CN108120757B - 一种连续供氧的微生物bod测定系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环境科学研究用仪器，具体涉及一种可提供精确温度控制的连续供氧的微生物BOD测定系统。其工作原理：在恒温常压条件下，微生物在反应瓶中进行生物降解，消耗O₂产生CO₂，CO₂被吸收剂吸收后，反应瓶中压力下降，产生压力差，U型管中电路连通。U型管中电流太小，并不能触发直流电源组件的开启。因此，通过微信号放大继电器将电信号放大控制直流电源组件开启，电解瓶内CuSO₄溶液电解产O₂，同时库仑计记录电解电荷量；随着O₂补充到反应瓶中，使U型管压力计的压力差消失，电路断开，直流电源组件关闭，电解瓶停止电解，库仑计停止记录。由于耗氧量与电解电荷量成正比，库仑计准确监测电解瓶消耗的电量，通过电量换算出BOD值。

Description

一种连续供氧的微生物BOD测定系统

技术领域

本发明涉及一种环境科学研究用仪器，具体涉及一种可提供连续氧气供应、精确温度控制的微生物BOD测定系统。该系统可用于连续供氧检测各类化学物质的生化需氧量；用于生物降解性研究，适用于固有生物降解试验、快速生物降解实验、模拟生物降解等实验等。

技术背景

生物降解是指需氧微生物对天然物和合成的有机物的破坏或矿化作用，是通过微生物的呼吸作用完成的。微生物的呼吸包括：有氧呼吸和厌氧呼吸。生化需氧量(Biochemical Oxygen Demand，简写BOD)，其定义是在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离氧的数量。有机质生物氧化是一个缓慢的过程，需要很长时间才能终结。一般以5日作为测定BOD的标准时间，因而称之为五日生化需氧量，以BOD5表示。

目前化学品生物降解性试验数据作为化学品环境安全评估的重要指标之一。国外的一些国家和组织机构(例如经济合作与发展组织OECD、欧盟EC、美国环保局USEPA)对于化学物质的生物降解性制定了一系列标准测试方法。这些测试方法具有一定的相似性。OECD设计了一个三级层次的生物降解标准测试方法，包括快速生物降解试验、固有生物降解试验、模拟试验。

快速生物降解试验，化学品被微生物分解的试验周期较短，在28天内生物降解达到稳定水平的化学物质可认为具有快速生物降解性。这类物质可在短时间内被生物降解，对环境的危害很小。

固有生物降解性：采用最佳的试验条件测定受试物长期与接种物接触表现出的生物降解潜力。固有生物降解设计的条件更有利于化合物的生物降解性，与快速生物降解方法相比，固有生物降解试验方法提高了接种物种群密度，并且延长了化学品被微生物分解的试验周期。当化学物质不具有快速生物降解性时，需要做固有生物降解试验。

模拟实验是指模拟自然环境下化学物质被微生物分解的试验。因为在试验中所有的环境条件都与自然环境类似，因而所得的试验数据能真实反映化学物质的生物降解性。但由于试验条件、操作过程的不同，试验数据可比性不强，现阶段难以标准化推广。

我国的化学品生物降解性国家标准目前主要有15个，其中12个标准都是等同采用OECD的标准。

在化学品的生物降解性检测领域，国内的检测仪器功能单一、准确度差、自动化程度低，国产同类设备非常简易，检测通量、数据准确性无法保证。进口产品占据主要高端市场。

目前，我国在固有生物降解性检测方面存在以下问题：

化学品生物降解性检测需求量大。我国是化学品生产大国，不仅国内企业大量生产化学品，近年来已有很多国外企业将我国作为化学品生产基地，这些化学品都需要进行生物降解性检测之后才能进行生产、使用。同时，随着进出口贸易的发展，很多化学品正在准备进入我国，这些化学品同样需要经过生物降解性试验才能被允许进入我国。否则有毒化学品排放到环境中，在水或土壤中富集积累，对我国环境和人民健康造成很大的安全隐患。而生物降解造成的技术壁垒，直接影响着我国化学工业的对外贸易。

检测设备昂贵，检测成本高。化学品测试结果要被国际认可，必须使用国际认可的试验准则进行测试，所得的结果才具有信服力。而现在我国无符合这些测试准则的检测仪器，目前还是主要以上述提到的三种进口产品为主，这些设备价格昂贵，生产周期长，极大地提高了检测成本。而且有些产品售后服务比较麻烦，无法在大多数GLP实验室、监测机构等使用。

