CN103954706A - 多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法及装置，其步骤：A、各通道三通电磁阀接通压力传感器与厌氧发酵瓶，压力传感器测定厌氧发酵瓶压力；B、各通道电子信号经过电路板传输到PC机处理并保存；C、厌氧发酵瓶排气条件满足；D、气体进入气相色谱分析并保存；E、各通道厌氧发酵瓶中温室气体各组份含量的数据整理；F、PC机根据厌氧发酵瓶压力、甲烷和氢气含量计算甲烷和氢气产量。PC机通过电路板与压力传感器和三通电磁阀，通过数据线与气相色谱仪连接，三通电磁阀通过导管与气相色谱仪、压力传感器和厌氧发酵瓶连接。操作简便、数据精确，实现气体自动采集、进样和分析，可获取温室气体生成曲线，使用方便，自动化程度高。

Description

多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法及装置

技术领域

本发明涉及生物测量领域，具体涉及多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法，同时还涉及多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测装置，适用于检测厌氧发酵时排放的温室气体。

背景技术

体外胃肠道微生物厌氧发酵技术是反刍动物营养学和温室气体生成研究的一个重要研究手段。体外胃肠道微生物厌氧发酵技术不仅要关注于其发酵温室气体总量，其气体各组分研究对于环境保护、家畜温室气体减排和家畜能量利用效率非常重要。

杨红建等(专利号：200610011301)使用压力传感器实现了对体外胃肠道微生物发酵气体产生量的实时检测。但是，该装置只适用于对发酵气体总量的实时观测，没有涉及发酵气体甲烷和氢气各组分的检测。

王敏等(专利号：201210284927.3)建立一套体外厌氧发酵温室气体实时检测装置与方法。该发明实现了厌氧发酵温室气体的实时检测，但无法实现在线检测。原因，发明中发酵气体需要真空瓶保存，继而利用气相色谱仪测定各温室气体组分，增加了试验误差的风险。真空瓶需要人工收集，其测定时间存在一定的滞后性。

发明内容

本发明的目的是在于针对现有技术存在的上述问题，提供了一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法，该方法操作简便、数据精确、人为误差小，实现了气体自动采集、进样和分析测定，可获取连续的温室气体生成曲线。

本发明的另一个目的在于提供了一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测装置，该装置结构简单、使用方便、自动化程度高，实现了厌氧发酵瓶与气相色谱仪相连，并通过PC机调控厌氧发酵瓶放气和启动气相色谱仪测定温室气体的组成。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法，其步骤是：

A、各通道三通电磁阀接通相应压力传感器与厌氧发酵瓶，压力传感器测定厌氧发酵瓶中的压力，并将其转换成为1-5V的电子信号；

B、所有通道电子信号通过信号线集成在电路板中进行处理并转化成数字信号，又通过数据线连接到PC机上，PC机对信号进行分析、处理、显示、储存并计算气体产量，同时也可以控制三通电磁阀开关；

其中，第n次排气时，累积气体产量(V_n,ml)计算方法为：

$V_n=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{P}_i$

公式中，α为压力与气体产量间的转化系数(ml/kPa)，P_i为第i次排气时厌氧发酵瓶中的相对压力(kPa)。

C、气体进入气相色谱分析需要一定压力(>3kPa)，设定厌氧发酵瓶的排气条件为9kPa(大约7ml气体)；当厌氧发酵瓶中压力小于9kPa时，回到步骤A；当厌氧发酵瓶中压力大于9kPa时，厌氧发酵瓶排气条件满足；

D、当厌氧发酵瓶排气条件满足并成为唯一满足条件的厌氧发酵瓶通道时，该厌氧发酵瓶进行排气、启动气相色谱仪测定并完成气体组份测定。如果多个通道的厌氧发酵瓶排气条件满足时，PC机对各通道厌氧发酵瓶进行排序，按照厌氧发酵瓶先到条件先排原则，各厌氧发酵瓶依次排气、并启动气相色谱工作、完成气体组份测定。其中，排气、启动气相色谱仪测定并完成测定所需要的时间大约72秒钟；

