CN103528622A - 高效生物膜光生物反应器在线测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效生物膜光生物反应器在线测量系统，包括生物膜光生物反应器系统，生物量浓度、生物膜厚度传感系统，FBG温度传感系统，氢浓度和PH传感系统；生物膜光生物反应器系统包括光生物反应器、反应器光源、蠕动泵、恒温水浴、培养基储液瓶、气体收集瓶、气液分离瓶等；生物量浓度、生物膜厚度传感系统包括光纤光源、滤光片、多模光纤、光分路器、光耦合器、生物量浓度传感探头、生物膜厚度传感器等；氢浓度和PH传感系统包括H₂电极、pH参考电极、pH电极等。本发明采用了生物量浓度、pH和氢浓度在线测量的传感器；可根据传感器的实时测量结果，对反应器内生物膜厚度和pH进行调控；调控后的生物膜反应器产氢速率提高。

Description

高效生物膜光生物反应器在线测量系统

技术领域

本发明涉及一种生物膜反应器在线测量系统，尤其涉及一种高效生物膜光生物反应器在线测量系统。

背景技术

化石能源价格不断攀升，能源短缺日益成为困扰社会发展的首要问题。同时化石燃料的过量开采对自然环境造成了严重破坏，积极开发环境友好和符合经济发展的可再生能源，特别是大力发展生物质能有效地缓解能源短缺压力，成为关系中国可持续发展的重大战略需求。

生物质能资源包括能源植物和作物、木材及森林与园林工业废弃物、动物粪便等。生物质转化平台主要有热化学转化法平台和生物转化法平台。生物转化平台具有条件温和、环境友好以及能量投入低等优点，在国际上被普遍认为更具有竞争力和广阔发展前景。微生物能源转化技术是生物质能生物转化平台的重要组成部分，现有的微生物能源转化技术主要有乙醇发酵、沼气发酵、生物制氢、微藻能源、酯化转化、微生物燃料电池等技术。虽然微生物能源转化技术具有很多突出的优点，但是这些技术的应用还存在很多亟待突破的技术瓶颈，其性能还不能满足大规模工业化应用的要求。

以生物膜光合制氢技术为例。在光合细菌生物膜成膜过程中，液相环境的pH将直接影响到固体基质对微生物细胞的吸附能力，生物膜的发展能力，生物膜结构信息等。在生物膜微生物代谢产氢过程中，不同酸碱条件下微生物细胞的代谢途径不同，且碳源代谢生成的有机酸，如甲酸、乙酸、丙酸等会以不同形态（分子态或离子态） 存在。此外，光合细菌代谢产氢时细胞内将产生大量的酶促反应，而酶促反应都在最适的pH范围内发生。pH的改变还将影响到酶和底物的电荷性，从而影响到细胞内酶的合成能力以及酶与底物的结合能力，最终影响底物的跨膜传输特性，形成产物抑制效应。而且，pH还会对细胞内色素-蛋白复合物的稳定性及功能产生重要的影响，进而影响到ATP的合成，最终会对光合细菌产氢过程产生限制。可见，光合细菌生物膜产氢过程，微生物细胞成膜、细胞的生长繁殖及代谢产氢都必须在合适的pH范围内进行。因此，在线检测微生物生长环境中液相的pH对于优化控制反应器内液相pH，使其维持在微生物生长及代谢产氢最佳的pH范围，从而优化和强化微生物产氢性能，对维持生物膜反应器高效稳定的产氢十分重要。

生物膜厚度是影响生物膜光生物反应器产氢性能的另一重要因素。生物膜的厚度较薄时，反应器内生物量持有量低，反应器产氢能力低。然而，未受到控制的较厚的生物膜，并不比薄的生物膜有更高的产氢量，这是因为生物厚度较厚时，虽然增加了生物持有量，但是也增大了底物和代谢产物的传输阻力和光能的衰减，生物膜内活性生物量低，产氢代谢途径受到抑制。因此，过高和过低的生物膜厚度都将限制或者抑制反应器的产氢能力。反应器内生物膜厚度与外部操作条件密切相关，如光照条件、固体基质表面的物理化学性质、液相流速、pH等外部操作量细微的改变将直接影响到多相生物膜光生物反应器内微生物细胞在固体基质表面的附着能力、生物膜细胞的发展能力，进而影响到生物膜厚度。此外，由于在反应器内存在温度、气-液两相流速度、底物-产物浓度以及光照强度等热物理参数的场分布，必然影响微生物细胞在反应器内不同空间载体表面的附着量存在较大差异，即在反应器内不同空间上呈现出场分布特性。因此，在线测量反应器内固体基质表面生物膜厚度及其分布，并时时地优化、控制固体基质表面的生物膜厚度对提高反应器的产氢能力十分必要。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种提高产氢速率的高效生物膜光生物反应器在线测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

