CN112748038A - 一种生物制氢微小体积计量检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物制氢微小体积计量检测装置，包括生物制氢反应容器，生物制氢反应容器外侧底部设置有摇床，生物制氢反应容器一侧靠近顶部设置有进气管，还包括设置于生物制氢反应容器顶部的排气管，生物制氢反应容器通过排气管连接有气体收集器，气体收集器连接有PLC控制器，生物制氢反应容器一侧还设置有模拟光源；本发明还公开了基于该装置的检测方法，能够对产氢过程进行精确读数，读数时间可以自由设定，产氢体积可以精确测试，产氢过程所有的温度、光照、产氢流量等数据都可以实时记录保存，且能够自动进行数据记录，避免人为干扰；同时，产氢装置能自动清洗氧气，避免实验装置中的氧气干扰过程结果。
Description
技术领域
本发明属于检测设备技术领域，具体涉及一种生物制氢微小体积计量检测装置；
本发明还涉及一种生物制氢微小体积计量检测方法。
背景技术
目前的能源主要是一些不可再生的矿物能源，它们存储量有限即将枯竭，使用还造成严重的环境污染。寻找清洁的替代能源已成为一项迫切的任务。近年来有不少研究者以粮食、食物废弃物或废糖蜜、纤维素类生物质作为底物进行发酵制氢研究，但在批式和小试实验过程中，都是以手工记录试验过程，没有对相关过程进行数字化、自动化控制。传统的生物制氢无法检测到微小流量的气体产生过程，比如低至0.1-0.5mL/小时；其次，生物制氢过程中无法实施检测产气体积与时间的关系，通常都是按照设定时间一次性计量，过程无法实时监测，制氢过程中温度、光照、产气速率等无法连续监控，对数据不好精确分析，另外，传统实验方案均为人工记录，存在人为因素干扰，比如读数不准确，劳动量大等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物制氢微小体积计量检测装置，能够实现对生物制氢过程中产生的气体进行实时监测。
本发明所采用的第一个技术方案是，一种生物制氢微小体积计量检测装置，包括生物制氢反应容器，生物制氢反应容器外侧底部设置有摇床，生物制氢反应容器一侧靠近顶部设置有进气管，还包括设置于生物制氢反应容器顶部的排气管，生物制氢反应容器通过排气管连接有气体收集器，气体收集器连接有PLC控制器，生物制氢反应容器一侧还设置有模拟光源。
本发明的特点还在于：
其中进气管上还设置有第一电磁阀，第一电磁阀与PLC控制器连接；
其中排气管还连接有清洗管，清洗管与排气管相通，清洗管上还设置有第二电磁阀，第二电磁阀与PLC控制器连接，排气管表面还开设有预留口；
其中气体收集器包括活塞密封缸，活塞密封缸内设置有与活塞密封缸配合的活塞，活塞远离活塞密封缸底部的一端连接有与活塞密封缸两侧平行的导向柱，活塞密封缸顶部设置有活塞导向盖，导向柱伸出活塞导向盖，且与活塞导向盖活动连接，活塞密封缸底部设置有与活塞密封缸相通的进气口，进气口与排气管连接，活塞导向盖上还设置有激光测距仪，激光测距仪与PLC控制器连接；
其中活塞密封缸为圆柱型缸体；
其中PLC控制器为通用的工业控制PLC；
其中PLC控制器还分别连接有光照强度传感器和温度传感器，光照强度传感器和温度传感器分别设置于生物制氢反应容器一侧与生物制氢反应容器位于同一平面内。
本发明所采用的的第二个技术方案是，一种生物制氢微小体积计量检测方法，采用一种生物制氢微小体积计量检测装置，具体按以下步骤实施：
步骤1，将生物制氢的反应液体加入生物制氢反应容器中，同时密封生物制氢反应容器；检查气体收集器中活塞的位置，使其至于活塞密封缸最底部；
步骤2，清洗，打开第一电磁阀和第二电磁阀，向进气管中通入惰性气体，惰性气体进入生物制氢反应容器中，惰性气体与氧气混合后从经排气管从清洗管排出，完成清洗；
步骤3，打开模拟光照光源，模拟光照强度保持恒定，PLC控制器开始计时并开始进行数据采集；摇床按照设定时间间隔进行动作，确保反应溶液均匀，光照强度传感器和温度传感器在PLC控制器控制下按设定时间进行数据采集；