其中，所述的通道数量确定方法为：厌氧发酵瓶成功排气时的压力要小于13kPa，以确保厌氧发酵瓶中培养的微生物活性不受压力影响。也就是说，厌氧发酵瓶等待排气时所产生的压力要小于4kPa。当厌氧发酵瓶为150ml且发酵液体系为60ml时，通道数量不超过40个可以满足该发明的要求；

其中，所述的厌氧发酵瓶排气过程为：PC机通过电路板将数据信号转化成15V脉冲电子信号控制该通道三通电磁阀开关，三通电磁阀关闭连接厌氧发酵瓶与压力传感器，连接厌氧发酵瓶与气相色谱仪相，该连接过程持续20秒，使得厌氧发酵瓶的压力彻底被释放出来；

其中，所述的启动气相色谱仪测定：排气完毕，15V脉冲电子型号消失，三通电磁阀关闭厌氧发酵瓶与气相色谱仪间连接，重新连通厌氧发酵瓶与压力传感器并返回步骤A，PC机通过数据线释放数字型号并启动(2秒)气相色谱仪对进入气体组分测定；

其中，所述的气相色谱测定：气相色谱仪启动对气体组分进行测定，甲烷和氢气含量分别通过FID和TCD检查器检测，该过程的检测时间大约需要50秒。

E、时间t下,各通道厌氧发酵瓶中温室气体各组份含量的数据整理：PC机记录各气体排放的通道、时间和压力，而气相色谱仪记录温室气体各组分测定的时间和含量。根据本发明厌氧发酵瓶排气过程为排气后再测定的原理，气相色谱测定气体与PC机记录排放的时间差为固定值，根据这个固定时间差理清各通道厌氧发酵瓶排放温室气体的时间及各组分含量。下图为整理出来的4个通道的甲烷和氢气含量随着时间的变化图(请见图1图2)；

F、PC机根据厌氧发酵瓶压力、甲烷和氢气含量计算温室气体组分甲烷和氢气的产量；第n次排气时，各通道厌氧发酵瓶中累积气体组分x(V_Xat)可由以下公式计算：

$V_{\mathrm{Xat}}=V_h{C}_{\mathrm{Xn}}+\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{C}_{\mathrm{Xi}}{P}_i$

其中，V_Xat为发酵气体组分x累积气体量(ml)，P_i为第i次放气时排放的压力(kPa)，V_h厌氧发酵瓶顶部空间的体积(ml)，α为压力与气体产量间的转化系数(ml/kPa)，C_Xn为第n次排气时发酵气体组分x(甲烷或氢气)的含量，C_xi为第i次放气时发酵气体组分x(甲烷或氢气)的含量；n为经两通电磁阀释放气体的次数。下图为整理出来的4个通道的甲烷和氢气产量随着时间的变化图(请见图3图4)。

一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测装置，包括PC机、数据线、压力传感器、三通电磁阀、气相色谱仪、导管、含发酵液和底物的厌氧发酵瓶、托盘、电路板、环氧树脂板、恒温培养箱、固定架，其连接关系是：

其特征在于：PC机通过电路板分别与压力传感器和三通电磁阀相连、通过数据线与气相色谱仪相连，三通电磁阀通过导管分别与气相色谱仪、压力传感器和厌氧发酵瓶连接。在恒温培养箱内装有压力传感器、三通电磁阀、厌氧发酵瓶、托盘、电路板、环氧树脂板和固定架。环氧树脂板上装有电路板、三通电磁阀、厌氧发酵瓶和导管。固定架连接环氧树脂板和托盘并形成一体，托盘上装有不超过40个厌氧发酵瓶。电路板通过信号线与三通电磁阀和压力传感器相连，通过数据线与PC机相连。

