一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置和方法，裝置包括除水裝置和氣體檢測室，氣體檢測室包括進氣端和出氣端，進氣端與出氣口相連，其內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器；單片機與氧氣傳感器和二氧化碳傳感器相連；散熱風扇；電源與氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、散熱風扇相連；PC終端與單片機相連。本發(fā)明還提供一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的方法。本發(fā)明構(gòu)造簡易，實用性強，造價成本低，可以長時期在線連續(xù)運行，排除了尾氣水分對檢測的影響，并且能夠同時完成氧氣和二氧化碳兩種氣體含量的在線檢測，從而獲得發(fā)酵過程中重要的呼吸代謝參數(shù)，如CER、OUR、RQ等。
【專利說明】一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置及方法，屬于生物發(fā)酵過程檢測類制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)酵是生物工程領(lǐng)域一項最基本的技術(shù)，發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量是發(fā)酵工程的兩個重要技術(shù)指標。發(fā)酵中尾氣某些組分濃度變化可以反映整個發(fā)酵過程物質(zhì)的變化情況，特別是尾氣中氧氣和二氧化碳濃度的變化，能夠體現(xiàn)出發(fā)酵過程中相關(guān)的重要信息。
[0003]為了提高發(fā)酵工程的產(chǎn)量和質(zhì)量，控制發(fā)酵過程的主要參數(shù)是必不可少的?，F(xiàn)階段利用計算機對復(fù)雜的發(fā)酵過程進行數(shù)據(jù)檢測、分析和實施過程的最優(yōu)化控制越來越受到人們的極大關(guān)注。由于發(fā)酵過程變量檢測的復(fù)雜性，導(dǎo)致菌體的濃度、比生長率、產(chǎn)物生成率等參數(shù)難以直接在線測量，但是通過在線測量與這些變量相關(guān)的一些參數(shù)，例如，尾氣中的氧氣、二氣化碳等氣體濃度的變化，可以得到這些變量的最優(yōu)估計值，從而為實施生化過程的在線最優(yōu)控制提供先決條件。
[0004]通過發(fā)酵尾氣中的氧氣及二氧化碳的在線檢測分析，可以獲得發(fā)酵過程中重要的呼吸代謝參數(shù)，如二氧化碳釋放速率(CER)、攝氧率(OUR)、呼吸商(RQ)等。這些參數(shù)反映了微生物在發(fā)酵過程中的代謝狀況，尤其能夠提供從生長到生產(chǎn)過渡或者主要基質(zhì)間的代謝過渡指標。在發(fā)酵工程領(lǐng)域中，測定尾氣中所含二氧化碳、氧氣的濃度，對發(fā)酵過程的優(yōu)化、控制以及故障診斷處理中都展現(xiàn)出極其重要的作用，因此尾氣中氧氣和二氧化碳成為主要檢測項目。
[0005]目前尾氣的在線檢測在石油、化工、冶金、環(huán)保、汽車等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但是能夠在生物發(fā)酵工程中應(yīng)用的工業(yè)化在線檢測設(shè)備還比較少。發(fā)酵過程研究中需要高精度測量尾氣時，一般使用質(zhì)譜儀，但對于工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)尾氣的檢測沒有必要采取如此高精度的檢測，而且這類裝置普遍較昂貴，操作與維護復(fù)雜，適用性不廣。
[0006]另一種尾氣檢測方式則是在發(fā)酵過程中采用紅外氣體分析儀和磁氧儀組合型檢測系統(tǒng)，此種方式雖然可以同時在線檢測二氧化碳和氧氣的濃度，但是存在成本高，設(shè)備復(fù)雜，可移植性較差等缺點。發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)普遍使用以上所述的氧氣和二氧化碳檢測裝置，但這些檢測設(shè)備在成本方面、檢測參數(shù)方面、精度方面以及安裝方式方面都不適用于發(fā)酵工程生產(chǎn)。隨著生物【技術(shù)領(lǐng)域】和傳感器相關(guān)檢測控制領(lǐng)域不斷相互滲透，嵌入式以及模塊化、操作與維護簡便適合于發(fā)酵工程的專業(yè)在線氣體檢測設(shè)備越來越受到各實驗室和工廠的重視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置。[0008]為了上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，包括:除水裝置，所述除水裝置包括進氣口和出氣口，所述進氣口連接發(fā)酵罐出氣口 ；氣體檢測室，所述氣體檢測室包括進氣端和出氣端，所述進氣端與所述出氣口相連，所述氣體檢測室內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器；單片機，所述單片機通過導(dǎo)線與所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器相連?’散熱風扇；電源，所述電源與所述氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、散熱風扇相連；PC終端，所述PC終端通過數(shù)據(jù)線與所述單片機相連。