高效生物膜光生物反应器在线测量系统，包括生物膜光生物反应器系统，生物量浓度、生物膜厚度传感系统，FBG温度传感系统，氢浓度和PH传感系统；

所述生物膜光生物反应器系统包括光生物反应器、反应器光源、蠕动泵Ⅰ、恒温水浴Ⅰ、培养基储液瓶、气体收集瓶、气液分离瓶和反应器内液相pH调节旁路；所述光生物反应器包括受光板、空芯光纤、折流板、反应器固定板、反应器箱体和反应器摇摆支架；所述反应器箱体为圆柱形并由透明的有机玻璃制成，所述反应器箱体的一端固定在受光板上并与反应器光源对应，所述反应器箱体的另一端固定在折流板的一侧上，所述反应器固定板设置在折流板的外侧，在折流板的另一侧与反应器固定板之间设置培养基储存腔，所述折流板上设有多个通孔，所述培养基储存腔通过通孔与反应器箱体内相通，在反应器固定板上设有培养基入液口和多个传感器安装口Ⅰ，所述培养基入液口与培养基储存腔内连通，所述受光板上设有与反应器箱体内相通的出液口；所述反应器摇摆支架设置在反应器箱体的下方，反应器摇摆支架与反应器箱体之间设置弹簧，所述反应器箱体内均布设置多根沿反应器箱体的轴向设置的空芯光纤；所述反应器箱体上设置传感器安装口Ⅱ和均布设置数个PH调节通道；所述培养基储液瓶设置在恒温水浴Ⅰ中，所述蠕动泵Ⅰ的进口通过管路与培养基储液瓶内连通，所述蠕动泵Ⅰ的出口通过管路与培养基入液口连通；所述反应器内液相pH调节旁路包括恒温水浴Ⅱ、氢氧化钠储液瓶、蠕动泵Ⅱ和分流器，所述氢氧化钠储液瓶设置在恒温水浴Ⅱ中，所述蠕动泵Ⅱ的进口通过管路与氢氧化钠储液瓶内连通，所述蠕动泵Ⅱ的出口通过管路与分流器的进口连接，所述分流器的出口分别通过管路与数个PH调节通道一一对应连通；所述出液口通过管路与气液分离瓶的进口连通，所述气液分离瓶的出口通过管路分别与气体收集瓶连接和培养基储液瓶连接；

所述生物量浓度、生物膜厚度传感系统包括光纤光源、滤光片、多模光纤、光分路器、光耦合器、生物量浓度传感探头、生物膜厚度传感器、光纤光谱仪、计算机Ⅰ和光功率计；所述生物量浓度传感探头采用反射式光纤传感探头，所述反射式光纤传感探头安装在传感器安装口Ⅱ内；所述光纤光源发出的光经过滤光片进入多模光纤，多模光纤与光分路器连接，所述光分路器输出的一路光线通过多模光纤与光耦合器连接，所述光耦合器的出光口通过多模光纤与反射式光纤传感探头连接，所述光耦合器的反射光出口通过多模光纤与光纤光谱仪，光纤光谱仪与计算机Ⅰ连接；所述生物膜厚度传感器包括倏逝波传感臂和参考臂，所述倏逝波传感臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成；所述倏逝波传感臂为多根并设置在反应器箱体内，所述参考臂设置在反应器箱体内，倏逝波传感臂和参考臂的一端伸出受光板，倏逝波传感臂和参考臂的另一端穿过折流板和培养基储存腔并伸出反应器固定板；所述倏逝波传感臂和参考臂的两端分别连接光纤连接器Ⅰ；所述光分路器输出的另一路光线依次通过多模光纤、光纤连接器Ⅱ和光纤耦合器与靠近反应器固定板的光纤连接器Ⅰ连接；靠近受光板的光纤连接器Ⅰ依次通过光纤耦合器、光纤连接器Ⅱ和多模光纤与光功率计连接，所述光功率计与计算机Ⅱ连接；

所述FBG温度传感系统包括FBG光源、单模光纤Ⅰ、光纤隔离器、3dB耦合器、温度传感器单元和光纤光栅解调仪；所述温度传感器单元采用光纤Bragg光栅，所述单模光纤Ⅰ沿反应器箱体的轴向设置，其一端伸出穿过折流板和培养基储存腔并伸出反应器固定板与3dB耦合器连接，在单模光纤Ⅰ上均布设有多个光纤Bragg光栅，所述FBG光源的出光口通过光纤隔离器和单模光纤Ⅱ与3dB耦合器的入光口连接，所述3dB耦合器的反射光出口通过单模光纤Ⅱ和光纤隔离器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机Ⅰ连接；

所述氢浓度和PH传感系统包括H₂电极、pH参考电极、pH电极、氢电极信号转换器、pH电极信号转换器、皮安表主机和计算机Ⅱ；所述H₂电极、pH参考电极和pH电极均插入气液分离瓶内，H₂电极的位置高于pH参考电极和pH电极的位置，所述H₂电极与氢电极信号转换器连接，所述pH参考电极和pH电极与pH电极信号转换器连接，所述氢电极信号转换器和pH电极信号转换器与计算机Ⅱ连接。

作为本发明的一种优选方案，所述气体收集瓶通过铁架台固定。

作为本发明的另一种优选方案，所述气体收集瓶上设有气体采样口。

作为本发明的一种改进方案，所述受光板、折流板和反应器固定板均设置在反应器安装支架上。

本发明的有益效果是：本发明首先采用表面涂膜有壳聚糖-SiO₂-GeO₂的石英空心光纤作为生物膜生长载体（固体基质），制作了生物膜光生物反应器。为实现生物膜反应器内环境参数的调控，增加了pH调控旁路；同时，为了调节反应器内固体基质表面生物膜厚度，增加了反应器上下摇摆装置。其次，根据反应器和固体基质的结构参数，设计了反应器固体基质表面生物膜厚度测量的光纤倏逝波传感器和反应器内生物膜厚度场分布的传感器阵列，反应器内温度场分布的FBG传感单元及其传感器阵列。在生物膜光生物反应器系统内安装了生物量浓度、pH和氢浓度在线测量的传感器。本发明可根据传感器的实时测量结果，对反应器内生物膜厚度和pH进行调控。调控后的生物膜反应器产氢速率提高了54%，并稳定在3.12mol/L/h。