固定架用于连接环氧树脂板和托盘。选择三通电磁阀和与该阀配套并可紧密连接的压力传感器，连接起来形成三通电磁阀和压力传感器符合体。三通电磁阀用于控制厌氧发酵瓶与压力传感器或者气相色谱连接，压力传感器用于测定厌氧发酵瓶中的压力。三通电磁阀未收到15V电子信号时，与压力传感器相连接的阀门处于打开状态，使得压力传感器与厌氧发酵瓶相接通，压力传感器实时测定厌氧发酵瓶中的压力；

气相色谱仪用于测定温室气体中甲烷和氢气的浓度；

厌氧发酵瓶大约150ml，其中含胃肠道发酵液60ml和底物0.6g，并保持密封性，以防止漏气；

托盘用于固定各个厌氧发酵瓶的位置；

电路板用于收集各个通道压力传感器的电子信号并将转化成为数字信号传输到PC机中，同时PC机传输数字信号给电路板并转化成为电子信号以控制三通电磁阀的开关动作；

环氧树脂板用于固定三通电磁阀、压力传感器、导管、电路板和数据线，应该具有非常好的抗腐蚀和绝缘性；

恒温培养箱用于保持培养时的恒定的培养温室(39.5度)，并能够给环予氧树脂板和托盘一定速度的转动(50rpm)；

固定架用于连接环氧树脂板和托盘，使得环氧树脂板和托盘可以在同一方向匀速转动(50rpm)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、功能更强，使用更方便；

2、实现了多通道温室气体生成的在线检测，获取到连续的温室气体生成曲线；

3、实现气体样品的自动采集，自动测定和分析，数据更精确，误差小于1％；

附图说明

图1为多通道的厌氧发酵甲烷含量随着时间的变化图。

图中：4个通道的发酵底物所获得的甲烷含量曲线图，这4种发酵底物分别为玉米粉、稻草秸秆、大米粉和高羊茅，胃肠道接种液取自浏阳黑山羊，发酵培养时间为48h。

图2为多通道的厌氧发酵氢气含量随着时间的变化图。

图中：4个通道的发酵底物所获得的氢气含量曲线图，这4种发酵底物分别为玉米粉、稻草秸秆、大米粉和高羊茅，胃肠道接种液取自浏阳黑山羊，发酵培养时间为48h。

图3为多通道的厌氧发酵甲烷产量随着时间的变化图。

图中：4个通道的发酵底物所获得的甲烷产量曲线图，这4种发酵底物分别为玉米粉、稻草秸秆、大米粉和高羊茅，胃肠道接种液取自浏阳黑山羊，发酵培养时间为48h。

图4为多通道的厌氧发酵氢气产量随着时间的变化图。

图中：4个通道的发酵底物所获得的氢气产量曲线图，这4种发酵底物分别为玉米粉、稻草秸秆、大米粉和高羊茅，胃肠道接种液取自浏阳黑山羊，发酵培养时间为48h。

图5为多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法方框示意图。

图6为多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测总体框架图。

图中：1-PC机、2-数据线、3-压力传感器、4-三通电磁阀、5-气相色谱仪、

6-导管、7-厌氧瓶、9-电路板、14-信号线。

图7为多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测结构示意图。

图中：1-PC机、2-数据线、3-压力传感器(SMCPSE543A)、4-三通电磁阀(SMCV114-6GR)、5-气相色谱仪(安捷伦7890A)、6-导管、7-含发酵液和底物的厌氧发酵瓶、8-托盘、9-电路板、10-环氧树脂板、11-恒温培养箱(森信DRP-9032)、12-固定架。

图8为电路板结构示意图

图中：2-数据线、9-电路板、13-五芯连接器(XH2.54-5P，A连三通电磁阀的正极、B连三通电磁阀的地线、C连压力传感器的电源、D连压力传感器的输出信号、E连接压力传感器的地线)、14-信号线、15-四芯连接器(XH2.54-4P，F电路板的正极、G电路板的地线、H连接PC机的485信号正、I连PC机的485信号负、16-微控制器(爱特美尔ATMEGA8-TQFQ32)。