步骤4，气体检测收集，生物制氢反应容器产生混合气体，混合气体通过排气管进入到气体收集器中，推动活塞上升，然后激光测距仪检测活塞的微小运动，通过体积换算公式，实时检测到产生的混合气体体积，激光测距仪检测到的数据通过模拟量或者数字量通讯方式，将数据传输给PLC控制器，PLC控制器将混合气体体积、光照数据、温度数据通过通讯方式传输到电脑中，然后实时保存在PLC控制器的存储单元中。
本发明的第二个技术方案的特点还在于：
其中步骤2中惰性气体为氩气，惰性气体的流量为0.1～1L/min，惰性气体通入的体积为生物制氢反应容器体积的3～10倍；
其中步骤4中计算过程为：气体收集器为圆柱形容器，其半径为r，初始体积为0，当有气体进入，活塞上升，设上升的高度为h，h值通过激光测距仪测定，则检测到的气体体积为：
V＝π*r*r*h (1)。
本发明的有益效果是：
本发明的一种生物制氢微小体积计量检测装置，能够对制氢过程产生的混合气体进行精确读数，读数时间可以自由设定，混合气体中的气体可以精确测试以及计算得到，制氢过程所有的温度、光照、产氢流量等数据都可以实时记录保存，且能够自动进行数据记录，避免人为干扰；同时，产氢装置能自动清洗氧气，避免实验装置中的氧气干扰过程结果。
附图说明
图1为本发明一种生物制氢微小体积计量检测装置的结构示意图；
图2为本发明一种生物制氢微小体积计量检测装置中气体收集器的结构示意图。
图中，1.模拟光照的光源，2.进气管，3.第一电磁阀，4.摇床，5.生物制氢反应容器，6.排气管，7.混合气体，8.气体收集器，8-1.活塞密封缸，8-2.活塞，8-3.导向柱，8-4.活塞导向盖，8-5.进气口，9.激光测距仪，10.数据采集控制器，11.第二电磁阀，12.清洗管，13.光照强度传感器，14.温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种生物制氢微小体积计量检测装置，如图1所示，包括生物制氢反应容器5，生物制氢反应容器5外侧底部设置有摇床4，生物制氢反应容器5一侧靠近顶部设置有进气管2，还包括设置于生物制氢反应容器5顶部的排气管6，生物制氢反应容器5通过排气管6连接有气体收集器8，气体收集器8连接有PLC控制器10，进气管2上还设置有第一电磁阀3，第一电磁阀3与PLC控制器10连接，排气管6还连接有清洗管12，清洗管12与排气管6相通，清洗管12上还设置有第二电磁阀11，第二电磁阀11与PLC控制器10连接，生物制氢反应容器5一侧还设置有模拟光源1，排气管6靠近生物制氢反应容器5的一端还开设有预留口，预留口用于连接气相色谱仪，气相色谱仪用于检测混合气体中各气体的浓度，排气管6上的预留口还可以通过注射器进行抽样检测，抽样时预留口打开，预留口未使用时为密闭状态；
PLC控制器10为西门子1200、1500或欧姆龙NX、NJ等通用工业控制PLC；
PLC控制器10还分别连接有光照强度传感器13和温度传感器14，光照强度传感器13和温度传感器14分别设置于生物制氢反应容器5一侧，光照强度传感器13、温度传感器14布置在生物制氢反应容器5的平行位置，用于模拟反应容器接收到的光照强度，其布置方位只要与气体反应容器平行平面内任意位置均可；
如图2所示，气体收集器8包括活塞密封缸8-1，活塞密封缸8-1为圆柱型缸体，活塞密封缸8-1内设置有与活塞密封缸8-1配合的活塞8-2，活塞8-2远离活塞密封缸8-1底部的一端连接有与活塞密封缸8-1两侧平行的导向柱8-3，活塞密封缸8-1顶部设置有活塞导向盖8-4，导向柱8-3伸出活塞导向盖8-4，且与活塞导向盖8-4活动连接，活塞密封缸8-1底部设置有与活塞密封缸8-1相通的进气口8-5，进气口8-5与排气管6连接，活塞导向盖8-4上还设置有激光测距仪9，激光测距仪9与PLC控制器10连接。
本发明还提供了一种生物制氢微小体积计量检测方法，采用上述一种生物制氢微小体积计量检测装置，具体按以下步骤实施：
