CN103869091A - 一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置和方法，装置包括除水装置和气体检测室，气体检测室包括进气端和出气端，进气端与出气口相连，其内设有氧气传感器和二氧化碳传感器；单片机与氧气传感器和二氧化碳传感器相连；散热风扇；电源与氧气传感器、二氧化碳传感器、散热风扇相连；PC终端与单片机相连。本发明还提供一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的方法。本发明构造简易，实用性强，造价成本低，可以长时期在线连续运行，排除了尾气水分对检测的影响，并且能够同时完成氧气和二氧化碳两种气体含量的在线检测，从而获得发酵过程中重要的呼吸代谢参数，如CER、OUR、RQ等。
Description
技术领域
本发明涉及一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置及方法，属于生物发酵过程检测类制造技术领域。
背景技术
发酵是生物工程领域一项最基本的技术，发酵的产量和质量是发酵工程的两个重要技术指标。发酵中尾气某些组分浓度变化可以反映整个发酵过程物质的变化情况，特别是尾气中氧气和二氧化碳浓度的变化，能够体现出发酵过程中相关的重要信息。
为了提高发酵工程的产量和质量，控制发酵过程的主要参数是必不可少的。现阶段利用计算机对复杂的发酵过程进行数据检测、分析和实施过程的最优化控制越来越受到人们的极大关注。由于发酵过程变量检测的复杂性，导致菌体的浓度、比生长率、产物生成率等参数难以直接在线测量，但是通过在线测量与这些变量相关的一些参数，例如，尾气中的氧气、二气化碳等气体浓度的变化，可以得到这些变量的最优估计值，从而为实施生化过程的在线最优控制提供先决条件。
通过发酵尾气中的氧气及二氧化碳的在线检测分析，可以获得发酵过程中重要的呼吸代谢参数，如二氧化碳释放速率（CER）、摄氧率（OUR）、呼吸商（RQ）等。这些参数反映了微生物在发酵过程中的代谢状况，尤其能够提供从生长到生产过渡或者主要基质间的代谢过渡指标。在发酵工程领域中，测定尾气中所含二氧化碳、氧气的浓度，对发酵过程的优化、控制以及故障诊断处理中都展现出极其重要的作用，因此尾气中氧气和二氧化碳成为主要检测项目。
目前尾气的在线检测在石油、化工、冶金、环保、汽车等方面得到了广泛的应用，但是能够在生物发酵工程中应用的工业化在线检测设备还比较少。发酵过程研究中需要高精度测量尾气时，一般使用质谱仪，但对于工业化发酵生产尾气的检测没有必要采取如此高精度的检测，而且这类装置普遍较昂贵，操作与维护复杂，适用性不广。
另一种尾气检测方式则是在发酵过程中采用红外气体分析仪和磁氧仪组合型检测系统，此种方式虽然可以同时在线检测二氧化碳和氧气的浓度，但是存在成本高，设备复杂，可移植性较差等缺点。发酵生产工业普遍使用以上所述的氧气和二氧化碳检测装置，但这些检测设备在成本方面、检测参数方面、精度方面以及安装方式方面都不适用于发酵工程生产。随着生物技术领域和传感器相关检测控制领域不断相互渗透，嵌入式以及模块化、操作与维护简便适合于发酵工程的专业在线气体检测设备越来越受到各实验室和工厂的重视。
发明内容
本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出了一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置。
为了上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，包括：除水装置，所述除水装置包括进气口和出气口，所述进气口连接发酵罐出气口；气体检测室，所述气体检测室包括进气端和出气端，所述进气端与所述出气口相连，所述气体检测室内设有氧气传感器和二氧化碳传感器；单片机，所述单片机通过导线与所述氧气传感器和二氧化碳传感器相连；散热风扇；电源，所述电源与所述氧气传感器、二氧化碳传感器、散热风扇相连；PC终端，所述PC终端通过数据线与所述单片机相连。
优选的，所述散热风扇为两个，分别与所述单片机和电源相对应。
优选的，所述气体检测室、单片机、电源、散热风扇均安装在接线盒内。
优选的，所述除水装置包括Nafion管和气泵，气泵用于为Nafion管提供相对气流。
优选的，所述进气口设有过滤器。
优选的，所述电源为稳压开关电源。稳压开关电源为双路电压输出，为氧气传感器和二氧化碳传感器提供稳定的工作电压。
优选的，所述单片机为Arduino单片机。Arduino单片机用于传感器数据的采集、处理及与PC终端通信。
优选的，所述PC终端装有数据绘图分析软件；所述数据绘图分析软件用于数据存储与数据的实时图形显示；所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标分别为气体浓度、CER、OUR和呼吸商值。
优选的，所述氧气传感器和二氧化碳传感器均为光学传感器。
本发明还提供一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的方法，包括以下步骤：
