生物发生器转让专利
申请号 : CN200480022641.1
文献号 : CN1833035B
文献日 : 2010-09-22
发明人 : 罗伯特三世·克拉伦斯·皮尔斯 , 戴尔·V·基普林格 , 乔斯·E·埃瓦罗 , 朱迪思·盖尔·普鲁伊特 , 约瑟夫·托马斯·科拉鲁索
申请人 : NCH公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于连续培养菌体的设备，包括：
细菌培养室，其具有圆筒形侧壁、圆锥形底部和具有可移动的盖的敞开式顶部；
流体循环泵，其具有与所述圆锥形底部流体相通的输入侧和带有流体循环管线的卸料侧，所述流体循环管线与设置于侧壁的成切线定向的出口流体相通；
填充水供给管线，其通过所述盖与所述细菌培养室流体相通；
安装于所述填充水供给管线中的第一螺线管阀；
细菌收获管线，其与设置于所述顶部附近的所述侧壁中的细菌排放口流体相通；
冲洗水供给管线，其设置于所述细菌排放口和所述细菌收获管线上方，并与所述细菌收获管线流体相通；
第二螺线管阀，其设置于所述冲洗水供给管线中；
营养物进料计量装置，其设置于所述细菌培养室上方，以把营养物通过所述盖引入所述细菌培养室；
空气泵，其具有通过所述盖与所述细菌培养室相通的出口管线；
可编程电控制器，其定期启动所述第一和第二螺线管阀，以允许填充水和冲洗水以预定的间隔和预定的持续时间流动；以及电源，其向所述流体循环泵、第一第二螺线管阀、营养物进料计量装置和空气泵提供低压电流。
2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括清洗管线，其在所述流体循环管线和细菌收获管线之间提供流体相通。
3.根据权利要求2所述的设备，进一步包括设置于所述清洗管线内的阀门。
4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括设置于所述空气泵和所述进料计量装置之间的空气排放管线。
5.根据权利要求1所述的设备，进一步包括设置于所述进料计量装置上方的进料漏斗。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述的细菌培养室、循环泵、第一和第二螺线管阀、进料计量装置、空气泵和电控制器都设置于机壳内。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述机壳包括水密的底部和设置为与所述的水密底部流体相通的浮控开关。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述填充水供给管线穿过间隙向所述细菌培养室排放水。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述冲洗水供给管线穿过间隙向所述细菌收获管线排放水。
10.根据权利要求6所述的设备，进一步包括热绝缘板，其将机壳分割成包含所述培养室的第一内部分和包含所述循环泵的第二内部分。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述机壳的所述第二内部分通过至少一个机壳壁或机壳门通风。
12.根据权利要求10所述的设备，进一步包括与所述机壳的所述第一内部分通信的温度控制器。
13.根据权利要求1所述的设备，其中第一和第二螺线管阀把单股水流分成第一填充水流和第二冲洗水流。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一螺线管阀引入所述培养室的水的量和压力。
15.根据权利要求1所述的设备，其中，所述进料计量装置包括可以在直立的进料接收位置和倒置的进料排放位置之间旋转的进料杯。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述进料计量装置包括可旋转至位于所述进料接收位置和进料排放位置之间的备用位置的进料杯。
17.根据权利要求1所述的设备，其中，所述营养物进料计量装置可控地以每6小时一次把营养物进料排入所述培养室。
18.用于连续培养细菌并以预定时间间隔收获细菌的设备，该设备包括：细菌培养室，其具有：呈圆筒形的侧壁；圆锥形底部；具有可移动的盖的敞开式顶部；设置于所述盖上的填充水、营养物进料和空气进口；设置于所述锥形底部的流体出口；和设置于所述侧壁上在顶部附近的细菌收获口；
循环泵，其通过所述培养室底壁的出口连续地抽取含菌流体，加压该流体并把该加压的流体通过所述侧壁成切线地引入到所述培养室，从而在所述培养室内形成液体涡流；
自动营养物进料计量装置，其以第一预定时间间隔向所述培养室定期引入预定量的营养物；
空气泵和空气供给管线，其在所述涡流之上向所述培养室内连续地引入增压空气；
第一自动流量控制装置，其以第二预定时间间隔并在第一预定持续时间内定期向所述培养室引入填充水；
第二自动流量控制装置，其以第三预定时间间隔并在第二预定持续时间内定期向所述细菌收获管线引入冲洗水，以把自所述细菌收获口接收的细菌沿所述细菌收获管线冲下；以及可编程电控制器，其用于：在所述设备的使用期间，连续地操纵所述循环泵和空气泵；以所述第一预定时间间隔启动所述营养物进料计量装置；以所述第二预定时间间隔并在所述第一预定持续时间内启动所述第一流量控制装置；以及以第三预定时间间隔并在第二预定持续时间内启动所述第二流量计量装置；以及低压电源，其向所述循环泵、空气泵、营养物进料计量装置和第一及第二流量控制装置供电。
19.根据权利要求18的所述设备，其中所述第一和第二自动流量控制装置是螺线管驱动阀。
20.根据权利要求18的所述设备，进一步包括机壳，其中设置有所述细菌培养室、循环泵、空气泵、营养物进料计量装置和第一及第二自动流量控制装置。
21.根据权利要求20的设备，其中，所述机壳具有水密的底部和设置于所述水密的底部中的浮控开关。
