CN101169451B - 一体化多组分发酵尾气在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化多组分发酵尾气在线检测装置。它结构简单、实用性强、可长期在线运行、彻底解决尾气湿度对检测的影响及气路易堵塞问题，并且可以同时完成尾气多组分的在线检测。其结构为：它包括机箱，所述机箱被分隔成至少两个相对独立的空间，其中采样室和检测室分别至少有一个；在采样室内安装加热装置，检测室内设有气体检测装置；采样室与检测室之间至少有一个相通的气孔。

Description

一体化多组分发酵尾气在线检测装置

技术领域

本发明公开一种一体化多组分发酵尾气在线检测装置，属于发酵尾气检测类制造技术领域。

背景技术

现代生物工艺过程中，发酵和细胞培养的优化及控制很大程度上直接取决于其检测手段。尾气分析不但能有效地优化生物工艺，并且可以避免直接检测发酵液带来的染菌及其它对发酵过程的不利影响。因此尾气的在线检测在发酵及细胞培养领域的应用越来越受到重视。

发酵过程中从发酵罐排气口排出的尾气，温度一般在27～37℃，湿度为100％，压力一般小于0.05MPa，主要成分为氮气，氧气，二氧化碳，根据发酵项目的不同还会有甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、氨等挥发性气体。同时在线检测二氧化碳和氧气浓度，可计算出呼吸商，对指导发酵优化控制很有意义，故成为尾气在线检测的主要项目。

目前应用于化工、冶金、石油、煤炭、建材、环保、汽车等方面的气体在线检测设备已较普遍，但用于发酵行业的尾气在线检测设备甚少。发酵行业对发酵尾气的在线检测采用以下方法：

方法1，采用质谱仪。优点是检测精度高，可同时测量多组分，适于作分析，但对发酵在线检测高精度没有必要。这类设备昂贵，少则十几万多则几十万，且操作复杂，需经常维护，因而仅在极少数实力雄厚的高校实验室使用。

方法2，采用通用气体分析仪组合。一般是采用红外气体分析仪和磁氧仪的组合。红外气体分析仪是基于不同气体对红外线有选择性的吸收原理而设计的，可用来分析各种非对称多原子气体，如：NH3、CO2、CO、CH4、NO、SO2及水蒸气等，但不能用来分析同一种原子构成的多原子气体以及惰性气体，如：N2、Cl2、H2、O2以及He、Ne、Ar等。磁氧仪是利用氧分子在磁场中具有很高的顺磁性设计而成。在发酵尾气在线检测中，由于需要同时检测二氧化碳和氧气浓度，故使用这两种仪器进行组合。这种方法成本高，设备复杂，使用不便。

方法3，采用简单气体分析仪，通过取样泵人工间断取气进行分析，不能完成在线连续检测。

发酵行业一直沿用已有的气体检测装置，而这些装置无论是检测参数、安装方式、设备成本等方面都不适合发酵行业，只能是在没有专用仪器情况下的一种替代。随着生物技术的迅速发展，发明适合发酵行业专用的尾气在线分析装置也就成为大势所趋。

近年来红外分析检测技术得到较大发展，并发展了各种成熟经济的气体传感器，如红外二氧化碳传感器、氧传感以及甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、氨传感器。这些气体传感器的采样方式为扩散式，使用方便，在许多领域得到广泛应用，为发酵尾气的在线检测开辟了新途径。但由于气体传感器应用条件之一是至少保证环境湿度小于95％，不结露。如红外二氧化碳传感器，应用了不分光红外原理(测量二氧化碳的法定分析方法)，其光学检测部件对水蒸气非常敏感，水蒸气的存在直接影响对二氧化碳的检测精度，并会使其在短时间内失效。而发酵罐排出的尾气湿度为100％，水蒸气已经达到饱和，如不处理无法进行检测。

方法1及2对尾气预处理过程一般为：先通过玻璃纤维过滤器，去除部分水分，再利用膜过滤器，进行精过滤，才能将气体送入处理单元。为完成取气、排水、气路切换，中间一般还需用气泵和控制阀等配件，有些还配置流量计、气体稳流器等。这种处理方式，成本高，设备、管路复杂，最主要的问题是极易发生气路堵塞，需要经常检查维护。方法3没有尾气预处理装置。

