CN110455675A

CN110455675A - 厌氧发酵产沼气量自动测量系统和方法

Info

Publication number: CN110455675A
Application number: CN201910847065.2A
Authority: CN
Inventors: 邱凌; 邵志江; 陈潇; 薛帅星; 郝伟
Original assignee: Northwest A&F University
Current assignee: Northwest A&F University
Priority date: 2019-09-09
Filing date: 2019-09-09
Publication date: 2019-11-15
Anticipated expiration: 2039-09-09
Also published as: CN110455675B

Abstract

本发明涉及厌氧发酵技术和气体流量测量技术领域，为一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统和方法，用于测量沼气产量及流速。系统主要包括发酵装置、缓冲装置、电磁阀、气量测量装置和单片机。发酵瓶内的沼气进入弹性气囊，气囊膨胀，测量管内液面上升；液位传感器探测液面变化并传递给单片机，当液面到达最高液位时，单片机控制电磁阀的进气口关闭排气口打开；当液面落至零液面时，单片机控制电磁阀的进气口打开排气口关闭，周期性计量。所得产气量是经温度压力修正后每次测量管内最高液面与零液面间的容积求和，再加上经温度压力修正后测量结束时液面与零液面间的容积求得。该系统用于厌氧发酵连续测量沼气产量和流速，构造简单，测量误差小。

Description

厌氧发酵产沼气量自动测量系统和方法

技术领域

本发明涉及微生物发酵技术和气体流量测量技术领域，具体为一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统和方法，用于连续测量沼气产量及流速。

背景技术

厌氧发酵技术处理农业废弃物是一个重要的生物质能源转化利用技术。在厌氧发酵等过程中，产气量是一个重要的参数。目前普通实验室测量产气量多采用排水集气法或湿式气体流量计。排水集气法需要人工测量产气量，操作不方便且精确度也不高。湿式气体流量计通常用于气体流量较大的场合，对于微量气体难以测量。

中国发明专利（CN106768099A）设计了一种分辨率可调的微量气体流量计，该发明分辨率可调，能够测量微量气体，但装置采用较多的光电传感器，增大了测量误差，测量精准度不能得到保证。此外，该发明的流量计测量时，待测气体与溶液有接触，气体会溶解或者气体受到污染。

全自动甲烷潜力测试系统AMPTS2是一款全自动生物可降解性分析系统。该系统集微量气体测定单元、集成内嵌式芯片和实时数据采集系统，软硬件一体化，可在整个物料发酵周期全自动采集记录、分析和输出实验数据，能够批量的测定不同类型物料在不同条件下的生物降解率、产甲烷潜力，并掌控其降解速率。但该系统的分辨率为10mL，分辨率较大。另外，该系统中的微量气体测定单元采用翻板式液体置换原理，在翻板抬起时，管路内气体受到的水压力降低，导致部分未被测量气体逸出，因此测量误差会明显增大。

因此，为方便实验室研究人员分析研究厌氧发酵过程中微生物活性、反应进行程度等，有必要开发一种简单易行、分辨率高和测量精度高的产气量测量系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统和方法，用于连续测量沼气产量及流速。

本发明的技术方案：

一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统，主要包括发酵装置、缓冲装置、电磁阀、气量测量装置和单片机；所述发酵装置，主要由具塞发酵瓶和水浴锅组成，所述发酵瓶底部安装于所述水浴锅内；所述缓冲装置主要由气体缓冲瓶组成；所述具塞发酵瓶，塞上设有取样管与导管a，所述导管a连接至所述气体缓冲瓶；所述气量测量装置，主要由弹性气囊、测量管、温度压力传感器及液位传感器组成；所述弹性气囊，顶部设有气囊进气管；所述温度压力传感器安装于所述气囊进气管内且靠近所述弹性气囊处；所述测量管顶部敞口，所述液位传感器安装于所述测量管顶部内管壁上；所述电磁阀，设有电磁阀进气口、电磁阀出气口及电磁阀排气口；所述电磁阀进气口与导管b连接，所述导管b连接至所述气体缓冲瓶，所述电磁阀出气口与所述气囊进气管连接；所述气体缓冲瓶，带塞密封，塞上开设有两孔，分别用于安装所述导管a与所述导管b；所述单片机，通过控制线连接所述温度压力传感器、液位传感器及电磁阀。