22.根据权利要求21的所述设备，其中，只要所述水密的底部有水，所述浮控开关就中断向所述第一和第二自动流量控制装置供电。
23.根据权利要求18的所述设备，进一步包括设置于所述循环泵和细菌收获管线之间的清洗管线，和设置于所述清洗管线中的阀门，用于使通过所述循环泵排放的流体转向而进入所述细菌收获口下面的所述细菌收获管线。
24.根据权利要求18的所述设备，进一步包括营养物进料漏斗，用于向所述营养物进料计量装置供给营养物进料。
25.根据权利要求18的所述设备，进一步包括设置于所述空气泵和营养物进料计量装置之间的空气管线。
26.根据权利要求20的所述设备，进一步包括热绝缘板，所述热绝缘板把所述机壳分割成包含所述培养室的第一内部分和包含所述循环泵的第二内部分。
27.根据权利要求26的所述设备，其中，机壳的所述第二内部分通过至少一个机壳壁或机壳门通风。
28.根据权利要求20的所述设备，进一步包括与所述机壳的第一内部分通信的温度控制器。
29.根据权利要求18所述的设备，其中，所述第一和第二自动流量控制装置把单股水流分成第一填充水流和第二冲洗水流。
30.根据权利要求18的所述设备，其中，所述第一自动流量控制装置控制被引入所述培养室的水的量和压力。
31.根据权利要求18所述的设备，其中，所述进料计量装置包括可在直立的进料接收位置和倒置的进料排放位置之间旋转的进料杯。
32.根据权利要求31所述的设备，其中，所述进料计量装置包括可旋转至位于所述进料接收位置和进料排放位置之间的备用位置的进料杯。
33.根据权利要求18所述的设备，其中所述营养物进料计量装置可控地每6小时一次将营养物进料排入所述培养室。
34.用于连续培养和收获细菌的设备，所述设备包括：
细菌培养室，其具有：基本呈圆筒形的侧壁；圆锥形底部；具有可移动的盖的敞开式顶部；设置于所述盖上的填充水、营养物进料和空气进口；设置于所述圆锥形底部中的流体出口；和设置于所述侧壁中所述顶部附近的细菌收获口；
循环泵，其用于：通过所述培养室底壁的出口连续地抽取含菌流体，加压所述流体并把该加压的流体通过侧壁成切线地再引入到所述培养室，从而在所述培养室内形成液体涡流；
自动营养物进料计量装置，其以预定时间间隔向所述培养室定期引入预定量的营养物；
空气泵和空气供给管线，其在所述涡流之上向所述培养室内连续地引入增压空气；
至少一个流量控制装置，其连续地向所述培养室引入填充水，并连续地向所述细菌收获管线引入冲洗水，以把从所述细菌收获口接收的细菌沿所述细菌收获管线冲下；以及低压电源，其向所述循环泵、空气泵、以及所述营养物计量装置供电。
35.根据权利要求34所述的设备，进一步包括机壳，在所述机壳中设置有所述细菌培养室、循环泵、空气泵和营养进料计量装置。
36.根据权利要求35所述的设备，其中，所述机壳具有水密的底部和设置于所述水密的底部中的浮控开关。
37.根据权利要求36所述的设备，其中，只要所述水密的底部有水，所述浮控开关就中断向所述设备供电。
38.根据权利要求34所述的设备，进一步包括设置于所述循环泵和所述细菌收获管线之间的清洗管线，和设置于所述清洗管线中的阀门，其用于使被所述循环泵排出的流体改向而进入所述细菌收获口下方的所述细菌收获管线。
39.根据权利要求34所述的设备，进一步包括用于向所述营养物进料计量装置供给营养物进料的漏斗。
40.根据权利要求34所述的设备，进一步包括设置于所述空气泵和所述营养物进料计量装置之间的空气管线。
41.根据权利要求35所述的设备，进一步包括热绝缘板，其将所述机壳分割成包含所述培养室的第一内部分和包含所述循环泵的第二内部分。
42.根据权利要求41所述的设备，其中，所述机壳的所述第二内部分通过至少一个机壳壁或机壳门通风。
43.根据权利要求35所述的设备，进一步包括与所述机壳的所述第一内部分通信的温度控制器。
44.根据权利要求34所述的设备，其中，至少一个流量控制装置把单股水流分成第一填充水流和第二冲洗水流。
45.根据权利要求34所述的设备，其中，至少一个流量控制装置控制引入所述培养室的水的量和压力。
46.根据权利要求34所述的设备，其中，所述进料计量装置包括可在直立进料接收位置和倒置进料排放位置之间旋转的进料杯。
47.根据权利要求46所述的设备，其中，所述进料计量装置包括可旋转至位于所述进料接收位置和进料排放位置之间的备用位置的进料杯。
48.根据权利要求34所述的设备，其中所述营养进料计量装置可控地每6小时一次把营养物进料排入所述培养室。
49.一种用于连续培养细菌并定期收获细菌的自动化方法，所述方法包括以下步骤：向细菌培养室内引入初始进料量的水、起始菌和营养物，以形成含菌流体；
在所述含菌流体上方向所述细菌培养室连续引入空气；
通过从所述培养室中的底部出口抽出流体而连续地循环所述含菌流体；在循环泵中加压所述流体；以及以切线方向把所述加压的流体排回所述培养室内，以在培养室中形成含菌流体的涡流；
定期向培养室引入填充水脉冲，该脉冲相隔预定的时间间隔，且每次持续预定的时间段；
通过设置在高于所述培养室内的所述涡流的细菌收获口定期收获细菌，所述定期收获发生在对应于将填充水脉冲引入到所述培养室的时间；
定期向与所述细菌收获口相通的排放管线引入冲洗水流，所述冲洗水流与所述填充水流脉冲同时开始，且具有足够的量和持续时间，以将通过所述细菌收获口接收的细菌沿所述排放管线冲洗到使用场所或收集器皿；以及定期向所述培养室引入预定量的营养物，以补充细菌生长所消耗的营养。
50.根据权利要求49所述的方法，其中，所述循环含菌流体的温度维持在16至40℃的范围内。
51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述循环含菌流体的温度维持在29至32℃的范围内。
52.根据权利要求49所述的方法，其中，所述填充水脉冲以在1小时至15小时范围内的时间间隔进行。
