CN106591115A - 一种生物发酵罐在线监测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明具体公开了一种生物发酵罐在线监测系统，包括罐体、控制系统、信息采集系统、上样系统、动力系统；所述罐体、信息采集系统、上样系统、动力系统均与控制系统连接；所述控制系统还包括存储模块、通讯模块、报警系统。本发明的装置综合程度较高，可以同时对发酵罐内的温度、pH、压力等参数进行实时监测，根据生产动态情况，设定最适宜的发酵生产的各项参数，本发明还设置多个分布在发酵罐罐体和附属管路的声光报警器，提高发酵罐生产过程的安全指数，本发明在上样管路设置进样质量实时检测装置，可以对即将进入发酵罐的原料进行检测，避免不合格原料进入发酵罐，造成发酵罐的损坏或者影响发酵产品的质量，造成经济损失。

Description

一种生物发酵罐在线监测系统
技术领域
本发明涉及生物发酵罐监控系统技术领域，具体地，涉及一种生物发酵罐在线监测系统。
背景技术
随着我国经济的快速发展，生物工程的应用也越来越普及，特别是饲料、食品、生物制药等行业。目前生物工程中经常会用到各种生物反应器，生物反应器是利用酶或生物体(如微生物)所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，它是一种生物功能模拟机，如发酵罐、固定化酶或固定化细胞反应器等。在酒类、医药生产、浓缩果酱、果汁发酵、有机污染物降解方面有重要应用。自吸式发酵罐设备是目前生物工业中较重要的生物反应器，发酵罐是否可以高效运行，这与发酵罐的本身质量如耐高温高压性能、结构密封性、传感器的种类及性能都有密切关系；有些发酵过程是要求严格的无菌操作，这对进入发酵罐前的原料的质量也提出了更高的要求。因此，急需开发一种可以对发酵罐的进料和排料的质量进行实时监控的发酵罐。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供一种生物发酵罐在线监测系统，已解决现有技术问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种生物发酵罐在线监测系统，包括罐体、控制系统、信息采集系统、上样系统、动力系统；所述罐体、信息采集系统、上样系统、动力系统均与控制系统连接；所述控制系统还包括存储模块、通讯模块、报警系统，所述控制系统采用AT89s51单片机；所述控制系统还包括显示系统和操作键盘，所述报警系统包括分布在发酵罐罐体和附属管路的多个的声光报警器；所述通讯模块与控制系统连接，所述通讯模块为无线WIFI模块，所述无线WIFI模块与用户端无线连接，所述用户端为智能手机或平板电脑。
优选地，所述信息采集系统包括温度采集模块、温度控制模块、pH值检测模块、压力监测模块和I/O模块；所述控制系统通过温度采集模块和温度控制模块对温度采集，温度控制系统对罐体内的温度进行控制；所述控制系统通过pH值检测模块对pH值进行采集，pH值控制系统对罐体内的pH值进行控制；所述控制系统通过压力监测模块对罐体内的压力进行监测，压力指示表显出当前压力，通过压力安全装置对罐体内的压力进行调整，所述的温度采样模块采用DS18B20传感器，所述的pH值采样模块采用D09403TRl传感器。
优选地，所述动力系统包括搅拌系统、气体供应系统、管道蒸汽供应系统，所述控制系统通过I/O模块编程控制搅拌系统、气体供应系统、信息采集系统和管道蒸汽供应系统。
相对于现有技术，本发明的有益效果：本发明的设备装置综合程度较高，可以同时对发酵罐内的温度、pH、压力等参数进行实时监测，根据生产动态情况，设定最适宜的发酵生产的各项参数进行调节，本发明还设置多个分布在发酵罐罐体和附属管路的声光报警器，提高发酵罐生产过程的安全指数，本发明还创造性加入WIFI通讯模块，生产工人通过终端在车间内外进行实时监控生产过程，本发明在上样管路设置进样质量实时检测装置，可以对即将进入发酵罐的原料进行检测，保证原料复合生产要求，避免不合格原料进入发酵罐，造成发酵罐的损坏或者影响发酵产品的质量，造成经济损失。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中液体上样管路检测模块的结构示意图。
其中：重金属预处理模块-2，pH调节模块-3，测试模块-4，酸性缓冲液盒-31，碱性缓冲液盒-32。
图3是图2中测试模块的结构示意图。
其中：温控环腔-41，测量槽-42，加热泵-411，温度传感器-412，恒温加热棒-413，DO探头-421，生物膜-422，搅拌装置-423。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