进一步，所述测量管管顶直径小于管底直径，且管顶有一段管径缩小的变径长度来防止管内液体的逸出并达到平衡管内外气压的目的；

进一步，所述测量管管壁设有刻度线，最大刻度值位于测量管顶部所述变径以下，最小刻度值位于下端，且最小刻度值以下部位对应的测量管容积大于以上部位对应的容积;

进一步，当所述测量管液位升至最高液面时，所述液位传感器探测其信号并传递至所述单片机，所述单片机控制所述电磁阀使所述电磁阀进气口关闭而所述电磁阀排气口打开；当所述测量管液位降至零液面时，所述液位传感器探测其信号并传递至所述单片机，所述单片机控制所述电磁阀使所述电磁阀排气口关闭而所述电磁阀进气口打开；以上两个过程中，所述电磁阀出气口均保持畅通；

进一步，所述单片机通过编程，可将所测得的沼气产量修正为标准状况下的沼气体积；并结合计时功能，由已测得的沼气产量来获得沼气产气速率数据;

进一步，所述所有管路连接处、管路与装置连接处及装置连接处均作密封处理；

作为优选，所述测量管中所装液体为难挥发性溶液；

作为优选，所述电磁阀采用二位三通电磁阀，即电磁阀进气口出气口连通则排气口关闭，电磁阀出气口排气口连通则进气口关闭。

本发明的技术原理：

有机物料在具塞发酵瓶内厌氧发酵产生沼气，待测沼气经导管a进入气体缓冲瓶，然后通过导管b进入电磁阀，并从电磁阀出气口经弹性气囊进气管进入弹性气囊中；沼气在弹性气囊中累积，弹性气囊不断膨胀，使测量管内的液面从零液面处不断升高；当液位传感器探测到液面升至最高液面时，单片机控制电磁阀关闭进气口并打开排气口；此时，弹性气囊中的气体在周围液体压力作用下，从电磁阀排气口排到沼气收集容器中（若需要后续气体成分检测实验，可以在排气口处接取样袋进行取样），测量管内的液面下降；当液位传感器探测到测量管的液面下降至零液面时，单片机控制电磁阀排气口关闭并打开进气口，开始下一周期测量。所得产气量是经温度压力修正后每次测量管内最高液面与零液面间的容积求和，再加上经温度压力修正后测量结束时液面与零液面间的容积求得。

本发明还提供一种上述系统的测量方法，具体操作步骤如下：

（1）将配置好的发酵原料装入发酵瓶中，连接导管至气体缓冲瓶，并安装好导气管a，然后用N₂接入取样管吹洗具塞发酵瓶上部空间和气体缓冲瓶，吹洗后立即将导管b接入电磁阀进气口；

（2）将液位传感器、电磁阀及温度压力传感器接入单片机；测量前，向测量管腔内加入难挥发性溶液，不低于零刻度线，然后设置单片机存储零液面；

（3）液面校准后，将电磁阀出气口与弹性气囊进气管连接，启动自动测量系统；

（4）发酵结束时，单片机读取此时测量管的液面对应体积ν^；

（5）根据下列公式计算沼气产量并进行标准化：

,

;