53.根据权利要求49所述的方法，其中，填充水脉冲的所述持续时间在4.5秒至12秒的范围内。
54.根据权利要求49所述的方法，其中，所述细菌培养室具有3L的容积。
55.根据权利要求54所述的方法，其中，在所述脉冲期间被引入所述细菌培养室的所述填充水的体积在185ml至500ml的范围内。
56.根据权利要求49的所述方法，其中，所述冲洗水的引入以在1小时至15小时范围内的时间间隔进行。
57.根据权利要求49所述的方法，其中，所述冲洗水流的持续时间在15秒至240秒范围内。
58.根据权利要求54所述的方法，其中，在每一时间段内被引入所述细菌收获管线的冲洗水的体积在625ml至10000ml的范围内。
59.根据权利要求49所述的方法，其中，向所述细菌培养室引入营养物进料每隔6小时进行。
60.根据权利要求54所述的方法，其中，每天向所述细菌培养室引入29g营养物，分四等份，每份7.25g，每等份的引入相隔6小时。
61.一种用于连续培养和收获细菌的自动化方法，所述方法包括以下步骤：向细菌培养室内引入初始加料量的水、起始菌和营养物，以形成含菌流体；
在所述含菌流体上方向所述细菌培养室连续引入空气；
通过从所述培养室的底部出口抽出流体而连续地循环所述含菌流体；在循环泵内加压所述流体；以及以切线方向把所述加压的流体排回所述培养室内，以在所述培养室中形成含菌流体的涡流；
向所述培养室连续引入填充水；
通过设置在所述培养室内的高于所述涡流的细菌收获口连续收获细菌；
向与所述细菌收获口相通的排放管线连续引入冲洗水流，所述冲洗水流具有足够量，以将通过所述细菌收获口接收的细菌沿所述排出线管冲洗到使用场所或收集器皿；以及定期向所述培养室引入预定量的营养物，以补充细菌生长所消耗的营养物。
62.根据权利要求60所述的方法，其中，循环的所述含菌流体的温度维持在16至40℃的范围内。
63.根据权利要求62的所述方法，其中，循环的所述含菌流体的温度维持在29至32℃的范围内。
64.根据权利要求60所述的方法，其中，每6小时向所述细菌培养室引入营养进料。
65.根据权利要求60所述的方法，其中每天向所述细菌培养室引入29g营养物，分四等份，每份7.25g，每等份的引入相隔6小时。
说明书 :
技术领域
本发明涉及用于培养和收获需氧菌的设备和自动化方法，该需氧菌用于各种工业、农业、环境和商业的有益用途。
背景技术
在第6,335,191 B1号美国专利中公开了一种用于培养需氧菌菌株并具有预期有益用途的优选现有技术系统。在该系统中，以自动化间歇式方式培养细菌，并将细菌定期排放入排出槽或收集容器，最优选每日一次。在例如现有技术引述的美国专利6,335,191 B1中公开了用于培养细菌的其他现有技术系统和设备。
尽管使用现有的已知系统和设备可获得受益和优势，但仍需要一种相对简单、廉价和可靠的连续流动的生物发生器(biomassgenerator)，这种生物发生器能够数日或数周运转，而不需要照看或操作者干预。这种设备和方法将优选地有利于需氧菌的快速培养而没有过度的起泡，而这在使用现有技术的生物发生器时却是经常碰到的。许多现有技术设备要么在液面以下向培养室鼓入压缩空气，要么使用流经喷射器的循环液体的增压流把新鲜空气吸入液流，然后注回细菌培养室。这些类型的现有技术设备都不能够高收率地培养和收获生物菌而不过度地起泡，而可以通过使用本发明的设备和方法来实现。
发明内容
本发明的另一个优选实施例是使用上述的连续流动生物发生器培养和收获细菌的方法。该方法理想地包括以下步骤：在细菌培养室内放置饮用水、起始菌和营养物的起始介质；把一部分介质连续地成切线地抽出、循环和重新注入培养室以形成涡流，并在涡流之上将低压空气连续地注入培养室内；凭借重力流动，通过控制阀或压力调节器，以有控制的、相对于被循环进入培养室的流速更低的流速，连续地向培养室添加水；从培养室连续地收获细菌，并将细菌冲洗入细菌收获管线；以及定期向培养室补充细菌营养物。用于将细菌沿细菌收获管线冲下的水理想地是被可控制地引入培养室的水的过剩部分或溢流部分。
此处所公开的本发明的另一个优选实施例是这样的生物发生器，其脉冲式地定期向培养室引入水，同时相应地定期收获培养室内连续生长的细菌。本发明该实施例中使用的设备与公开在上述方法实施例中的相似，但是在几个重要方面有所不同。第一，进入培养室的脉冲水流是由定时器驱动的螺线管阀控制。第二，用于从培养室获取细菌的细菌收获管线，是用通过第二定时器驱动的螺线管阀供给的水定期冲洗的，该第二定时器驱动的螺线管阀的启动是与水的脉冲引入同时发生或紧随其后。第三，设置附加的空气管线用于在使用之间干燥进料机构，从而防止在进料机构内的不希望的细菌累积。第四，浮阀设置于容纳主题生物发生器的机壳的底部，以便一旦由于设备的任何机械或电组件失效而引发液体聚集在机壳底部时自动关闭系统。第五，设置按键，用于独立于定时器和电控制器手动启动设备的各个操作。第六，在循环泵和培养室之间的流体循环圈中设置手动控制阀，以便于在设备临时关闭期间排水和冲洗培养室。
此处描述的与生物发生器实施方案(其脉冲式定期向培养室引入水，同时定期收获培养室内连续培养的细菌)有关的本发明另一个优选实施例，是一种用于培养细菌的方法，该方法包含以下步骤：向细菌培养室内引入水、起始菌和营养物；通过设置于培养室底部的出口元件连续抽出(收回)包含细菌的液体介质；通过泵使抽出的介质循环并回到培养室，将循环的液体介质基本成切线地重新引入到培养室内的液体中，以在培养室内形成涡流；通过在涡流上方将低压空气引入培养室，并同时控制起泡，使培养室内的液体介质充满气体；定期向培养室引入附加水；定期从培养室收获含菌液体介质并把收获的介质冲洗入接受器或流体管线；定期向培养室补充附加的营养物。