具体实施方式

实施例1：

以下结合图1、图2、图3、图4、图5对本发明的技术方案作详细描述：

一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法，包括以下步骤：

步骤1、各通道三通电磁阀4接通相应压力传感器3与厌氧发酵瓶7，压力传感器3测定厌氧发酵瓶7中的压力，并将其转换成为1-5V的电子信号；

步骤2、所有通道电子信号通过信号线集成在电路板8并转化成为数字信号，又通过数据线连接到PC机1上，PC机对数字信号进行分析、处理、显示、储存并计算气体产量；

其中，电路板用于收集各个通道压力传感器的电子信号并将转化成为数字信号传输到PC机中，同时PC机传输数字信号给电路板并转化成为电子信号以控制三通电磁阀的开关动作；

其中，第n次排气时，累积气体产量(V_n,ml)计算方法为：

$V_n=\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{P}_i$

公式中，α为压力与气体产量间的转化系数(ml/kPa)，P_i为第i次排气时厌氧发酵瓶中的相对压力(kPa)。

步骤3、气体进入气相色谱5分析需要一定压力(>3kPa)，同时气相色谱也需要至少4ml气体对管道进行清洗；设定厌氧发酵瓶7的排气条件为9kPa(大约7ml气体)；当厌氧发酵瓶中压力小于9kPa时，回到步骤1；当厌氧发酵瓶7中压力大于9kPa时，厌氧发酵瓶7排气条件满足；

步骤4、当厌氧发酵瓶7排气条件满足并成为唯一满足条件的厌氧发酵瓶通道时，该厌氧发酵瓶7进行排气、启动气相色谱仪5测定并完成测定。如果多个通道的厌氧发酵瓶排气条件满足时，PC机对各通道厌氧发酵瓶7进行排序，按照厌氧发酵瓶7先到条件先排气的原则，各厌氧发酵瓶7依次排气并启动气相色谱5工作并完成测定。其中，排气、启动气相色谱仪5测定并完成测定的时间大约72秒钟。

其中，所述的通道数量确定方法为：厌氧发酵瓶7排气时的压力必须小于13kPa，以确保厌氧发酵瓶7中培养的微生物活性不受压力影响。也就是说，厌氧发酵瓶7等待排气时所产生的压力要小于4kPa.厌氧发酵瓶7为150ml且发酵体系为60ml时，总通道数量不超过40个可以满足该发明的要求。

其中，厌氧发酵瓶7排气过程为：PC机1通过数据线释放给电路板并转化成为15V脉冲型号控制相应通道三通电磁阀4的开关动作，三通电磁阀4关闭连接厌氧发酵瓶7与压力传感器3，使厌氧发酵瓶7与气相色谱仪5相连接，该连接过程持续20秒，使得厌氧发酵瓶7的压力彻底被释放出来。

其中，启动气相色谱仪5测定：排气完毕，15V脉冲型号消失，三通电磁阀4关闭厌氧发酵瓶7与气相色谱仪5间连接，重新连通厌氧发酵瓶7与压力传感器3并返回步骤1，PC机通过数据线释放数字型号并启动(2秒)气相色谱仪对进入气体组分测定。

其中，气相色谱测定：气相色谱仪5启动对进入气体组分测定，甲烷和氢气含量分别通过FID和TCD检查器进行检测，检测时间大约需要50秒。

步骤5，各通道厌氧发酵瓶7中温室气体各组份含量的数据整理：PC机1记录气体排放的通道、时间和压力，而气相色谱仪5记录气体温室气体各组分测定的时间和含量。根据本发明厌氧发酵瓶7排气过程为排放后再测定的原理，气相色谱5测定气体与PC机1记录排放的时间差是固定值，根据这个固定时间差理清各通道厌氧发酵瓶7排放温室气体的时间，总量及各组分含量。