申请号为201510350602.4的中国发明专利公布了一种压差微动液柱平衡式库仑法BOD测定装置，该装置包括恒温控制单元以及多个库仑BOD测定单元。利用好氧微生物分解有机物耗氧的原理，利用压力的变化，控制电解硫酸铜装置的开和关，并利用法拉第第一定律，氧气的消耗量与硫酸铜电解量成正比，通过计算硫酸铜的电解量，换算出氧气的消耗量，并用BOD表示出来。此装置的缺点是随着电解时间的增长，电极上会析出大量铜单质，当U型管两端的压力平衡时，相比于初始状态U型管液面总体上升，直至连通电路，此时U型管失去了可控电解开关的作用。因此该装置只适用于快速的生物降解性试验，不适用于长周期的固有生物降解性实验，测试一段时间装置就失效了。

国产相关产品空白。目前我国生产的生物降解性分析仪器，不具备连续供氧系统、恒温培养条件、检测通量少，主要测定水和废水的BOD5，没有针对具有高毒性、持久性、高蓄积性的化学品进行固有生物降解性分析的仪器。

发明内容

针对上述技术问题，本发明介绍了一种可以实现连续氧气供应，提供恒温培养条件，检测通量高的连续供氧的微生物BOD测定系统。此测定系统能够根据微生物降解实验的需求持续提供高纯度的氧气，彻底解决在生物降解过程中氧气不足的问题，实现在密闭培养状态下连续动态供氧，不需要外部的氧气。即使长期测试，也能表现出很好的稳定性和准确性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种连续供氧的微生物BOD测定系统，包括连续供氧单元、控制单元、测量单元、恒温培养装置、磁力搅拌装置和控制整套系统的软件记录模块。

所述连续供氧的微生物BOD测定系统，其特征在于，连续供氧单元包括空气瓶、反应瓶、电解瓶和U型管压力计。反应瓶用于实验反应，电解瓶通过电解硫酸铜溶液给反应瓶供氧，空气瓶作为一个压力参照。因此三瓶之间的连接顺序为：电解瓶两端分别与空气瓶和反应瓶相连，在电解瓶和空气瓶之间连接有U型管压力计，感应两瓶之间的压力变化，U型管内溶液为硫酸铜溶液，U型管两侧各有一个电极，连接空气瓶一端位于液面下，连接电解瓶一端位于液面上方2-3mm处。三瓶相连通，瓶中压力相同(常压下)，U型管两端硫酸铜溶液在同一水平液面上。在20℃恒温常压条件下，随着微生物在反应瓶中降解过程的进行，微生物消耗氧气产生二氧化碳，二氧化碳被反应瓶上部的二氧化碳吸收剂(例如：氧化钙)吸收，这将引起压力的变化，反应瓶中压力下降，使U型管中液面发生变化，连接有电解瓶的一端液面上升，U型管中电路连通。

在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述控制单元主要包括压力测量的交流电源组件、微信号放大继电器。因为直流电源的电解会造成铜的析出，所以U型管压力计选择单独使用交流电源，这样就不会有铜析出，造成液面的上升。但是由于使用交流电会造成产热，所以我们采用6-12V的交流电源，电流非常小，这样既不会析出铜，也不会产生大量的热。由于U型管压力计的电路电流非常小，因此不能直接控制电解装置电路的开关，因此我们采用一个微信号放大继电器，将电信号放大，从而操控电解电路的开关。

在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述测量单元主要包括提供电解电源的直流电源组件和计量电荷量的库仑计组件。其中，直流电源为220V。通过U型管压力计感应电解瓶与空气瓶之间的压力变化，使U型管中液面发生变化，连接有电解瓶的一端液面上升，使U型管中的电路连通，通过微信号放大继电器来放大电信号，控制直流电源组件的开启，直流电源组件开始给电解瓶供电，同时库仑计组件开始记录电解电荷量，电解瓶中的硫酸铜溶液电解产生氧气，补充到反应瓶中，使反应瓶中压力逐渐恢复到初始水平，U型管中压力渐渐趋于平衡，当U型管中硫酸铜溶液液面恢复同一水平，U型管中电路断开，控制直流电源组件的关闭，电解瓶停止电解，库仑计组件停止记录。由于氧气的消耗量与电解电荷量成正比，库仑计准确监测电解瓶消耗的电量，通过电量换算出BOD值。

在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述恒温培养装置包括恒温培养箱体。所述恒温培养箱体采用强送风的方式加速箱体内的空气循环，箱体内壁设计有送风出口。所述恒温培养箱体采用灵敏的温度传感器进行温度补偿调节，在2℃以内温度变化可启动温度补偿。上述连续供氧单元安放在所述恒温培养箱内部，一台上述恒温培养箱可以容纳8套连续供氧单元。