[0009]優(yōu)選的，所述散熱風扇為兩個，分別與所述單片機和電源相對應(yīng)。
[0010]優(yōu)選的，所述氣體檢測室、單片機、電源、散熱風扇均安裝在接線盒內(nèi)。
[0011]優(yōu)選的，所述除水裝置包括Nafion管和氣泵，氣泵用于為Nafion管提供相對氣流。
[0012]優(yōu)選的，所述進氣口設(shè)有過濾器。
[0013]優(yōu)選的，所述電源為穩(wěn)壓開關(guān)電源。穩(wěn)壓開關(guān)電源為雙路電壓輸出，為氧氣傳感器和二氧化碳傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓。
[0014]優(yōu)選的,所述單片機為Arduino單片機。Arduino單片機用于傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理及與PC終端通信。
[0015]優(yōu)選的，所述PC終端裝有數(shù)據(jù)繪圖分析軟件；所述數(shù)據(jù)繪圖分析軟件用于數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)的實時圖形顯示；所述實時圖形均以時間為橫坐標，縱坐標分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值。
[0016]優(yōu)選的，所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器均為光學傳感器。
[0017]本發(fā)明還提供一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的方法，包括以下步驟:
(O將氣體檢測室、Arduino單片機、穩(wěn)壓開關(guān)電源和兩個散熱風扇集成安裝在接線盒內(nèi)，并利用所述兩個散熱風扇分別為Arduino單片機、穩(wěn)壓開關(guān)電源散熱；
(2)將發(fā)酵罐出氣口連接Nafion管的進氣口，利用氣泵為Nafion管提供相對氣流，去除尾氣中大部分水分，Nafion管的出氣口通過管路連接到氣體檢測室內(nèi)，并通過氣體檢測室內(nèi)的氧氣傳感器和二氧化碳傳感器同時檢測尾氣中的二氧化碳和氧氣含量；
(3)氧氣傳感器和二氧化碳傳感器分別把檢測到的二氧化碳和氧氣含量的數(shù)字信號發(fā)送給Arduino單片機進行轉(zhuǎn)換、計算；
(4)Arduino單片機處理后將濃度數(shù)據(jù)和呼吸商數(shù)據(jù)傳遞至PC終端，PC終端通過數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實時顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計算得出的呼吸商值，并將數(shù)據(jù)繪制成實時圖形，所述實時圖形均以時間為橫坐標，縱坐標分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值；且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動保存所有接收的數(shù)據(jù)。
[0018]本發(fā)明的設(shè)計思路基于生物發(fā)酵呼吸商是二氧化碳生成量與氧氣消耗量的比值，只要測定 發(fā)酵尾氣中二氧化碳和氧氣的含量，就能計算出呼吸商，本發(fā)明采用專一性強、靈明度高、微功耗的光學傳感器，選擇性檢測尾氣中的二氧化碳和氧氣含量，傳感器發(fā)送的數(shù)字信號通過Arduino單片機轉(zhuǎn)換、計算后傳遞至PC終端數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實時顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計算得出的呼吸商值。且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動保存所有接收的數(shù)據(jù)。[0019]本發(fā)明技術(shù)方案針對發(fā)酵尾氣水分含量高這一問題，采用了 Nafion管除水裝置，去除尾氣中大部分水分，使進入氣體檢測室的氣體相對濕度在傳感器檢測范圍內(nèi)，避免了水蒸氣凝結(jié)對傳感器的影響，保證其能長期在線正常工作。
[0020]本發(fā)明的有益效果如下:
1、裝置采用模塊化設(shè)計，組裝簡單，可移植性強，可以嵌入其它大型發(fā)酵檢測系統(tǒng)。
[0021]2、裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，整體功耗低，節(jié)約能源。
[0022]3、氣體傳感器均采用光學傳感器，精度高，使用壽命長，選擇性好，抗干擾能力強。
[0023]4、同時完成生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳兩種氣體的在線測量，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控整個發(fā)酵過程的CER、OUR和呼吸商。
[0024]5、維護簡單，可以長期在線運行。
[0025]6、成本低，易于量產(chǎn)，為發(fā)酵行業(yè)提供了一種實用簡便的在線監(jiān)測設(shè)備，不僅適用于實驗室小型發(fā)酵實驗，也適用于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)。