附图说明

图1为高效生物膜光生物反应器在线测量系统的结构示意图；

图2为光生物反应器的结构示意图；

图3为空心光纤分布的结构示意图；

图4为腐蚀后的多模石英光纤的结构示意图；

图5为腐蚀后的多模石英光纤的横截面示意图；

图6为参考臂的结构示意图；

图7为六个倏逝波传感臂及一个参考臂在反应器内分布的结构示意图；

图8为生物量浓度、生物膜厚度传感系统的结构示意图；

图9为各个温度传感单元在反应器箱体内的位置分布的结构示意图；

图10为FBG温度传感系统的结构示意图；

图11为反应器产氢速率与培养时间的关系图。

附图中： 1—恒温水浴Ⅰ； 2—温度传感器； 3—培养基储液瓶； 4—蠕动泵Ⅰ； 5—受光板； 6—空芯光纤； 7—反应器光源； 8—反应器安装支架； 9—反应器摇摆支架； 10—气液分离瓶； 11—系统运行第一阶段； 12—系统运行第二阶段； 13—气体收集瓶； 14—气体采样口； 15—铁架台； 16—分流器； 17—氢氧化钠储液瓶； 18—H₂电极18； 19—pH参考电极19； 20—pH电极； 21—氢电极信号转换器； 22—pH电极信号转换器； 23—皮安表主机； 24—计算机Ⅱ； 25—光纤光源； 26—滤光片； 27—多模光纤； 28—光分路器； 29—光耦合器； 30—生物量浓度传感探头； 31—光纤光谱仪； 32—光纤连接器Ⅰ； 33—光纤耦合器； 34—生物膜厚度传感器； 35—光功率计； 36—FBG光源； 37—3dB耦合器； 38—温度传感器单元； 39—光纤光栅解调仪； 40—折流板； 41—反应器箱体； 42—反应器固定板； 43—培养基储存腔； 44—培养基入液口； 45—传感器安装口Ⅰ； 46—出液口； 47—传感器安装口Ⅱ； 48—PH调节通道； 49—恒温水浴Ⅱ； 50—氢氧化钠储液瓶； 51—蠕动泵Ⅱ； 52—倏逝波传感臂； 53—参考臂； 54—光纤连接器Ⅱ； 55—单模光纤Ⅰ； 56—光纤隔离器； 57—弹簧； 58—光纤固定板； 59—纤芯； 60—包层； 61—涂敷层； 62—聚四氟乙烯滤膜； 63—液相浓度感应区； 64—液相浓度传感光纤； 65—生物膜厚度传感光纤； 66—生物膜厚度传感光纤； 67—生物膜厚感应区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，高效生物膜光生物反应器在线测量系统，包括生物膜光生物反应器系统，生物量浓度、生物膜厚度传感系统，FBG温度传感系统，氢浓度和PH传感系统。

其中，生物膜光生物反应器系统包括光生物反应器、反应器光源7、蠕动泵Ⅰ4、恒温水浴Ⅰ1、培养基储液瓶3、气体收集瓶13、气液分离瓶10和反应器内液相pH调节旁路。光生物反应器的结构如图2所示，光生物反应器包括受光板5、空芯光纤6、折流板40、反应器固定板42、反应器箱体41、反应器摇摆支架9和反应器安装支架8。空芯光纤6为表面涂敷有GeO₂-SiO₂-壳聚糖-培养基的石英空心光纤，反应器箱体41为圆柱形并由透明的有机玻璃制成，反应器腔体内径                                                