式中：

V——标准状态，即273.15K、101.3kPa下的沼气产量，mL；

ν——最高液面与零液面间的容积，mL；

ν^——测量结束时的液面与零液面间的容积，mL；

n——液面位于最高液面的次数，n≥1；

ν_n——第n次位于最高液面的温压条件下的气体体积，mL；

T _s——热力学温度273.15K；

T _n——第n次位于最高液面时的热力学温度，K；

T ^{^}——测量结束时的热力学温度，K；

P _n——第n次位于最高液面时气体的压力值，kPa；

P ^{^}——测量结束时气体的压力值，kPa；

P _s——为标准状况下的气压值，取101.3kPa。

进一步，所述的测量管的高度不变，测量管的刻度线量程可变，可根据发酵瓶的容积大小选择更换不同直径的测量管，以适应不同产气能力的发酵反应。

本发明的有益效果：

（1）本发明可以连续自动测量沼气产量，避免了采取传统排水集气法测量产气量的繁琐操作。

（2）本发明中被测气体进入弹性气囊，不与测量管内的溶液接触，被测气体的成分没有发生改变，还可从电磁阀排气口取样，用于后续气体成分检测等实验。

（3）本发明的系统构造简单，测量结果准确，分辨率小，为分析研究微生物活性、发酵进行程度及产甲烷潜力等提供有利帮助。

附图说明

图1为本发明的厌氧发酵产沼气量自动测量系统的整体结构示意图。

图2为本发明的厌氧发酵产沼气量自动测量系统的测量管液面处于零液面时的局部结构示意图。

图3为本发明的厌氧发酵产沼气量自动测量系统的测量管液面处于最高液面时的局部结构示意图。

图中标记说明：1水浴锅；2具塞发酵瓶；3取样管；4导管a；5气体缓冲瓶；6导管b；7电磁阀；8电磁阀进气口；9电磁阀排气口；10电磁阀出气口；11温度压力传感器；12气囊进气管；13弹性气囊；14测量管；15液面；16刻度线；17液位传感器；18单片机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

实施例一：

如图1所示，本发明的一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统，主要包括发酵装置、缓冲装置、电磁阀、气量测量装置和单片机；所述发酵装置，主要由水浴锅1和具塞发酵瓶2组成，所述发酵瓶2底部安装于所述水浴锅1内；所述缓冲装置主要由气体缓冲瓶5组成；所述具塞发酵瓶2，塞上设有取样管3与导管a4，所述导管a4连接至所述气体缓冲瓶5；所述气量测量装置，主要由弹性气囊13、测量管14、温度压力传感器11及液位传感器17组成；所述弹性气囊13，顶部设有气囊进气管12；所述温度压力传感器11安装于所述气囊进气管12内且靠近所述弹性气囊13处；所述测量管14顶部敞口，所述液位传感器17安装于所述测量管24顶部内管壁上；所述电磁阀7，设有电磁阀进气口8、电磁阀排气口9及电磁阀出气口10；所述电磁阀进气口8与导管b6连接，所述导管b6连接至所述气体缓冲瓶5，所述电磁阀出气口10与所述气囊进气管12连接；所述气体缓冲瓶5，带塞密封，塞上开设有两孔，分别用于安装所述导管a4与所述导管b6；所述单片机18，通过控制线连接所述电磁阀7、温度压力传感器11及液位传感器17。

进一步，当所述测量管14液位升至最高液面时，所述液位传感器17探测其信号并传递至所述单片机18，所述单片机18控制所述电磁阀7使所述电磁阀进气口8关闭而所述电磁阀排气口9打开；当所述测量管14液位降至零液面时，所述液位传感器17探测其信号并传递至所述单片机18，所述单片机18控制所述电磁阀7使所述电磁阀排气口9关闭而所述电磁阀进气口8打开；以上两个过程中，所述电磁阀出气口10均保持畅通。

实施例二：

如图1-图3所示，本发明的沼气产量测量方法如下：

按实施例一所述的测量系统用于普通实验室厌氧发酵实验，选用容积为1L的具塞发酵瓶，选用容积为100mL的气体缓冲瓶，选用STM32型单片机，选用的电磁阀为二位三通电磁阀，选用的温度压力传感器为BMP180气温气压传感器，选用的测量管上部量程为0-5mL。

具体操作步骤如下：

（1）将配置好的发酵原料装入1L的具塞发酵瓶2中，连接导管a4至气体缓冲瓶5，并安装好导气管b6，然后用N₂接入取样管3吹洗具塞发酵瓶2上部空间和气体缓冲瓶5，吹洗后立即将导管b6接入电磁阀进气口8；

（2）将液位传感器17、电磁阀7及温度压力传感器11接入单片机18；测量前，测量管14腔内加入难挥发性溶液，不低于零刻度线，然后设置单片机18存储零液面；

（3）液面校准后，将电磁阀出气口10与弹性气囊进气管12连接，启动测量系统；

（4）发酵结束时，单片机18读取此时测量管的液面15对应的刻度值ν^{^}；

（5）根据下列公式计算沼气产量并进行标准化：

,

;

