CN112816628A - 一种全自动可生物土壤降解测试系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动可生物土壤降解测试系统及其应用，包括至少一个降解测试单元；降解测试单元包括控制及数据处理系统和依次连接的过滤装置、自动加湿系统、反应釜、制冷排水系统、气体控制检测系统；其中，自动加湿系统、反应釜、气体控制检测系统与控制及数据处理系统连接；反应釜放置在温控室内，反应釜内设置有自动搅拌装置，温控室及自动搅拌装置与控制及数据处理系统连接。本发明测试系统可兼容微生物堆肥状态及模拟自然状态下的材料降解性能测试。本发明测试系统还可实现试验整个过程全自动控制和检测，在试验过程中能够提高效率不会因为人为的原因对试验结果有所影响。

Description

一种全自动可生物土壤降解测试系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种全自动可生物土壤降解测试系统及其应用，属于生化技术领域。

背景技术

随着我国“限塑令”的落地提速，为了可持续发展考虑，研发并推广可降解塑料已成为塑料工业界的热点！目前，欧洲已经颁布了关于包装和有机废弃物的相关政令，并制定了有关可堆肥降解塑料的标准EN13432。美国生物降解制品研究所与材料协会也专门制定了环境降解塑料的标准ASTMD6400；同时，全球各国家(如澳大利亚、日本、卢旺达及肯尼亚等)也在建立各自相应的要求。

2020年1月，我国国家发改委、生态环境部发布《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，制定了传统塑料禁止、限制使用时间表，并要求8月出台省级实施方案，到2020年底，率先在部分地区、部分领域禁止、限制不可降解塑料制品的生产、销售和使用。这项改革政策对塑料行业影响巨大，也加速推进社会诸多行业对可降解塑料的应用。

塑料，根据分解方式不同可分为：生物分解塑料、可堆肥塑料、光降解塑料和热氧降解塑料。用生物降解、可堆肥降解、光降解和热氧降解来评价塑料的可降解性，能快速直观反映出塑料在自然条件下的降解性。可降解塑料利于环保，可持续替代以石油为原料的传统塑料作为固体废料丢弃后会污染环境的问题。

对于可降解塑料来说，生物降解性能是降解材料解决白色污染的关键指标，也是研究和应用推广的关键控制参数，通常采用专门设计的降解测试装置来进行生物降解性能的测试，现实中研究者往往通过自制装置来完成降解测试。例如，中国专利文献CN106769856A公开了一种微生物堆肥降解测试装置及其使用方法，该装置包括载气气路单元、恒温装置、搅拌单元、测试单元和计算机自动控制单元；所述恒温装置内包括湿膜加湿器、堆肥降解罐和流量控制器；所述堆肥降解罐内设有搅拌轴，该搅拌轴穿过堆肥降解罐的上盖与搅拌单元通过连杆连接；所述载气气路单元、湿膜加湿器和堆肥降解罐依次连接；所述堆肥降解罐和湿膜加湿器分别与测试单元连接；所述载气气路单元、恒温装置、搅拌单元和测试单元分别与计算机自动控制单元连接；该装置具有操作方便，智能化水平高的优点，但该专利存在以下不足之处：第一，该专利采用湿膜加湿器不合理，湿膜加湿器体积大，加湿量小，密封性差，对整个试验都有很大影响；第二，该专利测试单元前面未加制冷除湿装置，会生成大量冷凝水进入测试单元，导致传感器寿命低，甚至损坏传感器。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种全自动可生物土壤降解测试系统，该测试系统可以测定试验材料最终需氧生物分解能力和崩解程度,同时可兼容微生物堆肥状态及模拟自然状态下的材料降解性能测试。

本发明还提供上述一种全自动可生物土壤降解测试系统的工作方法。

本发明的技术方案如下：

一种全自动可生物土壤降解测试系统，包括至少一个降解测试单元；

降解测试单元包括控制及数据处理系统和依次连接的过滤装置、自动加湿系统、反应釜、制冷排水系统、气体控制检测系统；其中，自动加湿系统、气体控制检测系统与控制及数据处理系统连接；

反应釜放置在温控室内，反应釜内设置有自动搅拌装置，反应釜顶部设置有温湿度传感器和第一压力传感器，温控室、自动搅拌装置、温湿度传感器和第一压力传感器均与控制及数据处理系统连接。

优选的，所述控制及数据处理系统包括前后连接的PLC控制及计算系统和电脑数据处理系统。此设计的好处是，采用控制与数据处理的二级管理模式，一方面可以实现设备的自动化运行并采集数据进行计算，另一方面可以对采集的数据进行后续单独和成组的数据综合处理、分析。