根据本发明的另一个优选实施例，公开的生物发生器包括内部装有细菌培养室、营养进料机构和循环泵的机壳，该机壳被分成第一和第二部分，以使细菌培养室和循环泵相互热绝缘。根据本发明的另一个特别优选实施例，含有培养室的机壳部分是温控的。
本发明的生物发生器内培养的细菌可被收获用于立即使用或被储存用于随后期望的使用。本发明的设备和方法用于培养在优选使用位置或附近的位置使用的特殊用途的细菌特别有效。本发明的整套系统可以安装于只有授权的人员可访问的可上锁机壳内。因为机壳可以是壁装式的，所以不需要地面空间安装该系统，需要的设施仅是供水系统和常规110伏电器出线口。与现有技术中所公开的系统不同，此处公开的设备和方法通过提供良好的充气和温度控制，使用户能够实现所选有益菌株的快速培养，而不会过度起泡和泵气蚀，泵气蚀对于长时间工作是不利的。
因为本发明的设备和方法适于长时间维持连续细菌培养，所获得的细菌可以用于需要连续或定期补充的应用中，或者用于把活的细菌贮存于合适的、维持生命的收集器皿以备使用的应用之中。该设备仅仅需要定期维护，以将营养物质补充到进料储存漏斗，以及为了常规检查、清洗和维修的临时停工。
附图说明
附图1是本发明的连续流动生物发生器的优选实施例的部分被拿开的正视图；
附图2是图1的连续流动生物发生器的左侧视图；
附图3是图1和图2的连续流动生物发生器的部分被拆开的右侧视图；
附图4是示出本发明的连续流动生物发生器培养室内部的部分被拿开以及部分为截面的正视图；
附图5是沿图4中5-5线的用于本发明的优选水流控制机构的放大剖视图；
附图6是沿图3中6-6线的用于本发明的优选营养物进料机构下部的放大剖视图，其示出了处于直立接收位置的进料杯；
附图6A是图6的优选营养物进料机构，但示出了向下旋转到倒置排放位置的进料杯；
附图6B是图6的优选营养物进料机构，但示出了向上旋转到中间备用(standby)位置的进料杯；
附图6C是图6的优选营养物进料机构，示出从备用位置再次向上旋转到图6的接收位置的进料杯；
附图7是适用于本发明生物发生器的替代的水流控制装置的简化正视图；
附图8是本发明的连续流动生物发生器的另一个优选实施例的部分被拿开的正视图；以及
附图9是用于本发明的优选营养物进料机构下部的剖视图，示出了处于中间备用位置的进料杯和将空气排入杯中以使其干燥的空气管线。
具体实施方式
温度控制单元68优选设置于侧壁58，并与第一内部分74相通，并由110伏交流电供电。通风孔70理想地设置于侧壁58、60之一，以向包含循环泵16的第二内部分76提供通风，可以理解，如果需要，可以使用多个通风孔或与小排风扇(未示出)结合的通风孔在第二内部分76内部提供对流通风。还优选在细菌培养室12和循环泵16之间使用热绝缘板72，以有助于防止机壳20内部过热。在循环泵16会产生大量的热或者不采用此措施时机壳20内部会达到高于细菌持续快速生长的优选温度的情况下，这是特别需要的。基于使用环境和周围温度，将细菌培养室12的温度维持在希望的范围可能不需要温度控制单元68。尽管用于维持细菌快速生长的优选温度范围可以根据诸如细菌类型等的因素而变化，但是在细菌培养室12所在的机壳部分内部，约16～约40℃(约60～约104°F)的温度范围，最优选约29～约32℃(约84～约90°F)的温度范围通常是有益的。
细菌培养室12优选进一步包括圆柱形例壁22、从侧壁22底部延伸至居中设置的出口26的圆锥形底壁24和分别包括水、空气和营养物进口31、32、34的盖28。在设备运行期间，进口流量控制装置30将水通过进口31连续引入细菌培养室12(如以下详细描述的)。进口流量控制装置30接收来自进水管线50的水，进水管线50优选连接至机壳20外的加压水源(未显示)。通过进口32从连接至空气泵18的空气软管82将低压空气连续地引入细菌培养室12。空气泵18理想地向细菌培养室12传送充足的空气，以维持细菌在足够的压力下快速生长，空气的压力足以使该空气进入细菌培养室12，而不至于破坏培养室内部产生的涡流(如以下讨论的)，也不会引起(过压)。进料计量装置48将经挑选的用于促进所培养细菌的生长的营养物质(优选以颗粒状的形式)从储料斗46通过进口34引入细菌培养室12。这种营养物质之所以优选以颗粒状的形式引入，是因为他们倾向于沉入培养室12内的流体84中。不优选粉末和液状营养物，因为他们漂浮在表面上而随所收获的含菌流体通过线路40被排放出的可能性较大。
循环泵16的进口42与细菌培养室12的出口26流体相通连接，流体出口管线44将从泵16的出口排放出的加压流体引回细菌培养室12的下部，优选在稍高于侧壁22的底面的位置。在出口管线44排放端的循环流体出口38优选配置成在侧壁22内部成切线地排放循环流体，以促进如下进一步描述的涡流的形成。流体排放管线40通过排出口36与细菌培养室12的内部相通，如图4所示，排出口36设置于细菌培养室12内接近最高液位。当细菌培养室内的液位随着通过进口31的水的引入而上升时，含菌流体通过排出口36被连续收回，并理想地被来自冲洗水管线52而流入排放管线40的冲洗水向下冲洗到排放管线40。
参照附图4，侧壁22和底壁24向前延伸的部分被拆开，以露出细菌培养室12的内部，以及安装于向下斜的底壁中心的出口26中的防涡器件88。防涡器件88的主要功能是有助于维持涡流77的稳定性，以及防止涡流77下端内的空气通过出口26被向下抽入循环泵16的进口42，由此保护泵16不至于出现气蚀现象。泵的气蚀会加速泵叶轮表面的磨损，也会助长不希望的“活塞流”，在这种活塞流中，出口管线44内的液体的离散体积之间出现大的气泡，导致不规则液流出现，当这些活塞流重新进入培养室12时，就会扰乱涡流，并且促使不希望的泡沫的形成。泵16优选通过在24伏交流电或12伏直流电下工作的电动机提供能量。如果细菌培养室的容积约为3L，泵16理想地额定为提供约15～23L(4～6加仑)/min的循环速率。