步骤1，将生物制氢的反应液体加入生物制氢反应容器5中，同时密封生物制氢反应容器5；检查气体收集器8中活塞8-2的位置，使其至于活塞密封缸8-1最底部；
步骤2，清洗，打开第一电磁阀3和第二电磁阀11，向进气管2中通入惰性气体，惰性气体进入生物制氢反应容器5中，惰性气体与氧气混合后从经排气管6从清洗管12排出，完成清洗；惰性气体为氩气，惰性气体的流量为0.1～1L/min，惰性气体通入的体积为生物制氢反应容器5体积的3～10倍；
步骤3，打开模拟光照光源1，模拟光照光源1光强强度保持恒定，即光照光源强度可以通过控制模拟光照光源1中的电压或者电流进行光强控制，能够按照设定值输出光强光照；也可以依据光照强度传感器13测定的光照强度进行闭环光强控制，确保实验条件都是在恒定条件下进行；PLC控制器10开始计时并开始进行数据采集；摇床4按照设定时间间隔进行动作，确保反应溶液均匀，光照强度传感器13和温度传感器14在PLC控制器10控制下按设定时间进行数据采集；
步骤4，气体检测收集，生物制氢反应容器5中的反应液体在光照和温度条件下发生反应，产生混合气体7，产生的混合气体7压力大于外界大气压，混合气体通过排气管6进入到气体收集器8中，由于混合气体7压力大于外界气压，推动活塞8-2上升，活塞8-2在导向柱8-3的定向约束下，沿着活塞8-2的径向运动，然后激光测距仪9检测活塞的微小运动，通过体积换算公式，实时检测到产生的混合气体7体积，激光测距仪9检测到的数据通过模拟量或者数字量通讯方式，将数据传输给PLC控制器10，PLC控制器将气体体积、光照数据、温度数据通过通讯方式传输到电脑中，然后实时保存在PLC控制器10的存储单元中；
计算过程为：气体收集器8为圆柱形容器，其半径为r，初始体积为0，当有气体进入，活塞上升，设上升的高度为h，h值通过激光测距仪测定，则检测到的混合气体体积为：
V＝π*r*r*h (1)；
在实际应用中，排气管6的预留口连接气相色谱仪，气相色谱仪采集混合气体进行气体密度的测量，设采样次数为n，每次采集的气体体积为V采，则采样所用体积为n*V采，则混合气体的总体积为气体收集器8所收集的气体体积与采样所用体积n*V采之和，将用气相色谱仪检测的气体密度与混合气体的总体积相乘，得到氢气的气体体积。
将培养好的光合细菌Rhodobacter sphaeroides LDQ10制成菌悬液，在以葡萄糖为底物在NH4-N为0％的条件下进行产氢测试，表1为0-36h实际产氢数据，在产氢开始的0-16h，每小时的产气量仅为0.1～1mL，如果用传统的计量装置很难进行微小体积产氢量计量，通过本发明的装置，可以实施精确进行产氢数据量的采集。
表1实际产氢数据
| 小时(小时) | 氢气产量(mL) |
| 0 | 0 |
| 4 | 0.00 |
| 8 | 0.89 |
| 12 | 6.27 |
| 16 | 13.43 |
| 20 | 23.11 |
| 24 | 31.99 |
| 28 | 38.71 |
| 32 | 44.23 |
| 36 | 47.79 |
Claims (10)
1.一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，包括生物制氢反应容器(5)，生物制氢反应容器(5)外侧底部设置有摇床(4)，生物制氢反应容器(5)一侧靠近顶部设置有进气管(2)，还包括设置于生物制氢反应容器(5)顶部的排气管(6)，生物制氢反应容器(5)通过排气管(6)连接有气体收集器(8)，气体收集器(8)连接有PLC控制器(10)，所述生物制氢反应容器(5)一侧还设置有模拟光源(1)。
2.根据权利要求1所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，所述进气管(2)上还设置有第一电磁阀(3)，第一电磁阀(3)与PLC控制器(10)连接。