，总长360mm，工作体积约为370ml。反应器箱体41的左端固定在受光板5上并与反应器光源7对应，反应器箱体41的右端固定在折流板40的左侧上，反应器固定板42设置在折流板40的外侧（即右侧外），在折流板40的右侧与反应器固定板42之间设置培养基储存腔43，培养基储存腔43的内腔体的横截面尺寸大于反应器箱体41的内孔横截面尺寸，折流板40上设有多个通孔，培养基储存腔43通过通孔与反应器箱体41内相通。在反应器固定板42上设有培养基入液口44和多个传感器安装口Ⅰ45（本实施例中，设有八个传感器安装口Ⅰ45，其中一个传感器安装口用于安装参考臂53、一个传感器安装口用于安装单模光纤Ⅰ55，剩下的六个传感器安装口用于安装倏逝波传感臂52），培养基入液口44与培养基储存腔43内连通，受光板5上设有与反应器箱体41内相通的出液口46。受光板5、折流板40和反应器固定板42均设置在反应器安装支架8上。反应器摇摆支架9设置在反应器箱体41的下方，反应器摇摆支架9与反应器箱体41之间设置弹簧57。反应器箱体41内均布设置多根沿反应器箱体41的轴向设置的空芯光纤6，本实施例中，在反应器箱体41内均布设置七根空心光纤6，如图3所示，七根空心光纤6粘接在光纤固定板58上，光纤固定板58固定在折流板40上。反应器箱体41上设置传感器安装口Ⅱ47和均布设置数个PH调节通道48（本实施例中，在反应器箱体41上均布设置五个PH调节通道48）。培养基储液瓶3设置在恒温水浴Ⅰ1中，在恒温水浴Ⅰ1中设置温度传感器2，通过该温度传感器2观察恒温水浴Ⅰ1的温度，以便于使恒温水浴Ⅰ1处于恒温状态。蠕动泵Ⅰ4的进口通过管路与培养基储液瓶3内连通，蠕动泵Ⅰ4的出口通过管路与培养基入液口44连通。反应器内液相pH调节旁路包括恒温水浴Ⅱ49、氢氧化钠储液瓶50、蠕动泵Ⅱ51和分流器16，氢氧化钠储液瓶50设置在恒温水浴Ⅱ49中，在恒温水浴Ⅱ49中设置温度传感器2，通过该温度传感器2观察恒温水浴Ⅱ49的温度，以便于使恒温水浴Ⅱ49处于恒温状态。蠕动泵Ⅱ51的进口通过管路与氢氧化钠储液瓶50内连通，蠕动泵Ⅱ51的出口通过管路与分流器16的进口连接，分流器16的出口分别通过管路与五个PH调节通道48一一对应连通。出液口46通过管路与气液分离瓶10的进口连通，气液分离瓶10的出口通过管路分别与气体收集瓶13连接和培养基储液瓶3连接，气体收集瓶13通过铁架台15固定，气体收集瓶13上设有气体采样口14，在靠近气体收集瓶13的管路上设置开关阀Ⅰ，在靠近培养基储液瓶3的管路上设置开关阀Ⅱ，在刚开始时，关闭开关阀Ⅰ，开启开关阀Ⅱ，使培养基储液瓶3内的培养基经过反应器箱体41后又回到培养基储液瓶3内，系统运行第一阶段11；关闭开关阀Ⅱ，开启开关阀Ⅰ，系统运行第二阶段12，该阶段是微生物产氢阶段。

五路pH调节通道48均匀的分布于反应器箱体41上，用于调节反应器箱体41内液相环境的pH，从而优化反应器箱体41内微生物细胞的生存环境。反应器摇摆支架9用于调控载体（石英空心光纤）表面附着的生物膜厚度。具体操作方法为：在摇摆反应器时，首先将反应器安装支架8取下，然后对反应器箱体41进行上下摇摆。在对反应器箱体41进行摇摆时，摇摆的间隔时间和每次摇摆的次数由生物量浓度和生物膜厚度传感器输出信号决定。反应器箱体41内石英空心光纤的外径为6 mm、内径为4 mm、长为380 mm，GeO₂-SiO₂-壳聚糖-培养基（GSCM）涂敷空心光纤的制备方法参考专利“廖强, 钟年丙, 王永忠, 陈蓉, 朱恂, 丁玉栋, 王宏, 李俊, 叶丁丁.增强发光强度、均匀性及微生物吸附的空心发光光纤,申请号:2013101918783，制备好的光纤在反应器内的分布示意图，如图2所示。采用表面涂覆有GSCM溶胶的空心光纤作为生物膜生长载体的优点在于光纤表面粗糙，含有培养基，发光强度高、发光均匀且透射深度大。

生物量浓度、生物膜厚度传感系统包括光纤光源25、滤光片26、多模光纤27、光分路器28、光耦合器29、生物量浓度传感探头30、生物膜厚度传感器34、光纤光谱仪31、计算机Ⅰ24和光功率计35。光纤光源25发出的光经过滤光片26进入多模光纤27，多模光纤27与光分路器28连接，光分路器28输出的一路光线通过多模光纤与光耦合器29连接，光耦合器29的出光口通过多模光纤与反射式光纤传感探头连接，光耦合器29的反射光出口通过多模光纤与光纤光谱仪31，光纤光谱仪31与计算机Ⅰ24连接。生物量浓度传感探头30采用反射式光纤传感探头，反射式光纤传感探头安装在传感器安装口Ⅱ47内。反射式光纤传感探头的外径为3 mm，长为100 mm（Avantes，荷兰）。传感器使用光源波长范围为为200～2000 nm光源（DH-2000，海洋光学，美国），其中氘灯和卤钨灯的功率分别为25 W和20 W。信号探测采用光纤光谱仪（QE65000，海洋光学，美国），光谱响应范围为200～950 nm，光谱分辨率为0.14～7.7 nm。