根据本发明的一个实施例，防涡器件88通常为圆柱体，该圆柱体具有顶端壁85、圆柱形侧壁83和沿侧壁83圆周间隔排列以允许液体84穿过其中的多个开口89。尽管开口的加合面积最理想地近乎等于出口26的横截面积，以使得不至于过度限制流体84流进泵进口42，由此使循环泵16“供应不足”，但是开口89的大小、形状和数目在本发明的范围内还是可以变化的。如果需要，还可以在防涡器件88的顶端壁85中设置小孔。每一个开口89都理想地足够小，以阻止起始菌或营养物的颗粒或小球通过出口26进入培养室12，直至其基本溶解于流体84之中。可以理解，具有不同形状和结构的防涡器件88同样可以用于本发明的设备和方法中，只要这种其他的部件也起到阻止涡流被吸入泵进口42的作用而不会使泵16负荷不足。
如图4所示，空气引入管线82优选在尖端87(位于流体84内涡流77形成的空气穴中)处截止，以直接向涡流77提供氧。尖端87优选设置于低于循环泵16启动前培养室12内流体84的静止液面约3.8cm(1.5英尺)处，并在循环泵16启动后保持在液面86之上，以使得尖端87在本发明的连续运转期间处于涡流77内部，并且不会被液体84覆盖。空气泵18理想地维持细菌培养室12内部约0.5psig的正压，以有助于阻止不希望的细菌进入培养室内并在培养室内聚集生长。如果细菌培养室12具有约3L的内部容积，则空气泵18和空气引入管线82优选为提供约2～6L/min的空气流速的尺寸。
图5进一步描述和说明一个优选的进口流量控制装置30的结构和操作。理想地，水通过进水管线50被提供给装置30的入口通道102，可以使用软管倒钩98和夹子100、或通过传统的配件、或通过其他类似的有效装置将进水管线50连接于装置30。如果需要，可以通过诸如过滤器、水软化剂等对提供至流量控制装置30的水进行预处理，尽管人们认为这些预处理在进口水源是可饮用水时并不需要。优选地，进口流量控制装置30起流量控制器和压力控制器双重作用，最优选分两个步骤降低压力和流速。进口流量控制装置30进一步包括头部92、体部94和基部96。如图1和4所示，基部96优选可连接至培养室12的盖28的顶部。进入入口通道102的水通过头部92中的较小直径通道104向下流，在重力作用下下落经过视窗116，进入体部94中的井106。通道104的底部与井106顶部之间的垂直距离必须至少有1英寸，以满足需要1英寸的间隙来防止逆流的管道设计规范。优选通道104的直径，使水要么呈快速水滴要么以细流下落进入井106。流速优选为使得在连续运转期间累积在井106中的水多于供给培养室12所需要的水。这些水中一些向下流过位于体部94和基部96内的针形阀110的内腔108，过剩的水则累积在井106中，直至溢出顶部进入体部94的环状空间122中，如箭头120指示。从井106穿过针形阀110向下流的水以小滴或细流112下落经过基部96中的观察口118。如图1所示，液流112理想地对准培养室12的盖28的进口31，以使液流112落到流体84的表面86上。
流进环状空间122的过剩的水穿过出口通道124进入冲洗管线52，其图示为通过夹子126固定于装置30。很明显，穿过通道104的水流速度必须充分地大于穿过针形阀110的水的流速，以提供冲洗管线52所需的过剩的水。如果不用流经冲洗管线52的水连续冲洗流体排放管线40，细菌更可能沉积在流体排放管线40的壁上，而不是如所预期地被传送到使用地或收集器皿。
图7公开和描述了适合用于本发明设备的另一个进水装置152。参照图7，如先前图1～3所描述的，装置152优选可连接于机壳20。装置152是一个活塞控制的正排量进口装置，由同步60循环定时电动机驱动。从外部水源通过进口162接收的引入水，以一定速率被输送至出口164，该速率通过手动旋转调节旋钮160和螺纹连杆158控制，以选择性地调节在体部154内的圆柱体的排量。在图7中不可见的活塞通过安装于体部154上的同步电动机156提供动力。出口164优选通过一个柔性聚合物流送管(图5中未显示)连接于培养室12的盖28中的进口31。如果流量控制装置152用于向培养室12供给水，理想地使用设置在装置152上游的独立的针形阀(未显示)向冲洗管线52提供水。
通过阅读本公开可以理解，其他类似的有效进水装置也可以用于本发明的设备和方法。根据本发明的该实施例，在正常运转期内，进入培养室12的日进水流量和从培养室12流出的流体84的日排量优选约等于培养室容积的1/3～1/2。然而，应该理解，可以根据菌浓度和生长速率改变这个数值，而菌浓度和生长速率又取决于诸如菌类型、营养物类型和数量、细菌培养室12内的温度和流体84内的氧含量的各种因素。根据本发明的一个优选实施例，在稳态运转期间，流进细菌培养室12的水流速约为1.6L/天，即每天通过流体排放管线40排放出近似等量的水。为了使从排出口36排出的细菌能被冲洗出排放管线40，通过冲洗管线52的流速优选约为2～20L(约0.5～5加仑)/天。
图6和图6A-6C进一步描述和说明了进料机构14的优选进料计量装置48的结构和操作。首先参照图6，进料计量装置48优选包括：可连接于培养室12(图4)的盖28的基部件130；以及外壳128，外壳128具有水平设置的通常是圆筒形的内腔，内腔包括可旋转安装的芯件132，该芯件具有横向的圆筒形内腔134，圆筒形内腔完全延伸穿过该芯。具有由底壁138和顶部边缘140限定的的圆筒形侧壁136的进料杯135，设置为在使用时相对于芯件132固定。低压直流电动机安装于外壳128(图3中可见)的圆筒形内腔后面，包括由销125连接于芯件132的齿轮驱动装置。一旦接收到来自于预编程的电控制器54的信号，销125即相应地将芯件132和进料杯135旋转到相对于外壳128的期望角度的位置。进料杯135的直径和容积期想地满足：每当芯件132被销125旋转到环127上的那一位置，即，进料杯135的顶部边缘140处于直立位置时的位置，进料杯135凭借重力流动接收期望量的来自进料贮存漏斗46(图1)的营养物进料。
