摩擦而导致的机械磨损问题等)。

此外，在固定设计的生物膜载体中，柔性结构已替代了之前出现的刚性结构，尤其是，由于柔性结构的有利表面和成本特征，基本上以织物为基础的纤维状和丝状的载体应用最广泛。由合成织物编织而制成的生物膜载体的一个最优选设计公开在匈牙利专利HU227984说明书中，而圈状合成织物载体的例子公开在US5771716和US7862890中。可以说，在柔性的、以织物为基础的生物膜载体中，圈状构造已被证明是更有利的，因为该圈为微生物粘附至织物纱线的表面提供了某种保护，以避免微生物受到液体流动的剪切作用，这样，能够使更大量的生物量粘附至表面。

然而，即使现在以织物为基础的生物膜载体、尤其是圈状的织物生物膜载体构成了生物膜反应器中用于微生物的最有利的结合表面，但目前熟知的且广泛应用的技术方案也存在严重的缺陷。

已知技术方案的主要缺陷在于：由于已知技术方案的自身设计，用于结合单位生物量(1kg的干物质)所使用的特定织物材料的量是相当显著的(大约0.2-0.5kg)。

此外，在载体表面上发展的生物膜的量以及适当的操作均受生物膜中微生物新陈代谢所需的营养物质的入口速度和深度的限制，还受所产生的代谢物从表面上释放方式的限制。这意味着限制了生物反应器的体积效率和利用率。

此外，已知的生物膜载体通常由同类材料制成，这样，与自然界中并存的多种多样的材料及其性能相比，由同类材料制成的生物膜载体减少了生物多样性并由此降低了产生生物膜的效率。

实用新型内容

因此，本实用新型的目的是创建一种生物膜载体，适用于消除现有技术中载体的缺陷，也就是说，本实用新型中，用于结合单位生物量所需的特定织物材料的用量基本上更少了，而微生物新陈代谢所必需的营养物质的入口深度、所产生的代谢物的释放速度以及生物膜的生产效率都提高了。

通过设计一种生物膜载体实现了该特定目标，其中，所述生物膜载体由纱线制成，且具有：由初级纤维制成的中心纱线，其中，构成所述中心纱线的各条初级纤维构成了在纱线的整个长度上延伸的连续纤维；以及由其他纱线制成的圈，所述圈在至少两个第一锚定点处被固定到所述中心纱线上，此外，所述圈在两个相邻的第一锚定点之间的弧长大于所述中心纱线在两个相邻的第一锚定点之间的长度。