步骤6、PC机根据厌氧发酵瓶7的压力、甲烷和氢气含量计算温室气体组分甲烷和氢气的产量；第n次排气时，各通道厌氧发酵瓶中累积气体组分x(V_Xat)可由以下公式计算：

$V_{\mathrm{Xat}}=V_h{C}_{\mathrm{Xn}}+\underset{i=1}{\overset{i=n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}{C}_{\mathrm{Xi}}{P}_i$

其中，V_Xat为发酵气体组分x累积气体量(ml)，P_i为第i次放气时排放的相对压力(kPa)，V_h厌氧发酵瓶顶部空间的体积(ml)，α为压力与气体产量间的转化系数(ml/kPa)，C_Xn为第n次排气时发酵气体组分X(甲烷或氢气)的含量，C_Xi为第i次放气时发酵气体组分X的含量；n为经两通电磁阀释放气体的次数。下图为整理出来的4个通道的甲烷和氢气产量随着时间的变化图(请见图3图4)。

实施例2：

以下结合图6，7和图8对本发明作进一步描述：

一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测装置，包括PC机1、数据线2、压力传感器3、三通电磁阀4、气相色谱仪5、导管6、含发酵液和底物的厌氧发酵瓶7、托盘8、电路板9、环氧树脂板10、恒温培养箱11、固定架12，五芯连接器13、信号线14、四芯连接器15、微控制器16，其连接关系是：

PC机1通过数据线2连接电路板9再通过信号线14连接压力传感器3、三通电磁阀4，通过数据线2连接气相色谱仪5；三通电磁阀4通过导管6分别与气相色谱仪5、压力传感器3和厌氧发酵瓶7连接；

在恒温培养箱11内装有压力传感器3、三通电磁阀4、厌氧发酵瓶7、托盘8、电路板9、环氧树脂板10、固定架12；

其中环氧树脂板10上装有不超过40个压力传感器和三通电磁阀；

其中，三通电磁阀4压力传感器3连接，选择三通电磁阀4一端和与该阀配套并可紧密连接的压力传感器3，连接起来形成三通电磁阀和压力传感器符合体，三通电磁阀4另外两端通过导管6分别与厌氧发酵瓶7和气相色谱仪5相连。压力传感器3用于测定厌氧发酵瓶7中的压力。三通电磁阀4用于控制厌氧发酵瓶7中压力，默认状态时与压力传感器3相连接的阀门处于打开状态，使得压力传感器3与厌氧发酵瓶7相接通，当三通电磁阀4收到15V的电子信号时，三通电磁阀4连接厌氧发酵瓶7和气相色谱5；

其中，气相色谱仪5用于测定温室气体中甲烷和氢气的浓度；

其中，厌氧发酵瓶7装有发酵液和发酵底物，并保持完好的密封性。托盘8用于固定各个厌氧发酵瓶7的位置。厌氧发酵瓶为150ml且发酵体系为60ml时，通道数量不超过40个可以满足该发明的要求。

其中，电路板9经过信号线14与三通电磁阀4和压力传感器3，通过数据线2相连PC机1，主要用于收集各个通道压力传感器3的电子信号并将其传输到PC机1中，同时将PC机1的排气控制信号传输给三通电磁阀4。

其中，压力传感器3和三通电磁阀4控制信号线14连接到五芯连接器13，五芯连接器13经过信号线14连接微控制器16，微控制器16经过数据线2连接到四芯连接器13，并最终通过数据线2与PC机1相连。五芯连接器13的A端连三通电磁阀4的正极、B端连三通电磁阀4的地线、C端连压力传感器3的电源、D端连压力传感器3的输出信号、E端连接压力传感器3的地线，压力信号经过信号线14送到微控制器16ADC接口，微控制器16将压力信号采集转化为数字信号并经由UART通信接口经RS-485电平转化电路连接到四芯连接器13上，再以数据线2接入到PC机1；另外，PC机1发送的控制信号送达微控制器16后，微控制器16由普通IO口通过达林顿管整列驱动三通电磁阀4动作。