由于发酵排出的尾气压力一般小于0.05MPa，采用机械式旋风水气分离方法，效果较差；压缩空气除湿法，需深度冷冻或分子筛，能耗大，有污染，使用麻烦；半导体制冷技术除湿，如中国专利02220195.5所记载的带有半导体制冷除水机构的尾气排放测试分析仪，即采用半导体制冷技术替代介质压缩制冷除湿，解决发动机尾气排放测试，但设备复杂，成本高；用活性炭等吸附剂虽可以吸附尾气中的部分水分，但也同时吸附了需要检测的有用气体，如二氧化碳；膜过滤技术，通气速率低，造成检测滞后，膜易堵塞，需经常清理。

对发酵尾气除湿最佳方法是采用电加热。现有技术对气体的电加热除湿方法，一般是对气体单独进行加热处理，即将气体在密闭容器内通过电加热元件，将气体加热到一定温度，再通过管道送入检测装置。这种方法虽然有效，但仍不能从根本上解决问题。因为检测装置与气体加热装置非一体化，之间存在温差，被加热的气体在输送至检测装置的过程中一旦遇冷仍会结露，从而影响了在线检测。

现有技术的另一个问题是气路易被堵塞。目前用于发酵尾气的在线检测设备都采用管道输送样气。由于发酵尾气中常携带有粘性液滴，久而久之这些粘性物会附着在管壁上。而且在发酵过程中逃液(即发酵液从发酵罐的排气口溢出)是不可完全避免的。这些情况都会造成气路被堵，为此上述设备需要定期检查、清理及更换。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种结构简单、实用性强、可长期在线运行的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，彻底解决尾气湿度对检测的影响及气路易堵塞问题，并可同时完成尾气多组分的在线检测。

为了上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

一种一体化多组分发酵尾气在线检测装置，它包括机箱，所述机箱被分隔成至少两个相对独立的空间，其中采样室和检测室分别至少有一个；在采样室内安装加热装置，检测室内设有气体检测装置；采样室与检测室之间至少有一个相通的气孔。

所述采样室内的加热装置可为电加热装置或内部通有热介质的盘管加热装置。

所述电加热装置为具有自控/限/恒温功能的电热带/电热膜/片/块或带有温度自动控制装置的电热膜、电热丝、电热片、电热管中的至少一种。电热膜/片有带自限温功能的和不带此功能的。

所述的电热带为带屏蔽护套呈扁平软带状便于弯曲缠绕或平放，具有加热、自动保温、限温的自限温式电热带，均匀敷设于机箱采样室内。

所述采样室内也可以设置过滤器。

所述采样室下方至少有一个出口。

所述气体检测装置包括气体传感器，它与信号处理单元连接，气体传感器为二氧化碳传感器、氧传感器、甲醇传感器、乙醇传感器、乙酸传感器、乙醛传感器或氨传感器的一种，也可以是上述传感器的组合。

所述的气体传感器位于检测室一侧的气孔处。

本发明的设计思路是集采样与检测为一体，对采样箱体进行整体加热，使其达到与尾气相同或略高的温度。一般发酵温度(也即尾气温度)在27～37，故使采样箱体温度大于38℃，可满足检测对湿度的要求。采用本方案的一体化结构，去掉了采样与检测之间的连接管路，当尾气中携带有粘液或发生逃液时，会从下端的出口排出，不影响正常检测，从根本上解决了气路堵塞的问题，达到真正免维护。

本发明技术方案对采样部分加热温度提出了要求，过低达不到除湿效果，过高不利于气体检测装置的正常工作，适合的温度范围在38-45℃。最佳方法是采用具有PTC效应的自控/限/恒温功能的柔性电热材料，如电热带/膜/片等。上述电热材料通电后电阻会随温度升高增加，在额定温度下功率与散热达到平衡，因此具有自动限制加热温度的功能，无须配备温控装置；且热惯性小，加热均匀，无高温热点及烧毁之虑，安全节能；还可以任意截断或在一定长度内接长，使用方便。