图1的本发明的结构示意图，如图1所示，一种生物发酵罐在线监测系统，包括罐体、控制系统、信息采集系统、上样系统、动力系统；所述罐体、信息采集系统、上样系统、动力系统均与控制系统连接；所述控制系统还包括存储模块、通讯模块、报警系统，所述控制系统采用AT89s51单片机；所述控制系统还包括显示系统和操作键盘，所述报警系统包括分布在发酵罐罐体和附属管路的多个声光报警器；所述通讯模块与控制系统连接，所述通讯模块为无线WIFI模块，所述无线WIFI模块与用户端无线连接，所述用户端为智能手机或平板电脑。
优选地，所述信息采集系统包括温度采集模块、温度控制模块、pH值检测模块、压力监测模块和I/O模块；所述控制系统通过温度采集模块和温度控制模块对温度采集，温度控制系统对罐体内的温度进行控制；所述控制系统通过pH值检测模块对pH值进行采集，pH值控制系统对罐体内的pH值进行控制；所述控制系统通过压力监测模块对罐体内的压力进行监测，压力指示表显出当前压力，通过压力安全装置对罐体内的压力进行调整，所述的温度采样模块采用DS18B20传感器，所述的pH值采样模块采用D09403TRl传感器。
优选地，所述动力系统包括搅拌系统、气体供应系统、管道蒸汽供应系统，所述控制系统通过I/O模块编程控制搅拌系统、气体供应系统、信息采集系统和管道蒸汽供应系统。
优选地，所述上样系统包括液体上样管路和固体上样管路和气体上样管路，所述固体上样管路包括输送带和称量模块，所述气体上样管路包括压力泵和电磁阀开关。
优选地，所述液体上样管路包括进样管路和与进样管路平行的检测模块，所述进样管路包括流量计和电磁阀开关。
本发明创造性加入WIFI通讯模块，生产工人通过终端在车间内外进行实时监控生产过程，本发明在上样管路设置进样质量实时检测装置，可以对即将进入发酵罐的原料进行检测，保证原料复合生产要求，避免不合格原料进入发酵罐，造成发酵罐的损坏或者影响发酵产品的质量，造成经济损失。
作为优选的实施例，以下将详细介绍本发明液体上样管路中检测模块的结构和工作原理。
因为测试模块中内置有微生物膜，膜上固定有微生物菌体，微生物菌体不耐受重金属离子，和强酸强碱的水环境；所以在样品在进行检测前，需要对样品的重金属离子进行去除，去除重金属离子后，还要条件样品的pH值，以保证样品的pH在膜上的微生物的耐受范围；待测样品的流路依次经过重金属预处理模块和pH调节模块和测试模块，所述测试模块为一种BOD生化需氧量微生物传感器。
如图2所示，一种BOD生化需氧量微生物传感器，包括中央控制模块、重金属预处理模块-2，pH调节模块-3，测试模块-4，酸性缓冲液盒-31，碱性缓冲液盒-32；所述中央控制模块还包括存储单元，LED显示屏，控制面板，所述存储单元还包括USB接口，所述USB接口可以将数据拷贝复制到其他设备上。
所述重金属预处理模块接种有高浓度的吸收重金属效果较好的藻孢子，待测样品流经该模块时，短时间内其中的藻孢子可以将样品中大部分重金属离子除去，此时样品的重金属离子浓度较低，不会破坏测试模块的微生物膜上固定的微生物。
优选地，所述重金属预处理模块包括压力泵，流量计，处理室；所述压力泵和流量计由同一个电磁阀开关控制，所述电磁阀开关与中央处理器电联接，所述电磁阀开关根据处理室的体积和当次接种藻孢子的量控制样品的进液量，以保证重金属离子的去除效果达到最佳状态。
更优选地，所述处理室中设置分隔，所述分隔是由膜做成的空腔，空腔内用于接种不同的藻孢子，样品流经不同的分隔室，可以接触不同藻孢子，确保重金属离子可以充分去除。
经过上述重金属预处理后，待测样品可能是pH较低的酸性溶液，也可能是pH较高的碱性溶液，由于膜上的微生物有自己的pH耐受范围，所以应该讲样品的pH调节至微生物的耐受范围。
优选地，所述pH调节模块包括两个pH检测仪和一个酸性缓冲液盒和一个碱性缓冲液盒，所述酸性缓冲液装有pH值大于7缓冲液，用于调节酸性样品；所述碱性缓冲液装有pH小于7的缓冲液，用于调节碱性样品；所述酸性缓冲液盒的出液口还设置有流量计和电磁阀开关，所述碱性缓冲液盒的出液口还设置有流量计和电磁阀开关，所述流量计为体积流量计；所述流量计和电磁阀开关与中央控制器电联接。
经过上述重金属预处理和pH调节两步后，此时的样品的理化性质与测试模块中的微生物的生存环境较接近，可以进行BOD值的测定。
作为另一优选地实施例，如图3所示，所述测试模块包括温控环腔-41，测量槽-42，加热泵-411，温度传感器-412，恒温加热棒-413，DO探头-421，生物膜-422，搅拌装置-423；
所述测量槽为圆柱状，温控环腔套在测量槽的外表面；所述温控环腔内置加热泵、温度传感器和恒温加热棒，所述加热泵和温度传感器均与中央控制器连接，可以预设其温控环腔的工作状态，包括温度，和保持恒定温度的时间或者周期性的温度及其对应的保温时间；所述测量槽和温控环腔均与中央控制器电联接，所述测量槽包括设置在槽下方的进液孔和废液孔。