在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述磁力搅拌装置位于上述恒温培养箱的底盘下部，用于反应瓶的搅拌培养。所述磁力搅拌装置具有两种控制模式：一种控制模式为预先设定编程好的磁力搅拌控制模式，该预先设定好的磁力搅拌方式已经根据生化需氧量常规实验需求设定好了样品的搅拌方向、时间和转速；另一种控制模式为根据不同实验的不同需求，自定义设置磁力搅拌的方向、时间和转速。

在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述控制整套系统的软件记录模块，可以一套软件控制多套微生物连续供氧BOD测定系统，通过电脑数据记录换算直接得到生化需氧量的数值，数据表格可以转化为曲线图显示，使实验人员得到直观的实验结果。实验数据可以以Excel文件形式导出，也可连接打印机直接打印实验数据。

本发明的积极效果是：

1.本系统可以给生物降解性测定实验提供连续氧气供应，彻底解决在生物降解过程中氧气不足的问题，实现在密闭培养状态下连续动态供氧，使微生物进行正常代谢繁殖及对有机物的正常降解，即使长期测试，也能表现出很好的稳定性和准确性，保证实验数据的可靠性。

2.利用库仑计检测电解硫酸铜水溶液过程中电荷变化、电解电荷总量，电解电荷量与提供给微生物的氧气量成正比，检测电解电荷实际上是检测耗氧量，检测电信号比检测氧气量更灵敏、更精确。

3.本发明所述软件可以一套软件控制多套微生物连续供氧BOD测定系统，通过电脑数据记录换算直接得到生化需氧量的数值，数据表格可以转化为曲线图显示，使实验人员得到直观的实验结果。实验数据可以以Excel文件形式导出，也可连接打印机直接打印实验数据。

附图说明

图1为本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统的示意图；

图2为本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统恒温培养装置的示意图；

图3为本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统恒温培养装置内部侧面的示意图；

图中标记说明：

1-连续供氧单元、2-反应瓶、3-电解瓶、4-U型管压力计、5-空气瓶、6-电极、7-硫酸铜溶液、8-二氧化碳吸收剂、9-交流电源组件、10-微信号放大继电器、11-直流电源组件、12-库仑计组件、13-控制单元、14-测量单元、15-恒温培养装置、16-恒温培养箱、17-控制整套系统的软件记录模块、18-温度传感器、19-磁力搅拌装置、20-底盘、21-送风出口、22-管路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种连续供氧的微生物BOD测定系统，包括连续供氧单元1，控制单元13，测量单元14，提供恒温培养条件的恒温培养装置15，磁力搅拌装置19和控制整套系统的软件记录模块17。

如图1所示，所述连续供氧单元包括空气瓶5、反应瓶2、电解瓶3和U型管压力计4。控制单元13主要包括压力测量的交流电源组件9和微信号放大继电器10。测量单元14主要包括提供电解电源的直流电源组件11和计量电荷量的库仑计组件12。其中交流电源组件9采用6-12V的交流电源，直流电源组件11采用220V直流电源。

因为直流电源的电解会造成铜的析出，所以U型管压力计选择单独采用一个交流电源组件9的电路，这样就不会有铜析出，造成液面的上升。但是由于使用交流电会造成产热，所以我们采用电流非常小的交流电，这样既不会析出铜，也不会产生大量的热。因为U型管中电路电流非常小而电解电路的电流比较大，因此不能直接操控电解装置电路的开关，因此我们使用一个微信号放大继电器10，将电信号放大，从而操控电解电路的开关。

电解瓶3通过电解硫酸铜溶液7给反应瓶2供氧，空气瓶5作为一个压力参照，反应瓶2用于实验反应。因此三瓶之间的连接顺序为：电解瓶3两端分别与空气瓶5和反应瓶2相连，在电解瓶3和空气瓶5之间连接有U型管压力计4，感应两瓶之间的压力变化，U型管4内溶液为硫酸铜溶液7，U型管两侧各有一个电极6，连接空气瓶一端6a位于液面下，连接电解瓶一端6b位于液面上方2-3mm处。三瓶相连通瓶中压力相同(常压下)，U型管4中硫酸铜溶液7液面在同一水平面上。在20℃恒温常压条件下，微生物在反应瓶2中进行生物降解，消耗氧气产生二氧化碳，二氧化碳被反应瓶上部的二氧化碳吸收剂8(例如：氧化钙)吸收，反应瓶2中压力下降，使U型管4中液面发生变化，连接有电解瓶的一端6b液面上升，U型管中电路连通。由于U型管压力计的电路电流非常小，通过微信号放大继电器来放大电信号，控制恒流电源组件11的开启，恒流电源组件11开始给所述电解瓶3供电，同时库仑计组件12开始记录电解电荷量，电解瓶3内硫酸铜溶液7发生电解产生氧气，电解产生的氧气通过管路22进入反应瓶2供微生物消耗；随着氧气量增多，反应瓶2中压力逐渐恢复到初始水平，电解瓶3和空气瓶5之间的压力差逐渐消失，U型管4中压力渐渐趋于平衡，当U型管4中硫酸铜溶液7液面恢复同一水平，U型管中电路断开，控制恒流电源组件11的关闭，电解瓶3停止电解，库仑计组件12停止记录。由于氧气的消耗量与电解电荷量成正比，库仑计准确监测电解瓶消耗的电量，通过电量换算出BOD值。