认识到不同类型的颗粒物质具有不同的纵横比以及横架于开口(这些物质凭借重力流动流经并被排入这些开口)的不同趋势，所以应该理解，进料杯135的优选的直径和深度以及进料贮存漏斗46下面的排出口的直径可依据期望的营养物进料量和营养物进料颗粒大小和形状而变化。根据本发明特别优选的实施例，将可买到的养料颗粒定期放入漏斗46，该漏斗可以构造成每当对生物发生器10进行日常维护时能够轻易滑进和滑出机壳20。如果细菌培养室12具有约3L的容积，则优选每天向培养室引入约29g的营养物，分四等分，每次进料7.25g，每次进料约隔6小时。因此，进料杯135应该具有能够容纳多达约7.5g营养物的容积。
图6A-6C描述了相同的结构，只是销125、芯件132和进料杯135被旋转至相对于壳体128不同角度的位置。在图6A中，进料杯135被向右、向下旋转了如箭头137所示的180度的角度。进料杯135完全处于倒置的位置，此时，杯135内的所有营养物进料颗粒凭借重力通过基部件130的出口144(如箭头146所示)被排出，并通过盖28上的进料进口34进入培养室12(如图1所示)。在图6B中，进料杯135如箭头148所示向回旋转到90度的位置，并保持在此位置直至下一个进料循环开始。进料杯135理想地保持在该90度的位置，以使得进料杯135的开口端被盖住而受到保护。如果进料杯135在进料之间处于直立位置，在排放期间在培养室12吸收的水份就会导致颗粒小球软化结块。如果进料杯135在进料之间处于向下位置，就会在进料杯上发生细菌累积。在图6C中，进料杯135又旋转至图6所示的用于再装载营养物进料的位置。
图1-6对本发明方法的优选实施例做了进一步描述和说明。首先参见图1和图4，在该设备启动期间，约1.6L的水被引进培养室12，以获得低于排出口36液面的初始灌装面。水的起始量当然取决于培养室12的内部容积和新鲜水进入培养室的滴加速度。初始灌装面应该充分低于排出口36，以致于能够加入起始菌和营养物，以致能够在循环启动时形成涡流，并且该装置在此后能够运转几个小时而不会意外排出任何大量的含菌流体。在此期间，起始菌会达到希望的生长数量或浓度。在起始菌在给定时间内生长和繁殖时，通过进口控制装置30进入培养室12的补充水，会逐渐使最高液面90上升到排出口36的液面。
起始量的水能够缓慢地通过进口流量控制装置30引入，或者优选地通过以下方法更快地引入，即，移走盖28并将水倒入培养室12、或者在放置流量控制装置30之前插入一根软管穿过进口31、或插入为此目的而设置的另一个可封闭的端口(未示出)。起始水优选在有助于细菌生长的温度下引入培养室12，或在引入起始菌和营养物之前能够平衡至该温度。如果需要，起始量的水能够在室温下引入，如果太凉，可使用温度控制器68加热，或通过泵16使其循环直至温度达到期望的水平，一般约为16～26℃(60～80°F)。在生物发生器12维持连续运转期间，温度的优选范围是约16～40℃(约60～104°F)，最优选为约29～32℃(约84～90°F)，以促进细菌的生长。
每当水温达到足够促进细菌生长的水平时，预定量的期望类型或多种类型的起始菌通过盖28或另一种类似的有效装置按期望地被引入培养室12，并且进料计量装置48按期望地被启动以把期望量的适当的颗粒状营养物引入培养室12的流体84中。对于如此处描述的培养室12，进料最优选以每批约7.25g的分批方式引入。
参照图1和4，当期望初始数量的水、起始菌和营养物被引入培养室12，并通过任何合适的常规方法把盖28固定于培养室12的顶部之后，启动循环泵16，流体84通过出口26向下抽入进口42。在被循环泵16加压后，含水、细菌、营养物和夹带空气的流体84经过流体出口管线44和循环流体出口38被引回到培养室12中。
出口管线44和循环流体出口38需要配置和定位，以便在培养室12内的流体84中形成基本上如图4所示的涡流77，而没有过度起泡。与现有技术的设备(其使用液面下空气注入法给含菌流体补充空气，由此促进需氧细菌生长)不同，本发明将低压空气供给涡流77内的空气空间，并依靠打漩的涡流所提供的增加的表面积接触，给培养室12内的流体充气。通过以这种方式给流体84充气，而不是通过将空气向上鼓入流体、或通过使用设置于流体出口管线44中的喷射器，有可能在分子水平给流体充气而不产生气泡或过多的泡沫。
根据本发明的优选实施例，流体84可成切线地再注入培养室12。此处使用术语“成切线地”描述弯曲流径，其最初建立在围绕细菌培养室12的内表面16的基本水平方向上，当其围绕培养室12的内表面持续时，其脱离水平方向，并在出口26中的防涡器件88之上、在培养室12的中心产生向下的螺旋形涡流77。
如此处所描述的，一旦通过泵16和管线44建立起循环回路，涡流77应该基本向下延伸从培养室12内的最高液面90到防涡器件88的全部距离，由此限定了通常为圆锥状的液面86，其具有空间曲率，该曲率的最大内径出现在顶液面90处或附近，而最小内径出现在培养室12底部的出口26处或附近。以这种方式持续循环约6小时，同时维持细菌培养室12内的流体84的温度在16℃至约40℃(约60℃至约104°F)的范围内，最优选为约29℃至约32℃(约84℃至约90°F)，并且同时通过进口31连续引进输入水，通过尖端87连续引入低压空气，通过排出口36将流体连续排入流体排放管线40，以及用从冲洗管线52(设置于排出口36之下)导入流体排放管线40的水连续地冲洗流体排放管线40。
在6小时之后，控制器54理想地促使进料机构48再次将营养物颗粒装入进料杯135(如图6所示)，并通过进口34将其排入细菌培养室12。理想地，持续相同的过程，或者以6小时的间隔进行下次进料，直至进料漏斗46为空，或者向进料漏斗46内重新补充营养颗粒，直至该过程被特意停止以定期检查和清洗。用于清洗和维护的停工，理想地要求不超过每月一次，最优选约为每两个月一次。