更优选地，所述生物膜为具有活性的微生物固定在膜上，所述生物膜为醋酸纤维素膜，制备过程为两张大小一样的圆形膜，包裹一个面积小于膜的微生物菌片膜；所述微生物菌片在培养平板培养过程中，将一个生物膜置于刚刚接种的平板，微生物在生长的同时，也会往膜上生长，由此得到微生物菌片膜。
所述微生物菌片膜中的微生物选自以下物种中的一种或多种：芽子包杆菌属(Bacillus)、地杆菌属(Geobacter)、希瓦氏菌属(Shewanella)、梭状菌属(Clostridia)、假单细胞菌属(Pseudomonas)、脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫单胞茵属(Desulfuromonas)、脱硫球茎菌属(Desulfobulbus)、红育菌属(Rhodoferax)或埃希氏菌属(Escherichia)或其组合。
本发明的测试模块创造性的设置了重金属预处理模块和pH调节模块，突破了现有BOD生物需氧量传感器不能测试含有重金属离子、pH过高和pH过低的样品，扩大了BOD生物需氧量传感器pH耐受范围，可以检测更多来源的样品，应用范围更广。
实验例
选取市面上常见的BOD检测仪，与本发明的BOD-生化需氧量检测用微生物传感器比较，从pH耐受范围、检测耗时、检测结果稳定性三个方面比较，结果如表1所示：
表1
产品来源 pH耐受范围 检测耗时 稳定性
青岛万源清公司 pH 6‐7.5 70min 89.1％
本发明 pH 3‐9 45min 87.6％
综合表1实验数据，本发明由于创造性加入了重金属预处理模块和pH调节模块，所以本发明的耐受pH范围更大，可以检测更多来源的样品，应用范围更加广泛，由于具备pH调节功能，测量槽的生物膜寿命更长，使用成本更低。本发明的稳定性大体达到市面上常用的BOD检测仪的水平，但本发明的检测耗时更加短，本发明还具备重金属预处理功能，现有的BOD检测仪还未发现有报道。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，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实质和范围。

Claims (6)

1.一种生物发酵罐在线监测系统，包括罐体，其特征在于，还包括控制系统、信息采集系统、上样系统、动力系统；所述罐体、信息采集系统、上样系统、动力系统均与控制系统连接；所述控制系统还包括存储模块、通讯模块、报警系统，所述控制系统采用AT89s51单片机；所述控制系统还包括显示系统和操作键盘，所述报警系统包括分布在发酵罐罐体和附属管路的多个声光报警器；所述通讯模块与控制系统连接，所述通讯模块为无线WIFI模块，所述无线WIFI模块与用户端无线连接，所述用户端为智能手机或平板电脑。
2.根据权利要求1所述的生物发酵罐在线监测系统，其特征在于，所述信息采集系统包括温度采集模块、温度控制模块、pH值检测模块、压力监测模块和I/O模块；所述控制系统通过温度采集模块和温度控制模块对温度采集，温度控制系统对罐体内的温度进行控制；所述控制系统通过pH值检测模块对pH值进行采集，pH值控制系统对罐体内的pH值进行控制；所述控制系统通过压力监测模块对罐体内的压力进行监测，压力指示表显出当前压力，通过压力安全装置对罐体内的压力进行调整，所述的温度采样模块采用DS18B20传感器，所述的pH值采样模块采用D09403TRl传感器。
3.根据权利要求2所述的生物发酵罐在线监测系统，其特征在于，所述动力系统包括搅拌系统、气体供应系统、管道蒸汽供应系统，所述控制系统通过I/O模块编程控制搅拌系统、气体供应系统、信息采集系统和管道蒸汽供应系统。
4.根据权利要求3所述的生物发酵罐在线监测系统，其特征在于，所述上样系统包括液体上样管路和固体上样管路和气体上样管路，所述固体上样管路包括输送带和称量模块，所述气体上样管路包括压力泵和电磁阀开关。
5.根据权利要求4所述的生物发酵罐在线监测系统，其特征在于，所述液体上样管路包括进样管路和与进样管路平行的检测模块，所述进样管路包括流量计和电磁阀开关。
6.根据权利要求5所述的生物发酵罐在线监测系统，其特征在于，所述检测模块是一种BOD生化需氧量微生物传感器，包括中央控制模块、重金属预处理模块-2，pH调节模块-3，测试模块-4，酸性缓冲液盒-31，碱性缓冲液盒-32；所述中央控制模块还包括存储单元，LED显示屏，控制面板，所述存储单元还包括USB接口，所述USB接口可以将数据拷贝复制到其他设备上。
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