（1）将气体检测室、Arduino单片机、稳压开关电源和两个散热风扇集成安装在接线盒内，并利用所述两个散热风扇分别为Arduino单片机、稳压开关电源散热；
（2）将发酵罐出气口连接Nafion管的进气口，利用气泵为Nafion管提供相对气流，去除尾气中大部分水分，Nafion管的出气口通过管路连接到气体检测室内，并通过气体检测室内的氧气传感器和二氧化碳传感器同时检测尾气中的二氧化碳和氧气含量；
（3）氧气传感器和二氧化碳传感器分别把检测到的二氧化碳和氧气含量的数字信号发送给Arduino单片机进行转换、计算；
（4）Arduino单片机处理后将浓度数据和呼吸商数据传递至PC终端，PC终端通过数据绘图分析软件，实时显示二氧化碳含量、氧气含量及经计算得出的呼吸商值，并将数据绘制成实时图形，所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标分别为气体浓度、CER、OUR和呼吸商值；且该数据绘图分析软件通过设定即可自动保存所有接收的数据。
本发明的设计思路基于生物发酵呼吸商是二氧化碳生成量与氧气消耗量的比值，只要测定发酵尾气中二氧化碳和氧气的含量，就能计算出呼吸商，本发明采用专一性强、灵明度高、微功耗的光学传感器，选择性检测尾气中的二氧化碳和氧气含量，传感器发送的数字信号通过Arduino单片机转换、计算后传递至PC终端数据绘图分析软件，实时显示二氧化碳含量、氧气含量及经计算得出的呼吸商值。且该数据绘图分析软件通过设定即可自动保存所有接收的数据。
本发明技术方案针对发酵尾气水分含量高这一问题，采用了Nafion管除水装置，去除尾气中大部分水分，使进入气体检测室的气体相对湿度在传感器检测范围内，避免了水蒸气凝结对传感器的影响，保证其能长期在线正常工作。
本发明的有益效果如下：
1、装置采用模块化设计，组装简单，可移植性强，可以嵌入其它大型发酵检测系统。
2、装置结构紧凑，体积小，整体功耗低，节约能源。
3、气体传感器均采用光学传感器，精度高，使用寿命长，选择性好，抗干扰能力强。
4、同时完成生物发酵尾气中氧气和二氧化碳两种气体的在线测量，从而实现实时监控整个发酵过程的CER、OUR和呼吸商。
5、维护简单，可以长期在线运行。
6、成本低，易于量产，为发酵行业提供了一种实用简便的在线监测设备，不仅适用于实验室小型发酵实验，也适用于工业发酵生产。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的数据采集系统部分电路原理图。
图中 1.Nafion管，2.气泵，3.Arduino单片机，4.氧气传感器，5.开关电源，6.散热风扇，7.出气端，8.气体检测室，9.PC终端，10.二氧化碳传感器。
具体实施方式
下面结合附图对在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置作进一步说明。
实施例：接线盒采用铝合金，气体检测室8及其上的进气端、出气端7均采用有机玻璃管，采用Nafion管除水装置去除气体水分，稳压开关电源采用市售220v开关电源且在其侧面安装有散热风扇6促进散热，气体传感器为红外二氧化碳传感器10和氧气传感器4。数据采集系统以Arduino单片机3为中心，通过导线连接光学传感器，光学传感器发送数据至Arduino单片机3，传感器数据经Arduino单片机3处理后通过数据线发送到PC终端9，PC终端9的数据绘图分析软件实时显示从Arduino单片机3传送来的数据。
如图1、2所示，一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其结构构成为：它包括PC终端9和气体检测仪，所述气体检测仪又包括除水装置和数据采集系统。
所述除水装置包括Nafion管1和气泵2，气泵2用于为Nafion管1提供相对气流。Nafion管1包括一个进气口和一个出气口，Nafion管1的进气口连接发酵罐出气口，Nafion管1的进气口上还设有过滤器。
所述数据采集系统包括接线盒、Arduino单片机3、氧气传感器4和二氧化碳传感器10。氧气传感器4和二氧化碳传感器10均光学传感器。所述接线盒中集成装有开关电源5、两个散热风扇6、气体检测室8。气体检测室8包括一个进气端和一个出气端7，进气端与出气口相连，气体检测室8内设有所述氧气传感器4和所述二氧化碳传感器10。开关电源5为双路电压输出，为氧气传感器4和二氧化碳传感器10提供稳定的工作电压。Arduino单片机3通过导线与氧气传感器4和二氧化碳传感器10相连。开关电源5与氧气传感器4、二氧化碳传感器10、两个散热风扇6相连。PC终端9通过数据线与Arduino单片机3相连。两个散热风扇6安装在接线盒上且分别与Arduino单片机3和开关电源5相对应。
PC终端9装有数据绘图分析软件；所述数据绘图分析软件用于数据存储与数据的实时图形显示；所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标分别为气体浓度、CER、OUR和呼吸商值。
上述装置的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的方法，包括以下步骤：