图8公开了本发明的另一实施例，其中使用了电控制器、定时器和螺线管驱动阀，以定期将受控脉冲的水引入细菌培养室，并且也将其引进细菌收获管线，以将收获的细菌冲入使用场所或收集和贮存容器。使用图8的实施方案将水有控制地循环引入培养室，能够避免矿物质的累积和堵塞，当采用如图1、图4和图5所述的通过针形阀连续滴水时，这种累积和堵塞可能会出现问题。如果水是直接从.城市供水管线获得而可能具有很大的矿物质含量，这可能是特别重要的。
参照图8，生物发生器200优选包括机壳201、细菌培养室214、循环泵224、进料漏斗230、进料计量装置232、空气泵240、变压器264、定时器266和控制器268。生物发生器200优选是整装的，仅仅需要连接于常规电源输出、供水管线和细菌收获管线或用于收集收获自培养室214的细菌的容器。机壳201包含顶部203、底部206、侧壁202、204和后部210，并且在其前侧安装有铰链门208。机壳201可以固定在墙壁上，或如期望地安装于架子或台子上。门208优选是周边密封(未显示)的，以减少污染或流体泄露的可能性，也可以设置锁，以防止在预定工作访问之间有人未经允许而接近内部212。底部206理想地为水密(不漏水)的，优选包括贮槽207，该贮槽具有足够大的容积以捕获至少与细菌培养室214的容积一样大的液体体积，以防止水或活细菌在从培养室214溢出或泄漏时漏出。理想地，在贮槽207中设置有浮控开关280，并且浮控开关与控制器268相连，以便在贮槽207聚集大量积水的情况下，中断向通常是关闭的、螺线管驱动的进水阀276、278供能。
细菌培养室214与先前描述于图1、图3和图4中的生物发生器10的培养室12相似，优选包括具有顶部220的基本上为圆柱形的侧壁216、和带有排出口222的锥形底部218，排出口222具有如先前关于培养室12描述的防涡器件。循环泵224通过进口282接收来自培养室214的含菌流体，并通过循环管线226和循环流体出口228将压缩流体成切线地排回到培养室214中。设置阀260(如果期望，其可以手动操作(如图所示)或用另一电驱动螺线管控制)，以便在对这一单元进行下文更详细描述的定期维护期间，将从泵224排出的流体通过清洗管线258重新导入细菌收获线256。理想地，阀260以这样的方式配置和安装于循环管线226中，即在正常运转期间，含菌流体直接流过该阀，以避免湍流、剪切和冲击，否则它们可能会对细菌生长产生负面影响。而且，清洗管线258优选向上倾斜从阀260出来，以降低反之会发生的沉积和细菌累积的可能性。
图8所示的生物发生器200与先前的图1-4所描述的生物发生器10主要区别在于：向细菌培养室214和细菌收获管线256输送水的组件的结构和操作。再参照图8，经过供给管线234进入机壳201的水通过螺线管驱动阀276和278进行调节和分配，而分别进入管线235和250。在管线235和250中的水压优选不超过约30psi，或城市供水的标准管线压力的上限。如果期望，可提供常规的流量调节器以将管线234中的水压控制为约30psi。
对于具有约3L容积的培养室214的生物发生器200来说，优选每小时通过阀276和管线235向培养室214排入约45ml的水脉冲排入。对于典型安装，需要持续时间约3/4秒的脉冲以排放约45ml的水。水从管线235通过顶部220中的进口向下排入培养室214。设置1英寸的间隙236以符合管道设计规范，并设置筛网或滤网238，优选圆锥形的，以防止可能进入机壳201的内部212中的昆虫或其他污染物进入培养室214。
在定期脉冲期间进入培养室214的水向下流入在培养室内形成的涡流(如在关于图4所示的培养室中所描述的，该涡流已预先形成)中，并通过泵224进行进行循环。当循环进入培养室214内的液体体积以这种方式增加时，液体上表面会上升，直至含菌流体从培养室214通过排放口248向外流，进入Y型连接器253。一旦进入连接器253，收获的细菌即被经过阀278和管线250供给的水向下冲刷，通过筛网或滤网254和更大直径的细菌收获管线256。锥形筛网或滤网254的网孔理想地足够小，以捕获那些可能进入机壳201的内部212的昆虫，而不会过度阻碍冲洗水或细菌沿细菌收获管线256向下流动。
由于定期向培养室214注入新鲜水的原因，可以理想地通过螺线管阀278以周期性脉冲的形式释放冲洗水，该周期性脉冲时间上与通过端口248的含菌流体的排放相一致。通过管线250排放进入细菌收获管线256的定期冲洗水流，理想地在体积上大于、在持续时间上长于通过管线235的进水流。根据本发明的优选实施例，冲洗循环在向培养室214脉冲释放水的同时或之后不久开始。为了把细菌从三通管253和细菌收获管线256中彻底冲洗出去，并且冲入贮存或收集器皿(未显示)或直接到达最终使用的场所(如所述的)，冲洗水流理想地持续约30秒。根据本发明的特别优选实施例，在这每小时30秒冲洗水流期间约1.8～2.0L的水被释放。
尽管优选以小时间隔引入填充料和冲洗水，可以理解，在本发明的范围内在相继的供料和冲洗循环之间也可以使用更长的时间间隔。因此，例如，如果需要，可以以在约1至约15小时范围内或更长的时间间隔引入填充料和冲洗水。在这种情况下，用于供料循环的脉冲长度理想地在约4.5至12秒的范围内，而在这期间释放的水量在约185至约500ml的范围内。相关的冲洗循环的长度分别优选在约15至约240秒的范围内，且冲洗水释放量在约625ml至约10L范围内。
在生物发生器200连续运转期间，除了每小时向培养室214引入水以外，通过使用进料计量装置232每隔6小时一次地向液体介质中添加营养物。参照图8和图9，除非以下另有说明，进料计量装置232的制作方式优选基本上与先前的图1、图3-4和图6-6C所描述的进料计量装置48相同，并基本上以同样的模式工作。进料计量装置232优选包括外壳284，其具有进料入口286、进料出口288、具有横向圆柱形内腔的可旋转芯290、以及相对于核芯290固定设置的进料杯292。如先前所描述，在外壳284的凸耳上设有螺纹孔298，以便于附加低压直流电动机，低压直流电动机响应接收自编程电控制器268的信号，如箭头294所示地将芯290向前或向后旋转。