生物膜厚度传感器34包括倏逝波传感臂52和参考臂53，倏逝波传感臂52由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，参考臂53由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成。反应器箱体41内生物膜厚度传感34使用的光纤均为多模石英光纤，光纤纤芯直径（D1）为1.0mm，光纤外径（D2）为2.2mm、纤芯折射率为1.49、数值孔径（NA）为0.5，工作温度为-55～70℃。在制作生物膜厚度传感器34时，首先，将多模石英光纤进行侧边腐蚀，光纤腐蚀最大深度（H）介于0.3～1 mm之间，腐蚀区长度（L）为50mm。腐蚀后的多模石英光纤作为倏逝波传感臂52，其结构示意图如图4、5所示，图中59为纤芯，60为包层，61为涂敷层。将多模石英光纤侧边腐蚀的目的是使光纤中更多的模式进入环境介质（生物膜），同时增加光束在纤芯中的衰减全反射次数，增加生物膜对隐失场的吸收，提高传感器的灵敏度。为消除底物和产物浓度变化对传感器测量结果带来的影响，制作了传感器参考臂，参考臂的结构如图6所示，图中62为聚四氟乙烯滤膜。微生物虑膜为聚四氟乙烯，滤孔直径为0.25 μm，滤膜厚度为500 μm。滤膜的作用是，将微生物与光纤分离，让液相中小于0.25 μm的物质通过滤膜并与光纤表面产生的倏逝场作用，从而对液相环境的变化（底物和产物的变化）信息做出响应。为实现生物膜光生物反应器内生物膜厚度及其反应器内生物膜厚度分布，首先选择七个透射光强相同的倏逝波光纤，保证传感单元均具有相同的灵敏度。六个倏逝波传感臂及一个参考臂在反应器内的分布方式如图7所示，图中，40为折流板，58为光纤固定板，63为液相浓度感应区，64为液相浓度传感光纤，65为生物膜厚度传感光纤，66为生物膜厚度传感光纤，67为生物膜厚感应区。七个传感器位于反应器的同一截面上。同样传感臂用于感知生物膜厚度及其液相环境的变化信息，参考臂外面包裹一层生物膜滤膜用于消除底物和产物浓度变化对生物膜厚度测量结果带来的影响。同时，在整个生化转化过程中，假定同一截面上各点的液相浓度相同，因此，在传感器数据处理时，可采用参考臂输出的信号对六传感臂输出的信号进行补偿，从而获得生物膜厚输出信号Ki(i=1,2,3,4,5,6)。

生物量浓度、生物膜厚度传感系统如图8所示，倏逝波传感臂52为六根并设置在反应器箱体41内，参考臂53设置在反应器箱体41内，倏逝波传感臂52和参考臂53的一端伸出受光板5，倏逝波传感臂52和参考臂53的另一端穿过折流板40和培养基储存腔43并伸出反应器固定板42。倏逝波传感臂52和参考臂53的两端分别连接光纤连接器Ⅰ32。光分路器28输出的另一路光线依次通过多模光纤、光纤连接器Ⅱ54和光纤耦合器33与靠近反应器固定板42的光纤连接器Ⅰ32连接。靠近受光板5的光纤连接器Ⅰ32依次通过光纤耦合器33、光纤连接器Ⅱ54和多模光纤与光功率计35连接，光功率计35与计算机Ⅱ24连接。

光纤光源25发出的带宽光源经过滤光片26滤光后传输到光分路器28（滤光片26的作用是滤掉光源发出的紫外光），由光分路器28分成两路光。其中一路光与光纤生物量浓度传感探头30相连，在传感器探头处，经过衰减（菌悬液对光产生吸收）后的光束被反射回接收光纤，并被传输到光纤耦合器29，然后再由光纤传输到光纤光谱仪31，从而实现反应器内生物量浓度的在线测量。另一路光纤端部配置有SMA905光纤连接器Ⅱ54，作用是通过光纤耦合器33与传感器用的光纤相连，从而为生物膜厚度传感器提供光信号。当光源发出的光传输到生物膜厚度传感器中时，光束会在传感器感应区产生倏逝波，并与外界环境（生物膜内微生物细胞和液相物质）发生作用，产生光衰减，衰减后的光最终传输到高分率的光功率计，并将数据传输到计算机Ⅰ24完成数据处理。数据处理公式：

，（i=1,2,3,4,5,6）(1)

式（1）中，

（i=1,2,3,4,5,6）为六根传感器传感臂输出光强；

为传感器参考臂输出光强；

为生物膜内微生物细胞的容积吸收系数，λ为光入射到光纤输入端处的自由空间波长，n ₁为生物膜的折射率，

为光束入射到纤芯与生物膜分界面的界面入射夹角，

为纤芯半径，n _r为腐蚀后光纤在半径为

处的折射率，

为纤芯与生物膜分界面全反射临界角。由式（1）处理后的数据为生物膜厚度传感器输出信号，从而获得生物膜厚度及其场分布信息。

为实现反应器箱体41内温度及其场分布测量，采用了光纤Bragg光栅传感阵列对反应器内温度场进行了测量。

温度传感单元是指用于测量单个点温度的光纤Bragg光栅（FBG）。根据光纤Bragg光栅的温度传感原理，光纤Bragg光栅的谐振中心波长的变化量

与环境温度的变化量

的关系为：

                           （2）                      

上式中，

为光纤的热膨胀系数（硅光纤大约为0.55×10^-6）,为光纤的热光系数（掺锗硅光纤约为8.6×10^-6）。可见，光纤Bragg光栅用于测量温度具有良好的线性特性。

可以由光纤光栅解调系统实时的测量出来，根据上式就可以解出温度的变化量

。因此，在实验中，只需先标定一个起始参考温度

，即可获得任意时刻环境的真实温度。

光纤Bragg光栅的信号光源采用带宽为80nm的带宽激光光源（光源带宽：1510～1590nm），传感器输出信号采用光纤光栅解调仪进行解调（SM125-500，MOI，美国），解调仪的光谱分辨率为1pm，测量精度为0.1℃。为实现反应器内温度场分布测量，且在测量过程中传感器光谱不重叠，其传感器光谱的分配方式如表1所示。