优选的，所述过滤装置包括前后连接的第一过滤器自排水装置和CO₂排除装置，第一过滤自排水装置采用SMC自动排水过滤器，CO₂排除装置采用钠石灰吸收管多级吸收。此设计的好处是，钠石灰吸收管多级吸收，保证全部去除CO₂。

优选的，所述自动加湿系统采用超声波加湿装置。此设计的好处是，加湿腔内水位采用高低液位，自动补水控制，颗粒均匀，能耗低。

优选的，所述反应釜采用圆筒耐酸碱高硼硅玻璃材质，上下封盖及内部搅拌装置皆采用316L不锈钢，密封圈采用进口过氧氟胶，反应釜容积为3L。此设计的好处是，采用316L不锈钢和进口过氧氟胶，能极大的提高反应釜的耐腐蚀能力。

优选的，所述自动搅拌装置包括电机、搅拌轴和密封固定件，密封固定件固定在反应釜上，搅拌轴穿过密封固定件置于反应釜内且搅拌轴上连接有桨叶，搅拌轴的顶端与电机传动连接，电机与PLC控制及计算系统连接。此设计的好处是，通过温湿度传感器和第一压力传感器采集反应釜内部的温度、湿度、压力，使反应釜始终保持并工作在所要求的参数范围内，通过PLC控制实现搅拌轴的正反转搅拌和调速搅拌。

优选的，所述温控室内采用循环气浴加热系统对反应釜加热，温控室顶部设有多点温度检测装置，循环气浴加热系统、温度检测装置与PLC控制及计算系统连接。此设计的好处是，通过多点温度检测装置，来采集温控室的温度并反馈控制循环气浴加热系统的工作过程。

优选的，所述制冷排水系统包括前后连接的制冷系统和第二过滤器自排水装置，第二过滤器自排水装置选用SMC自动排水过滤器。

优选的，所述制冷系统选用冷水机水浴制冷装置，出气口加装散热片。此设计的好处是，通过水浴制冷将温度降到室温，除掉其体内水蒸气。

优选的，所述气体控制检测系统包括前后依次连接的流量计，CO₂传感器，O₂传感器，CH₄传感器，其中，CO₂传感器和O₂传感器之间设置有第二压力传感器，O₂传感器和CH₄传感器之间设置有温度传感器。

一种全自动可生物土壤降解测试系统的工作方法，包括以下步骤：

1)将待测材料装入反应釜内，然后开启PLC控制及计算系统，设定反应釜内需要的载气流量和压力、温控室内的温度，测试CO₂和湿度的周期、搅拌转速、测试持续天数，确认后整个测试系统开始运行；

2)气源从进气口进入，并依次通过过滤装置、自动加湿系统、反应釜、制冷排水系统、气体控制检测系统，最终从出气口排出；

3)通过PLC控制及计算系统采集各种数据，并将各种数据初步处理及计算后传输给电脑数据处理系统，由电脑数据处理系统进行数据统计、分组计算、可单组或成组数据分析、曲线叠加、远程升级和手机端控制。

本发明的技术特点和有益效果：

1、本发明是在可生物降解塑料测试系统模拟的强烈需氧堆肥条件下，测定试验材料最终需氧生物分解能力和崩解程度,该测试系统可兼容微生物堆肥状态及模拟自然状态下的材料降解性能测试。

2、本发明测试系统可由多台反应釜同时或独立进行试验，设备提供高稳定性的恒温控制循环系统、温湿度测控系统、高精度流量控制系统，确保每台反应釜在任意设定温度、湿度、搅拌等条件下进行稳定实验。独立的全自动控制系统，实时抓取、分析实验数据，实验结果可上传至电脑实现降解全过程跟踪，医疗级三级安全权限系统，数据溯源可查，确保数据真实有效。

3、针对目前行业内多为手动调流量、空调制冷手动除水装置和化学吸收称重法，极大的增加了人为因素，降低试验过程中的精确度，增加了人力成本支出。本发明测试系统可实现试验整个过程全自动控制和检测，在试验过程中能够提高效率不会因为人为的原因对试验结果有所影响。