[0026]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分電路原理圖。
[0029]圖中1.Nafion管,2.氣泵,3.Arduino單片機,4.氧氣傳感器,5.開關(guān)電源,6.散熱風扇，7.出氣端,8.氣體檢測室,9.PC終端，10.二氧化碳傳感器。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖對在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置作進一步說明。
[0031]實施例:接線盒采用鋁合金，氣體檢測室8及其上的進氣端、出氣端7均采用有機玻璃管，采用Nafion管除水裝置去除氣體水分，穩(wěn)壓開關(guān)電源采用市售220v開關(guān)電源且在其側(cè)面安裝有散熱風扇6促進散熱，氣體傳感器為紅外二氧化碳傳感器10和氧氣傳感器4。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以Arduino單片機3為中心，通過導(dǎo)線連接光學傳感器，光學傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)至Arduino單片機3,傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino單片機3處理后通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到PC終端9,PC終端9的數(shù)據(jù)繪圖分析軟件實時顯示從Arduino單片機3傳送來的數(shù)據(jù)。
[0032]如圖1、2所示，一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成為:它包括PC終端9和氣體檢測儀，所述氣體檢測儀又包括除水裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0033]所述除水裝置包括Nafion管I和氣泵2，氣泵2用于為Nafion管I提供相對氣流。Nafion管I包括一個進氣口和一個出氣口，Nafion管I的進氣口連接發(fā)酵罐出氣口，Nafion管I的進氣口上還設(shè)有過濾器。
[0034]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括接線盒、Arduino單片機3、氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10。氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10均光學傳感器。所述接線盒中集成裝有開關(guān)電源5、兩個散熱風扇6、氣體檢測室8。氣體檢測室8包括一個進氣端和一個出氣端7，進氣端與出氣口相連，氣體檢測室8內(nèi)設(shè)有所述氧氣傳感器4和所述二氧化碳傳感器10。開關(guān)電源5為雙路電壓輸出，為氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10提供穩(wěn)定的工作電壓。Arduino單片機3通過導(dǎo)線與氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10相連。開關(guān)電源5與氧氣傳感器
4、二氧化碳傳感器10、兩個散熱風扇6相連。PC終端9通過數(shù)據(jù)線與Arduino單片機3相連。兩個散熱風扇6安裝在接線盒上且分別與Arduino單片機3和開關(guān)電源5相對應(yīng)。
[0035]PC終端9裝有數(shù)據(jù)繪圖分析軟件；所述數(shù)據(jù)繪圖分析軟件用于數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)的實時圖形顯示；所述實時圖形均以時間為橫坐標，縱坐標分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值。
[0036]上述裝置的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的方法，包括以下步驟:
(1)將氣體檢測室8、Arduino單片機3、開關(guān)電源5和兩個散熱風扇6集成安裝在接線盒內(nèi)，并利用兩個散熱風扇6分別為Arduino單片機3、開關(guān)電源5散熱；
(2)將發(fā)酵罐出氣口連接Nafion管I的進氣口，利用氣泵2為Naf ion管I提供相對氣流，去除尾氣中大部分水分，Nafion管I的出氣口通過管路連接到氣體檢測室8內(nèi)，并通過氣體檢測室8內(nèi)的氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10同時檢測尾氣中的二氧化碳和氧氣含量;
(3)氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10分別把檢測到的二氧化碳和氧氣含量的數(shù)字信號發(fā)送給Arduino單片機3進行轉(zhuǎn)換、計算；
(4)Arduino單片機3處理后將濃度數(shù)據(jù)和呼吸商數(shù)據(jù)傳遞至PC終端9，PC終端9通過數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實時顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計算得出的呼吸商值，并將數(shù)據(jù)繪制成實時圖形，實時圖形均以時間為橫坐標，縱坐標分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值；且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動保存所有接收的數(shù)據(jù)。