表1  光源光谱带宽分配

阵列系统名	系统光谱带宽(nm)	传感单元光谱宽带(nm)	单元个数
				温度传感阵列	1510～1590	5	8

一般情况下，标准的光纤Bragg光栅的谐振中心波长的半宽带，在1550 nm处的温度灵敏度为13.7 pm/^oC，当温度从50 ^oC变到100 ^oC的过程中，其谐振中心波长

的变化量

不到1nm，此外，在生物膜光合制氢反应器内，温度通常在10～45 ^oC范围。因此，温度传感单元的光谱带宽设置为5 nm时，不会出现光谱重叠。为使传感单元的光谱分布在光源带宽的中心位置，每个传感器的具体谱宽带范围和谐振中心波长

的具体分配方式，如表2所示。在传感单元制作时，需根据光纤Bragg光栅的模式耦合理论，分别确定8个温度传感单元的光栅周期∧、光栅长度l，使这8个光纤Bragg光栅的谐振中心波长l _B分别满足表2 中“l _B”的标准，而且要求谐振中心波长的半宽带

。

表2  传感单元谐振中心波长

标准

制作好的光纤Bragg光栅温度传感单元（FBG传感单元的结构参数为：光纤采用掺锗单模石英光纤，光纤直径为125 μm，纤芯直径为8.3 μm，FBG长度为5 mm），需要确定各个传感单元热膨胀系数

和热光系数

。具体操作步骤如下：把上述已制作好的8个光纤Bragg光栅分别置于蒸馏水中，以带宽激光光源为信号，在蒸馏水从0℃升温到100℃的过程中，通过光纤光栅解调以观察传感单元的谐振中心波长的变化量

，并记录，根据（2）式，就可以计算出热膨胀系数和热光系数

。

FBG温度传感阵列系统：由于要获得反应器内温度动态场分布，因此需要使用普通的单模光纤把多个温度传感单元连接起来，形成一个温度传感阵列系统。反应器内温差主要呈现于反应器内的轴向上，因此，只采用一路单模光纤将八个温度传感单元相连，用于反应器内轴向温度场测量。各个温度传感单元在反应器内的轴向上和截面上的位置分布，在考虑生物膜反应器的圆对称性和空心光纤布置的情况下，具体的分布方式如图9所示。图中光纤位于反应器腔体中心，其中反应器内的7个FBG传感单元的间距为56 mm，用于测量生物转化过程反应器内的温度场变化情况；反应器外FBG传感单元用于测量环境温度，其目的是消除由于环境温度变化对反应器内传感单元测量结果的影响，从而使传感器的测量结果真的反映反应器内在生化转化过程中的温度分布情况。

FBG温度传感系统结构如图10所示，FBG温度传感系统包括FBG光源36（本实施例采用带宽激光光源）、单模光纤Ⅰ55、光纤隔离器56、3dB耦合器37、温度传感器单元38和光纤光栅解调仪39。温度传感器单元38采用光纤Bragg光栅，单模光纤Ⅰ55沿反应器箱体41的轴向设置，其一端伸出穿过折流板40和培养基储存腔43并伸出反应器固定板42与3dB耦合器37连接，在单模光纤Ⅰ55上均布设有多个光纤Bragg光栅（图9和图10中画出了八个光纤Bragg光栅），FBG光源36的出光口通过光纤隔离器56和单模光纤Ⅱ与3dB耦合器37的入光口连接，3dB耦合器37的反射光出口通过单模光纤Ⅱ和光纤隔离器56与光纤光栅解调仪39连接，光纤光栅解调仪39与计算机Ⅰ24连接。

宽带激光光源36发射出的宽带激光，入射到单模光纤Ⅱ中，经过光纤隔离器56之后，再经过3dB光纤耦合器37沿单模光纤Ⅰ55传输到温度传感器单元38。位于谐振中心波长的光束在光纤Bragg光栅区中将发生反射，而其他波长的光束不反射，透射过光纤Bragg光栅的光束继续向前传输。反射回来的光束经过3dB光纤耦合器37后输入到光纤光栅解调仪39中，经光纤光栅解调仪39解调后传输到计算机Ⅰ24中，从而显示出谐振中心波长的偏移量。然后，根据公式（2）可获得温度的变化量。此外，在初始温度已知的情况，可实现反应器温度的测量。

氢浓度和PH传感系统包括H₂电极18、pH参考电极19、pH电极20、氢电极信号转换器21、pH电极信号转换器22、皮安表主机23和计算机Ⅱ24，如图1所示。H₂电极18、pH参考电极19和pH电极20均插入气液分离瓶10内，H₂电极18的位置高于pH参考电极19和pH电极20的位置，在气液分离瓶10内储存有液体时，pH参考电极19和pH电极20插入液体以检测液体的pH值，而H₂电极18的底部为与液体的上方以检测产生的H₂。H₂电极18与氢电极信号转换器21连接，pH参考电极19和pH电极20与pH电极信号转换器22连接，氢电极信号转换器21和pH电极信号转换器22与计算机Ⅱ24连接。

在产氢实验过程中，温度传感器系统和微电极系统处于时时在线测量状态，而生物量和生物膜厚度在线测量系统则采用定时测量的方式。其原因在于在系统中，光纤传感器感应区表面（生物膜厚度传感器）或者传感器探头端部（生物量浓度传感器）会发出光，这些光的波长与生物系统中的光源不同，从而对微生物生长环境条件（光照条件）造成破坏；因此，为了减小对反应器内光照条件的影响，而不采用时时测量的方式。