采用其它加热方式也可以达到同样效果。如采用不具有自动控温功能的电热膜、电热片、电热丝、电热管等电热材料，只是需要增加温度控制装置。

本发明的有益效果如下：

1、集采样与检测为一体，对采样箱体整体加热，彻底解决尾气湿度对检测的影响，为发酵尾气的在线检测提供了一种方法。

2、结构紧凑，内部没有管路连接，解决气路堵塞问题。

3、真正的免维护，可长期在线运行。

4、采用具有自限温功能的柔性电热材料，无需自控装置，也不存在温度失控而引起的不利后果。

5、同时完成发酵尾气多种组分的在线检测。

6、装置简单，成本低，易于产业化，为发酵行业提供了非常实用的在线检测设备，不仅适合科研院所、高校实验室，也适用于工业化发酵生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明检测部分信号处理单元电路原理图。

图中1.进气管，2.过滤器，3.排气管，4.电热带，5.隔板，6.气体传感器，7.信号处理单元，8.机箱。

具体实施方式

下面结合附图以发酵尾气二氧化碳、氧气在线检测为实施例对本发明作进一步说明。

实施例：机箱8采用铝材，隔板5采用铝板，过滤器2采用叶片旋风式分水滤气器，电热带4采用市售的交流220V供电、自限温型(其表面温度不大于65℃)电热带，气体传感器6为不分光红外二氧化碳传感器和电化学氧传感器。信号处理单元7包括电源，接口电路，A/D转换器，微处理器，显示单元和通讯单元。

如图1所示，隔板5将机箱8分成采样室与检测室两个部分。在隔板5上开有两个气孔。电热带4均匀敷设于采样室内。进气管1一端与发酵罐排气口相连，另一端连接至采杆室内的过滤器2，过滤器2的出气口与采样室相通，过滤器2的排水管与采样室的排气管相连。尾气经进气管1、过滤器2进入机箱8中的采样室，扩散后经隔板5上气孔进入检测室。位于检测室内气孔处的二氧化碳传感器和氧传感器6，分别将二氧化碳及氧浓度信号变换成电信号，送信号处理单元7。如图2所示，在信号处理单元7中，信号经接口电路至A/D转换器，转换成数字信号送微处理器单元，处理后显示二氧化碳及氧气浓度，同时将数字信号通讯送至计算机。

本实施例中，过滤器可以滤除部分尾气杂质，但对整体功能的实现并无实质性影响。如果去掉，可将进气管直接与机箱的采样部分连接。

本实施例中的信号处理单元，可根据实际需要保留或去掉，例如仅需本检测装置提供电信号时可去掉，也可对其做相应增删。

本实施例中采用隔板将采样室与检测室分隔开来，也可采用将机箱一体制成的方式予以分隔，也可采用将两个独立的采样室和检测室合为一体的方式，还可采用在机箱内单独包装检测室或采样室的方式。

当需分别或同时检测发酵尾气中的甲醇、乙醇、乙酸、乙醛或氨的浓度时，可将本实施例中气体传感器6更换为甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、氨传感器的一种或它们的组合，或是包含检测上述气体成分的传感器阵列及多组分传感器。这时需要在隔板5上开相应的气孔。

需要指出的是，上述实施例不应理解为对本发明保护范围的限制。在不脱离本发明精神的前提下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种一体化多组分发酵尾气在线检测装置，它包括机箱，其特征是：所述机箱被分隔成两个相对独立的空间，其中采样室和检测室分别有一个；在采样室内安装加热装置，温度范围在38-45℃；检测室内设有气体检测装置；采样室与检测室之间至少有一个相通的气孔。

2.根据权利要求1所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述采样室内的加热装置为电加热装置或内部通有热介质的盘管加热装置。

3.根据权利要求2所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述电加热装置为具有自控/限/恒温功能的电热带/电热膜/片/块或带有温度自动控制装置的电热膜、电热丝、电热片、电热管中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述的电热带是带屏蔽护套的扁平软带状，均匀敷设于机箱采样室内。

5.根据权利要求1所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述采样室内设置过滤器。

6.根据权利要求1所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述采样室下方至少有一个出口。

7.根据权利要求1所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述气体检测装置包括气体传感器，它与信号处理单元连接，气体传感器为二氧化碳传感器、氧传感器、甲醇传感器、乙醇传感器、乙酸传感器、乙醛传感器或氨传感器的一种，或是上述传感器的组合。

8.根据权利要求7所述的一体化多组分发酵尾气在线检测装置，其特征是：所述的气体传感器位于检测室一侧的气孔处。