（1）将气体检测室8、Arduino单片机3、开关电源5和两个散热风扇6集成安装在接线盒内，并利用两个散热风扇6分别为Arduino单片机3、开关电源5散热；
（2）将发酵罐出气口连接Nafion管1的进气口，利用气泵2为Nafion管1提供相对气流，去除尾气中大部分水分，Nafion管1的出气口通过管路连接到气体检测室8内，并通过气体检测室8内的氧气传感器4和二氧化碳传感器10同时检测尾气中的二氧化碳和氧气含量；
（3）氧气传感器4和二氧化碳传感器10分别把检测到的二氧化碳和氧气含量的数字信号发送给Arduino单片机3进行转换、计算；
（4）Arduino单片机3处理后将浓度数据和呼吸商数据传递至PC终端9，PC终端9通过数据绘图分析软件，实时显示二氧化碳含量、氧气含量及经计算得出的呼吸商值，并将数据绘制成实时图形，实时图形均以时间为横坐标，纵坐标分别为气体浓度、CER、OUR和呼吸商值；且该数据绘图分析软件通过设定即可自动保存所有接收的数据。
本发明的装置构造简易，实用性强，造价成本低，可以长时期在线连续运行，通过Nafion管除水装置去除发酵尾气中的水分，排除了尾气水分对检测的影响，并且能够同时完成氧气和二氧化碳两种气体含量的在线检测，从而获得发酵过程中重要的呼吸代谢参数，如二氧化碳释放速率（CER）、摄氧率（OUR）、呼吸商（RQ）等。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所做的均等同变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，包括：
除水装置，所述除水装置包括进气口和出气口，所述进气口连接发酵罐出气口；
气体检测室，所述气体检测室包括进气端和出气端，所述进气端与所述出气口相连，所述气体检测室内设有氧气传感器和二氧化碳传感器；
单片机，所述单片机通过导线与所述氧气传感器和二氧化碳传感器相连；
散热风扇；
电源，所述电源与所述氧气传感器、二氧化碳传感器、散热风扇相连；
PC终端，所述PC终端通过数据线与所述单片机相连。
2.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述散热风扇为两个，分别与所述单片机和电源相对应。
3.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述气体检测室、单片机、电源、散热风扇均安装在接线盒内。
4.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述除水装置包括Nafion管和气泵，气泵用于为Nafion管提供相对气流。
5.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述进气口设有过滤器。
6.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述电源为稳压开关电源。
7.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述单片机为Arduino单片机。
8.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述PC终端装有数据绘图分析软件；所述数据绘图分析软件用于数据存储与数据的实时图形显示；所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标分别为气体浓度、CER、OUR和呼吸商值。
9.根据权利要求1所述的在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的装置，其特征在于，所述氧气传感器和二氧化碳传感器均为光学传感器。
10.一种在线检测生物发酵尾气中氧气和二氧化碳的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将气体检测室、Arduino单片机、稳压开关电源和两个散热风扇集成安装在接线盒内，并利用所述两个散热风扇分别为Arduino单片机、稳压开关电源散热；
（2）将发酵罐出气口连接Nafion管的进气口，利用气泵为Nafion管提供相对气流，去除尾气中大部分水分，Nafion管的出气口通过管路连接到气体检测室内，并通过气体检测室内的氧气传感器和二氧化碳传感器同时检测尾气中的二氧化碳和氧气含量；
（3）氧气传感器和二氧化碳传感器分别把检测到的二氧化碳和氧气含量的数字信号发送给Arduino单片机进行转换、计算；
（4）Arduino单片机处理后将浓度数据和呼吸商数据传递至PC终端，PC终端通过数据绘图分析软件，实时显示二氧化碳含量、氧气含量及经计算得出的呼吸商值，并将数据绘制成实时图形，所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标分别为气体浓度、CER、OUR和呼吸商值；且该数据绘图分析软件通过设定即可自动保存所有接收的数据。
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