如图1、2、3所示，在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述恒温培养装置15包括恒温培养箱体16。所述恒温培养箱体16采用强送风的方式加速箱体内的空气循环，箱体内壁设计有送风出口21。所述恒温培养箱体16采用灵敏的温度传感器18进行温度补偿调节，在2℃以内温度变化可启动温度补偿。上述连续供氧单元1安放在所述恒温培养箱16内部，一台上述恒温培养箱16可以容纳八套连续供氧单元1。

如图3所示，在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述磁力搅拌装置19位于上述恒温培养箱16的底盘20下部，用于反应瓶2的搅拌培养。所述磁力搅拌装置19具有两种控制模式：一种控制模式为预先设定编程好的磁力搅拌控制模式，该预先设定好的磁力搅拌方式已经根据生化需氧量常规实验需求设定好了样品的搅拌方向、时间和转速；另一种控制模式为根据不同实验的不同需求，自定义设置磁力搅拌的方向、时间和转速。

在上述本发明所述的连续供氧的微生物BOD测定系统中，所述控制整套系统的软件记录模块17，可以一套软件控制多套连续供氧的微生物BOD测定系统，通过电脑数据记录换算直接得到生化需氧量的数值，数据表格可以转化为曲线图显示，使实验人员得到直观的实验结果。实验数据可以以Excel文件形式导出，也可连接打印机直接打印实验数据。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种连续供氧的微生物BOD测定系统，包括连续供氧单元、测量单元、控制单元、恒温培养装置、磁力搅拌装置和控制整套系统的软件记录模块；其工作原理：在恒温常压条件下，微生物在反应瓶中进行生物降解，消耗氧气产生二氧化碳，二氧化碳被反应瓶上部的二氧化碳吸收剂吸收，反应瓶中压力下降，产生压力差，使U型管中液面发生变化，连接有电解瓶的一端液面上升，U型管中电路连通，通过微信号放大继电器将电信号放大控制直流电源组件开启，电解瓶内硫酸铜溶液电解产氧，同时库仑计组件开始记录电解电荷量；随着氧气补充到反应瓶中，使U型管压力计的压力差消失，电路断开，直流电源组件关闭，电解瓶停止电解，库仑计组件停止记录；

所述控制单元包括压力测量的交流电源组件、微信号放大继电器；其中采用6-12V的交流电源，U型管中的电路电流非常小，通过微信号放大继电器，将电信号放大，从而操控电解电路的开关。

2.根据权利要求1所述的连续供氧的微生物BOD测定系统，其特征在于，所述连续供氧单元包括空气瓶、反应瓶、电解瓶和U型管压力计；电解瓶电解硫酸铜溶液产氧，空气瓶作为一个压力参照，电解瓶两端分别与空气瓶和反应瓶相连。

3.根据权利要求1所述的连续供氧的微生物BOD测定系统，其特征在于，所述测量单元主要包括提供电解电源的直流电源组件和计量电荷量的库仑计组件；其中，使用220V直流电源为电解电源，由于氧气的消耗量与电解电荷量成正比，库仑计准确监测电解瓶消耗的电量，通过电量换算出BOD值。

4.根据权利要求1所述的连续供氧的微生物BOD测定系统，其特征在于，所述恒温培养装置包括恒温培养箱体，所述恒温培养箱体采用强送风的方式加速箱体内的空气循环，箱体内壁设计有送风出口；所述恒温培养箱体采用灵敏的温度传感器进行温度补偿调节，在2℃以内温度变化可启动温度补偿；上述连续供氧单元安放在所述恒温培养箱内部，一台上述恒温培养箱可以容纳8套连续供氧单元。

5.根据权利要求1所述的连续供氧的微生物BOD测定系统，其特征在于，所述磁力搅拌装置位于上述恒温培养箱的底盘下部，用于反应瓶的搅拌培养。

6.根据权利要求1所述的连续供氧的微生物BOD测定系统，其特征在于，所述控制整套系统的软件记录模块，可以一套软件控制多套连续供氧的微生物BOD测定系统，通过电脑数据记录换算直接得到生化需氧量的数值，数据表格可以转化为曲线图显示，使实验人员得到直观的实验结果。

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