参照图8，低压空气泵240与前面所述的空气泵18功能类似，它理想地通过空气引入管线242向细菌培养室214的顶部引入空气，以在培养室214内部维持约0.5psi的正压，以有助于防止不希望的细菌进入并聚集在培养室内。在机壳210被紧密地密封的情况下，可以在侧壁204上设置空气进口241，以便于向空气泵240引入周围空气。关于进料计量装置232公开了另外一个另外的优选特性，如果需要，也可以使用进料计量装置48。参照图9，从低压空气泵240到进料计量装置232设置了第二空气输出管线246。在进料循环之间，每当进料杯292处于时钟“3点”的位置，空气管线246通过端口296连续地将空气排入进料计量装置232的外壳284。该空气在进料循环之间干燥进料杯292，并且形成干燥区屏障以防止水份接触进料颗粒，并且降低了进料计量装置232内细菌生长的可能性。在外壳284上可以设有一个或多个小的通风孔295，以使得通过端口296引入的空气流出外壳284。
尽管在图8中描述了生物发生器200，其包括水供给管线234、细菌收获管线256、清洗管线258、空气进口241和电源线262，它们皆穿过机壳201的侧壁204安装，但应该理解，在本发明的范围内这些组件可以采用多种其他设置。例如，在一些情况下可以优选把所有供水管线和连接放置在一个侧壁，而把所有的电组件安装于相对的壁上。在其他情况下，这些连接的优选放置可以取决于那些已经放置在使用场地的设备的位置。
图8进一步描述和说明了用于操作本发明的生物发生器200进行连续培养细菌的优选方法和控制系统。通过电源线262向生物发生器200供给标准的交流电，此后该电流通过预编程电控制器268按需要分配，控制器268进一步包括变压器模块264、交流至直流电的转换模块266、可编程内部定时器、以及手动控制按钮270、272和274。控制器268理想地向进料计量装置232的电动机以及向螺线管276、278供给12伏的直流电，向空气泵240和循环泵224供给交流电，优选把电压降至18伏。然而，可以理解，如果需要，空气泵240和循环泵224也可以专门在直流电下工作。一般而言，优选将机壳201内的组件配置成在低压电流下工作，以降低使用高压时与在机壳内可能不经意的电短路相关的危险。同样可以理解，如果需要，可以在机壳外部设置降压变压器，以使得只有低压电流进入机壳。
在生物发生器200启动期间，电源线262被插进常规的插座，并且按下按钮270，使得约2L的水通过螺线管阀276引入细菌培养室214，之后手动向细菌培养室214初次装入起始菌和颗粒状营养物，优选总共约30g。优选通过升降盖220进行对培养室214内部的访问。
然后通过压下按钮272启动循环泵224和空气泵240，以用信号通知控制器268内的定时器——生物发生器200正处于“加料”模式，在此期间，使含菌流体循环，而在第一个24小时内不添加水和营养物。24小时后，控制器268自动进入“运转”模式。当处于“运转”模式时，生物发生器200的控制器268定期、自动地向螺线管阀276、278发送信号，它们分别使得新鲜水脉冲被引入细菌培养室214，以及使得冲洗水被引到Y型连接器253之上，以将收获的细菌冲入细菌收获管线256。如前所述，每个脉冲的持续时间和相继脉冲之间的间隔，能够预先编程到控制器268中，或者可以在生物发生器200上设置用于设定装填水和冲洗水循环所期望的间隔和持续时间的装置。无论是哪种情况，生物发生器200的自动运转都理想地持续进行，而在启动后长达2个月内都不需要操作者的干预。
如果生物发生器200准备用于被控温的建筑内，其中环境温度在有益于细菌快速生长的范围之内，如前所述，相信不需要对机壳201的内部212补充加热或冷却。然而，如果使用环境可能使内部空间212处于太热或太冷的状态而不能促进细菌快速生长时，就需要给机壳201附加常规的温控装置。
根据进料漏斗230的容积，可能有必要多于两个月一次地向进料漏斗补充营养物颗粒，但是这种补充理想地并不需要中断细菌培养室214及其上述的辅助设备的运转。在连续运转期间，可以将细菌收获和冲洗进收集器、贮存箱等，或通过细菌收获管线256直接送冲洗到使用场地。
每当需要关闭和清洗时，优选不超过每月一次，最优选两个月或更长时间之后，可以通过按下按钮274中止其“运行”模式。在清洗期间，可以刷洗细菌培养室214内部，培养室底部的限流部件可以取出清洗；筛网238、254能够取出进行反向冲洗；并且漂白剂、醋或其他合适的清洗化合物或试剂能够循环通过系统，以将任何微生物累积、膜或淤泥从物流管线、进口和出口、阀门等清除。在培养室214的清洁和冲洗期间，可以手动或自动地操作阀门260，以将被循环泵224从管线226排放的流体转向，进入排放管线258和细菌收获管线256中。如果需要，可以在机壳201内设置另外的按钮或开关，其可用于手动地循环开启和关闭阀276和278，以在清洗期间提供附加的装填和冲洗水。
通过使用本发明所培养的生物质中的细菌的可能的受益用途的其他实例包括但不限于：植物、动物(包括家禽和人)废物的降解；油和化学泄漏物的处理；有毒化合物的转化；藻类的消化；昆虫和真菌的控制；活性酵母的生产；食物加工；和工业有机废物的降解。
通过阅读本发明的公开，本发明的其他变换和修改对于本领域的普通技术人员同样是很明显的，应该认为，此处公开的本发明范围仅仅通过发明人依法授权的附加权利要求的最宽解释所限制。本领域的技术人员通过阅读本公开也应该明了，为了满足具体用途的需要，在本发明范围内可以改变或修改细菌、营养物、水和空气供给装置、控制装置、容器以及泵的物理尺寸、布局、以及类型。