式中：

V——标准状态，即273.15K、101.3kPa下的沼气产量，mL；

ν——最高液面与零液面间的容积，mL；

ν^——测量结束时的液面与零液面间的容积，mL；

n——液面位于最高液面的次数，n≥1；

ν_n——第n次位于最高液面的温压条件下的气体体积，mL；

T _s——热力学温度273.15K；

T _n——第n次位于最高液面时的热力学温度，K；

T ^{^}——测量结束时的热力学温度，K；

P _n——第n次位于最高液面时气体的压力值，kPa；

P ^{^}——测量结束时气体的压力值，kPa；

P _s——为标准状况下的气压值，取101.3kPa。

以上实施例仅为本发明的优选实施例而已，但本发明的保护范围并不局限于此，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，根据本发明的技术方案及其发明构思所作的等同替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于：主要包括发酵装置、缓冲装置、电磁阀、气量测量装置和单片机；所述发酵装置，主要由具塞发酵瓶和水浴锅组成，所述发酵瓶底部安装于所述水浴锅内；所述缓冲装置主要由气体缓冲瓶组成；所述具塞发酵瓶，塞上设有取样管与导管a，所述导管a连接至所述气体缓冲瓶；所述气量测量装置，主要由弹性气囊、测量管、温度压力传感器及液位传感器组成；所述弹性气囊，顶部设有气囊进气管；所述温度压力传感器安装于所述气囊进气管内且靠近所述弹性气囊处；所述测量管顶部敞口，所述液位传感器安装于所述测量管顶部内管壁上；所述电磁阀，设有电磁阀进气口、电磁阀出气口及电磁阀排气口；所述电磁阀进气口与导管b连接，所述导管b连接至所述气体缓冲瓶，所述电磁阀出气口与所述气囊进气管连接；所述气体缓冲瓶，带塞密封，塞上开设有两孔，分别用于安装所述导管a与所述导管b；所述单片机，通过控制线连接所述温度压力传感器、液位传感器及电磁阀。

2.按照权利要求1所述的厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于：所述测量管管顶直径小于管底直径，且管顶有一段管径缩小的变径长度来防止管内液体逸出并平衡管内外气压。

3.按照权利要求1所述的厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于：测量管管壁设有刻度线，最大刻度值位于测量管顶部所述变径以下，最小刻度值位于下端，且最小刻度值以下部位对应的测量管容积大于以上部位对应的容积。

4.按照权利要求1所述的厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于，电磁阀采用二位三通电磁阀，即电磁阀进气口出气口连通则排气口关闭，电磁阀出气口排气口连通则进气口关闭。

5. 按照权利要求1所述的厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于：测量管内的溶液为难挥发性溶液。

6.按照权利要求1所述的厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于：初始时将测量管内的液面记为零液面存储在单片机。

7.按照权利要求1所述的厌氧发酵产沼气量自动测量系统，其特征在于：测量管的高度不变，测量管的刻度线量程可变，可根据发酵瓶的容积大小选择更换不同直径的测量管，以适应不同产气能力的发酵反应。

8.一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统的测量方法，其特征在于：具体操作步骤如下：

（5）根据下列公式计算沼气产量并进行标准化：

,

;

式中：

V——标准状态，即273.15K、101.3kPa下的沼气产量，mL；

ν——最高液面与零液面间的容积，mL；

ν^——测量结束时的液面与零液面间的容积，mL；

n——液面位于最高液面的次数，n≥1；

ν_n——第n次位于最高液面的温压条件下的气体体积，mL；

T _s——热力学温度273.15K；

T _n——第n次位于最高液面时的热力学温度，K；

T ^{^}——测量结束时的热力学温度，K；

P _n——第n次位于最高液面时气体的压力值，kPa；

P ^{^}——测量结束时气体的压力值，kPa；

P _s——为标准状况下的气压值，取101.3kPa；

所得产气量是经温度压力修正后每次测量管内最高液面与零液面间的容积求和，再加上经温度压力修正后测量结束时液面与零液面间的容积求得。

9.按照权利要求8所述的一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统的测量方法，其特征在于：单片机通过编程，将所测得的沼气产量修正为标准状况下的沼气体积。

10.按照权利要求8所述的一种厌氧发酵产沼气量自动测量系统的测量方法，其特征在于：结合单片机计时功能，由已测得的沼气产量来获得沼气产气速率数据。