产氢实例

1、菌株和培养基

实验采用重庆大学工程热物理研究所分离、鉴定、驯化后的沼泽红假单胞菌Rhodoseudomonas palustris CQK-01（简写为PSB CQK-01）。PSB CQK-01母液的培养方式为：在温度、光照条件、pH分别为30℃，590nm，4000lx，7.0的条件下厌氧96h。针对PSB CQK-01菌株的生理特性，培养基成分及其配比如下：ZnSO₄·7H₂O (0.001 g), (NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O (0.001 g), CaCl₂ (0.01 g), MgSO₄·7H₂O (0.2 g), NaCl (0.2 g), KH₂PO₄ (0.554 g), FeSO₄·7H₂O (0.417 g), K₂HPO₄·3H₂O (1.006 g), CO(H₂N)₂ (1.677 g), C₅H₈NNaO₄ (0.5 g), 酵母膏(1.0 g), C₆H₁₂O₆·H₂O (10 g)，生长因子溶液1 mL。生长因子的成分及配比为：生物素 1g/L，盐酸吡哆醇1g/L，核黄素1g/L，盐酸硫胺1g/L，烟酸1g/L。所使用试剂均为分析纯，实验室用水为二次蒸馏水。

2、产氢性能评价指标 

在产氢性能实验中，对产氢速率进行了评价分析，产氢速率定义如下：

    

在实验运行前，反应器系统采用甲醛灭菌15分钟，然后采用灭菌过的蒸馏水冲洗干净。在生物膜培养过程中，分为两个阶段。第一个阶段是将接种好的光合细菌菌悬液（OD₆₀₀=0.4）采用闭式循环的方式通入反应器，菌液的流速控制在90 mL/h，反应器入口液相温度为30℃，培养基的碳源（葡萄糖）浓度为10 g/L mM，pH值为7.0，气相空间采用氩气保护，初始接入系统的PSB CQK-01菌液（OD₆₀₀=0.4）的体积为370 mL，待菌液充满反应器腔体后继续运行6 h，然后静置24 h。第二个阶段是采用连续流动培养的方式，向反应器内连续地通入pH为7.0新鲜培养基，培养基流速和流入反应器内的培养基温度同样维持在90 mL/h和30 ℃。培养基废液直接排出反应器系统，灭菌后以废液的方式排放。 

为优化反应器内微生物生长的环境条件，保持生物膜的活性，从而提高反应器的产氢能力，对反应器内的pH及固体基质（空心光纤）表面生物膜厚度进行了调控。反应器内pH的调节通过反应器系统中的旁路系统来实现。在反应器旁路系统中，pH反冲液（NaOH溶液）的pH为13.0，流速为20 mL/h。同时，采用上下摇摆反应器箱体的方式，即通过摇摆过程中反应器内液相对生物膜的剪切力来实现对固体基质表面生物膜厚度进行了调控。具体操作方法为：采用每隔36 h摇摆1次反应器，每摇摆1次数的时间为20 s，上下摇摆的最大倾角为30℃，每次摇摆的次数由生物量浓度和生物膜厚度传感器输出信号决定。

为了研究反应器系统的产氢能力，实验研究了反应操作条件优化前后反应器系统产氢速率随培养时间的变化，产氢速率如图11所示。

图11中可以看出，未优化的反应器产氢速率随着培养时间先增大后减小并最终趋于稳定然而，优化后的反应器，产氢速率一直增大，最后稳定在3.12 mmol/L/h，是未优化反应器产氢能力的0.54倍。表明：反应器内生物膜厚度和液相pH经过优化控制后，能显著改善反应器的产氢浓度和产氢速率。因为，经过优化后的生物膜厚度和pH能提高生物膜内活性生物量和微生物细胞的活性，促使细胞代谢产氢；因此，反应器的产氢能力得到提高。 

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.高效生物膜光生物反应器在线测量系统，其特征在于：包括生物膜光生物反应器系统，生物量浓度、生物膜厚度传感系统，FBG温度传感系统，氢浓度和PH传感系统；

所述生物膜光生物反应器系统包括光生物反应器、反应器光源（7）、蠕动泵Ⅰ（4）、恒温水浴Ⅰ（1）、培养基储液瓶（3）、气体收集瓶（13）、气液分离瓶（10）和反应器内液相pH调节旁路；所述光生物反应器包括受光板（5）、空芯光纤（6）、折流板（40）、反应器固定板（42）、反应器箱体（41）和反应器摇摆支架（9）；所述反应器箱体（41）为圆柱形并由透明的有机玻璃制成，所述反应器箱体（41）的一端固定在受光板（5）上并与反应器光源（7）对应，所述反应器箱体（41）的另一端固定在折流板（40）的一侧上，所述反应器固定板（42）设置在折流板（40）的外侧，在折流板（40）的另一侧与反应器固定板（42）之间设置培养基储存腔（43），所述折流板（40）上设有多个通孔，所述培养基储存腔（43）通过通孔与反应器箱体（41）内相通，在反应器固定板（42）上设有培养基入液口（44）和多个传感器安装口Ⅰ（45），所述培养基入液口（44）与培养基储存腔（43）内连通，所述受光板（5）上设有与反应器箱体（41）内相通的出液口（46）；所述反应器摇摆支架（9）设置在反应器箱体（41）的下方，反应器摇摆支架（9）和反应器箱体（41）之间设置弹簧（57），所述反应器箱体（41）内均布设置多根沿反应器箱体（41）的轴向设置的空芯光纤（6）；所述反应器箱体（41）上设置传感器安装口Ⅱ（47）和均布设置数个PH调节通道（48）；所述培养基储液瓶（3）设置在恒温水浴Ⅰ（1）中，所述蠕动泵Ⅰ（4）的进口通过管路与培养基储液瓶（3）内连通，所述蠕动泵Ⅰ（4）的出口通过管路与培养基入液口（44）连通；所述反应器内液相pH调节旁路包括恒温水浴Ⅱ（49）、氢氧化钠储液瓶（50）、蠕动泵Ⅱ（51）和分流器（16），所述氢氧化钠储液瓶（50）设置在恒温水浴Ⅱ（49）中，所述蠕动泵Ⅱ（51）的进口通过管路与氢氧化钠储液瓶（50）内连通，所述蠕动泵Ⅱ（51）的出口通过管路与分流器（16）的进口连接，所述分流器（16）的出口分别通过管路与数个PH调节通道（48）一一对应连通；所述出液口（46）通过管路与气液分离瓶（10）的进口连通，所述气液分离瓶（10）的出口通过管路分别与气体收集瓶（13）连接和培养基储液瓶（3）连接；