[0037]本發(fā)明的裝置構(gòu)造簡易，實用性強，造價成本低，可以長時期在線連續(xù)運行，通過Nafion管除水裝置去除發(fā)酵尾氣中的水分，排除了尾氣水分對檢測的影響，并且能夠同時完成氧氣和二氧化碳兩種氣體含量的在線檢測，從而獲得發(fā)酵過程中重要的呼吸代謝參數(shù)，如二氧化碳釋放速率(CER)、攝氧率(OUR)、呼吸商(RQ)等。
[0038]以上對本發(fā)明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制與以上描述的具體實施例。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對本發(fā)明進行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所做的均等同變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，包括: 除水裝置，所述除水裝置包括進氣口和出氣口，所述進氣口連接發(fā)酵罐出氣口 ； 氣體檢測室，所述氣體檢測室包括進氣端和出氣端，所述進氣端與所述出氣口相連，所述氣體檢測室內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器； 單片機，所述單片機通過導(dǎo)線與所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器相連； 散熱風扇； 電源，所述電源與所述氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、散熱風扇相連； PC終端，所述PC終端通過數(shù)據(jù)線與所述單片機相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述散熱風扇為兩個，分別與所述單片機和電源相對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述氣體檢測室、單片機、電源、散熱風扇均安裝在接線盒內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述除水裝置包括Nafion管和氣泵，氣泵用于為Nafion管提供相對氣流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述進氣口設(shè)有過濾器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述電源為穩(wěn)壓開關(guān)電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述單片機為Arduino單片機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述PC終端裝有數(shù)據(jù)繪圖分析軟件；所述數(shù)據(jù)繪圖分析軟件用于數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)的實時圖形顯示；所述實時圖形均以時間為橫坐標，縱坐標分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器均為光學傳感器。
10.一種在線檢測生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將氣體檢測室、Arduino單片機、穩(wěn)壓開關(guān)電源和兩個散熱風扇集成安裝在接線盒內(nèi)，并利用所述兩個散熱風扇分別為Arduino單片機、穩(wěn)壓開關(guān)電源散熱； (2)將發(fā)酵罐出氣口連接Nafion管的進氣口，利用氣泵為Nafion管提供相對氣流，去除尾氣中大部分水分，Nafion管的出氣口通過管路連接到氣體檢測室內(nèi)，并通過氣體檢測室內(nèi)的氧氣傳感器和二氧化碳傳感器同時檢測尾氣中的二氧化碳和氧氣含量； (3)氧氣傳感器和二氧化碳傳感器分別把檢測到的二氧化碳和氧氣含量的數(shù)字信號發(fā)送給Arduino單片機進行轉(zhuǎn)換、計算； (4)Arduino單片機處理后將濃度數(shù)據(jù)和呼吸商數(shù)據(jù)傳遞至PC終端，PC終端通過數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實時顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計算得出的呼吸商值，并將數(shù)據(jù)繪制成實時圖形，所述實時圖形均以時間為橫坐標，縱坐標分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值；且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動保存所有接收的數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G01N35/00GK103869091SQ201410121317
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】李暉, 肖乾坤, 劉澤蒙, 陳可泉, 韋萍, 歐陽平凱 申請人:南京工業(yè)大學