其中，恒温培养箱11保持培养时的恒定的培养温室(39.5度)，并能够给予氧树脂板10和托盘8一定速度的转动(50rpm)。托盘8固定厌氧发酵瓶7。

其中，环氧树脂板10固定三通电磁阀4和压力传感器3符合体、导管6和数据线2，应该具有非常好的抗腐蚀和绝缘性。

PC机1通过数据线2分别与电路板9和气相色谱仪5连接，PC机1用于分析、处理、显示和储存电路板9传来的数据信号并控制三通电磁阀4的开关动作，控制气相色谱仪5分析温室气体组分。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测方法，其步骤是：

A、各通道电磁阀接通相应压力传感器与厌氧发酵瓶，压力传感器测定厌氧发酵瓶中的压力，将其转换成为1-5V的电子信号；

B、所有通道电子信号通过信号线集成在电路板中，又通过数据线连接到PC机上，PC机对信号进行分析、处理、显示、储存并计算气体产量；

C、气体进入气相色谱分析要一定压力：> 3kPa，同时气相色谱至少4ml气体对管道进行清洗；设定厌氧发酵瓶的排气条件为9kPa；厌氧发酵瓶中压力小于9kPa时，回到步骤A；厌氧发酵瓶中压力大于9kPa，厌氧发酵瓶排气条件满足；

D、厌氧发酵瓶排气条件满足成为唯一满足条件的厌氧发酵瓶通道，该厌氧发酵瓶进行排气、启动气相色谱仪测定并完成测定气体组份甲烷和氢气含量，多个通道的厌氧发酵瓶排气条件满足，PC机对各通道厌氧发酵瓶进行排序，按照厌氧发酵瓶先到条件先排，各厌氧发酵瓶依次排气并启动气相色谱工作并完成测定气体组份甲烷和氢气含量；

所述的启动气相色谱仪测定：排气完毕，三通电磁阀关闭厌氧发酵瓶与气相色谱仪间连接，PC机通过数据线释放5V脉冲型号给气相色谱，启动气相色谱仪对进入气体组分测定，重新连通厌氧发酵瓶与压力传感器并返回步骤A；

E、各通道厌氧发酵瓶中温室气体各组份含量的数据整理：PC机记录各气体排放的通道、时间和压力，气相色谱仪记录气体温室气体各组分测定的时间和含量；

F、PC机根据厌氧发酵瓶压力、甲烷和氢气含量计算温室气体组分甲烷和氢气的产量。

2.权利要求1所述的一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测装置，包括PC机（1）、压力传感器（3）、三通电磁阀（4）、气相色谱仪（5）、导管（6）、电路板（9）、恒温培养箱（11），其特征在于：PC机（1）通过电路板（9）分别与压力传感器（3）和三通电磁阀（4）连接，通过数据线（2）与气相色谱仪（5）连接，三通电磁阀（4）通过导管（6）分别与气相色谱仪（5）、压力传感器（3）、厌氧发酵瓶（7）连接，在恒温培养箱（11）内装有压力传感器（3）、三通电磁阀（4）、厌氧发酵瓶（7）、托盘（8）、电路板（9）、环氧树脂板（10）、固定架（12），在环氧树脂板（10）上装有不超过40个压力传感器（3）和三通电磁阀（4），托盘（8）上装有不超过40个厌氧发酵瓶（7），三通电磁阀（4）与压力传感器（3）连接，电路板（9）通过信号线（14）与三通电磁阀（4）和压力传感器（3），通过数据线（2）相连PC机（1）。

3.根据权利要求2所述的一种多通道厌氧发酵温室气体全自动在线检测装置，其特征在于：所述的压力传感器（3）和三通电磁阀（４）控制信号线（14）连接到五芯连接器（13），五芯连接器（13）经过信号线（14）连接微控制器（16），微控制器（16）经过数据线（2）连接到四芯连接器（13）。