所述生物量浓度、生物膜厚度传感系统包括光纤光源（25）、滤光片（26）、多模光纤（27）、光分路器（28）、光耦合器（29）、生物量浓度传感探头（30）、生物膜厚度传感器（34）、光纤光谱仪（31）、计算机Ⅰ（24）和光功率计（35）；所述生物量浓度传感探头（30）采用反射式光纤传感探头，所述反射式光纤传感探头安装在传感器安装口Ⅱ（47）内；所述光纤光源（25）发出的光经过滤光片（26）进入多模光纤（27），多模光纤（27）与光分路器（28）连接，所述光分路器（28）输出的一路光线通过多模光纤与光耦合器（29）连接，所述光耦合器（29）的出光口通过多模光纤与反射式光纤传感探头连接，所述光耦合器（29）的反射光出口通过多模光纤与光纤光谱仪（31），光纤光谱仪（31）与计算机Ⅰ（24）连接；所述生物膜厚度传感器（34）包括倏逝波传感臂（52）和参考臂（53），所述倏逝波传感臂（52）由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂（53）由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成；所述倏逝波传感臂（52）为多根并设置在反应器箱体（41）内，所述参考臂（53）设置在反应器箱体（41）内，倏逝波传感臂（52）和参考臂（53）的一端伸出受光板（5），倏逝波传感臂（52）和参考臂（53）的另一端穿过折流板（40）和培养基储存腔（43）并伸出反应器固定板（42）；所述倏逝波传感臂（52）和参考臂（53）的两端分别连接光纤连接器Ⅰ（32）；所述光分路器（28）输出的另一路光线依次通过多模光纤、光纤连接器Ⅱ（54）和光纤耦合器（33）与靠近反应器固定板（42）的光纤连接器Ⅰ（32）连接；靠近受光板（5）的光纤连接器Ⅰ（32）依次通过光纤耦合器（33）、光纤连接器Ⅱ（54）和多模光纤与光功率计（35）连接，所述光功率计（35）与计算机Ⅱ（24）连接；

所述FBG温度传感系统包括FBG光源（36）、单模光纤Ⅰ（55）、光纤隔离器（56）、3dB耦合器（37）、温度传感器单元（38）和光纤光栅解调仪（39）；所述温度传感器单元（38）采用光纤Bragg光栅，所述单模光纤Ⅰ（55）沿反应器箱体（41）的轴向设置，其一端伸出穿过折流板（40）和培养基储存腔（43）并伸出反应器固定板（42）与3dB耦合器（37）连接，在单模光纤Ⅰ（55）上均布设有多个光纤Bragg光栅，所述FBG光源（36）的出光口通过光纤隔离器（56）和单模光纤Ⅱ与3dB耦合器（37）的入光口连接，所述3dB耦合器（37）的反射光出口通过单模光纤Ⅱ和光纤隔离器（56）与光纤光栅解调仪（39）连接，光纤光栅解调仪（39）与计算机Ⅰ（24）连接；

所述氢浓度和PH传感系统包括H₂电极（18）、pH参考电极（19）、pH电极（20）、氢电极信号转换器（21）、pH电极信号转换器（22）、皮安表主机（23）和计算机Ⅱ（24）；所述H₂电极（18）、pH参考电极（19）和pH电极（20）均插入气液分离瓶（10）内，H₂电极（18）的位置高于pH参考电极（19）和pH电极（20）的位置，所述H₂电极（18）与氢电极信号转换器（21）连接，所述pH参考电极（19）和pH电极（20）与pH电极信号转换器（22）连接，所述氢电极信号转换器（21）和pH电极信号转换器（22）与计算机Ⅱ（24）连接。

2.根据权利要求1所述的高效生物膜光生物反应器在线测量系统，其特征在于：所述气体收集瓶（13）通过铁架台（15）固定。

3.根据权利要求1所述的高效生物膜光生物反应器在线测量系统，其特征在于：所述气体收集瓶（13）上设有气体采样口（14）。

4.根据权利要求1所述的高效生物膜光生物反应器在线测量系统，其特征在于：所述受光板（5）、折流板（40）和反应器固定板（42）均设置在反应器安装支架（8）上。

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