3.根据权利要求1所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，所述排气管(6)还连接有清洗管(12)，所述清洗管(12)与排气管(6)相通，清洗管(12)上还设置有第二电磁阀(11)，所述第二电磁阀(11)与PLC控制器(10)连接，所述排气管(6)上还设置有预留口。
4.根据权利要求1所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，所述气体收集器(8)包括活塞密封缸(8-1)，活塞密封缸(8-1)内设置有与活塞密封缸(8-1)配合的活塞(8-2)，活塞(8-2)远离活塞密封缸(8-1)底部的一端连接有与活塞密封缸(8-1)两侧平行的导向柱(8-3)，所述活塞密封缸(8-1)顶部设置有活塞导向盖(8-4)，导向柱(8-3)伸出活塞导向盖(8-4)，且与活塞导向盖(8-4)活动连接，所述活塞密封缸(8-1)底部设置有与活塞密封缸(8-1)相通的进气口(8-5)，所述进气口(8-5)与排气管(6)连接，活塞导向盖(8-4)上还设置有激光测距仪(9)，所述激光测距仪(9)与PLC控制器(10)连接。
5.根据权利要求4所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，所述活塞密封缸(8-1)为圆柱型缸体。
6.根据权利要求1所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，所述PLC控制器(10)为通用的工业控制PLC。
7.根据权利要求1所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，其特征在于，所述PLC控制器(10)还分别连接有光照强度传感器(13)和温度传感器(14)，所述光照强度传感器(13)和温度传感器(14)分别设置于生物制氢反应容器(5)一侧与生物制氢反应容器(5)位于同一平面内。
8.一种生物制氢微小体积计量检测方法，其特征在于，采用权利要求1～6所述的一种生物制氢微小体积计量检测装置，具体按以下步骤实施：
步骤1，将生物制氢的反应液体加入生物制氢反应容器(5)中，同时密封生物制氢反应容器(5)；检查气体收集器(8)中活塞(8-2)的位置，使其至于活塞密封缸(8-1)最底部；
步骤2，清洗，打开第一电磁阀(3)和第二电磁阀(11)，向进气管(2)中通入惰性气体，惰性气体进入生物制氢反应容器(5)中，惰性气体与氧气混合后从经排气管(6)从清洗管(12)排出，完成清洗；
步骤3，打开模拟光照光源(1)，模拟光照光源(1)光强强度保持恒定，PLC控制器(10)开始计时并开始进行数据采集；摇床(4)按照设定时间间隔进行动作，确保反应溶液均匀，光照强度传感器(13)和温度传感器(14)在PLC控制器(10)控制下按设定时间进行数据采集；
步骤4，气体检测收集，生物制氢反应容器(5)产生混合气体，混合气体通过排气管(6)进入到气体收集器(8)中，推动活塞(8-2)上升，然后激光测距仪(9)检测活塞的微小运动，通过体积换算公式，实时检测到产生的混合气体体积，激光测距仪(9)检测到的数据通过模拟量或者数字量通讯方式，将数据传输给PLC控制器(10)，PLC控制器将混合气体体积、光照数据、温度数据通过通讯方式传输到电脑中，然后实时保存在PLC控制器(10)的存储单元中。
9.根据权利要求8所述的一种生物制氢微小体积计量检测方法，其特征在于，所述步骤2中惰性气体为氩气，惰性气体的流量为0.1～1L/min，惰性气体通入的体积为生物制氢反应容器(5)体积的3～10倍；
10.根据权利要求8所述的一种生物制氢微小体积计量检测方法，其特征在于，所述步骤4中计算过程为：气体收集器(8)为圆柱形容器，其半径为r，初始体积为0，当有气体进入，活塞上升，设上升的高度为h，h值通过激光测距仪测定，则检测到的气体体积为：
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