附图说明

图1为本发明降解测试系统的连接关系示意图；

图中：1-过滤装置，2-自动加湿系统，3-温控室，4-制冷排水系统，5-气体控制检测系统，6-控制及数据处理系统，7-进气口，8-第一过滤器自排水装置，9-CO₂排除装置，10-自动加湿系统，11-温度检测装置，12-温湿度传感器，13-第一压力传感器，14-PLC控制及计算系统，15-电脑数据处理系统，16-制冷系统，17-第二过滤器自排水装置，18-流量计，19-CO₂传感器，20-第二压力传感器，21-O₂传感器，22-温度传感器，23-CH₄传感器，24-出气口，25-反应釜，26-自动搅拌装置。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种全自动可生物土壤降解测试系统，包括一个降解测试单元，下面具体对降解测试单元进行介绍说明；

降解测试单元包括控制及数据处理系统6和依次连接的过滤装置1、自动加湿系统2、反应釜25、制冷排水系统4、气体控制检测系统5；其中，自动加湿系统2、反应釜25、气体控制检测系统5与控制及数据处理系统6连接；

反应釜25放置在温控室3内，反应釜25设置有自动搅拌装置26，反应釜25顶部设置有温湿度传感器12和第一压力传感器13，温控室3、自动搅拌装置26、温湿度传感器12和第一压力传感器13均与控制及数据处理系统6连接。

其中，控制及数据处理系统6包括前后连接的PLC控制及计算系统14和电脑数据处理系统15。采用控制与数据处理的二级管理模式，一方面可以实现设备的自动化运行(通过PLC控制及计算系统)，另一方面可以对采集的数据(通过PLC控制及计算系统采集各传感器、设备的数据)进行后续单独的数据综合处理、分析(通过电脑数据处理系统进行后续数据的整理、组合、分析)。

过滤装置1包括前后连接的第一过滤器自排水装置8和CO₂排除装置9，第一过滤自排水装置8采用SMC自动排水过滤器，CO₂排除装置9采用钠石灰吸收管多级吸收。钠石灰吸收管多级吸收，保证全部去除CO₂。

自动加湿系统2采用超声波加湿装置。加湿腔内水位采用高低液位，自动补水控制，颗粒均匀，能耗低。

反应釜25采用圆筒耐酸碱高硼硅玻璃材质，上下封盖及内部搅拌装置皆采用316L不锈钢，密封圈采用进口过氧氟胶，反应釜容积为3L。采用316L不锈钢和进口过氧氟胶，能极大的提高了反应釜的耐腐蚀能力。

自动搅拌装置26包括电机(图中未示出)和搅拌轴，搅拌轴置于反应釜25内且搅拌轴上连接有桨叶，搅拌轴的顶端贯穿反应釜顶部后与电机传动连接，电机与PLC控制及计算系统14连接。通过温湿度传感器12和第一压力传感器13采集反应釜25内部的温度、湿度、压力，使反应釜25始终保持并工作在所要求的参数范围内，通过PLC控制实现搅拌轴的自动搅拌。

温控室3内采用循环气浴加热系统对反应釜25加热，温控室3顶部设有多点温度检测装置11，即采用多个温度传感器采集温控室内的温度并取其平均值，循环气浴加热系统、温度检测装置11与PLC控制及计算系统14连接。通过多点温度检测装置11，来采集温控室3的温度并反馈控制循环气浴加热系统的工作过程。

制冷排水系统4包括前后连接的制冷系统16和第二过滤器自排水装置17，第二过滤自排水装置17采用SMC自动排水过滤器。

制冷系统16选用冷水机水浴制冷装置，出气口加装散热片。通过水浴制冷将温度降到室温，除掉其体内水蒸气。

气体控制检测系统5包括前后依次连接的流量计18，CO₂传感器19，O₂传感器21，CH₄传感器23，其中，CO₂传感器19和O₂传感器21之间设置有第二压力传感器20，O₂传感器21和CH₄传感器23之间设置有温度传感器22。

本实施例技术方案可单独由一台反应釜进行试验，也可由多台反应釜同时进行试验，各反应釜之间独立运作、互不影响。整个运行过程全自动控制，实时抓取、分析实验数据，实验结果可上传至电脑实现降解全过程跟踪，医疗级三级安全权限系统，数据溯源可查，确保数据真实有效。

实施例2：

如实施例1所述的一种全自动可生物土壤降解测试系统的工作方法，具体工作过程包括以下步骤：

1)气源通过进气口7首先进入到过滤装置1，通过第一过滤器自排水装置8和CO₂排除装置9，去除气体中的水和二氧化碳，保证整个试验不受环境因素影响。

2)过滤后的气体进入自动加湿系统2，通过温湿度传感器12检测反应釜25内的温湿度来控制整个自动加湿系统2的温度，保证反应釜25内一直保持一定的湿度，避免蛭石结块影响试验。

3)加湿后的气体进入反应釜25，反应釜25可实时检测腔内温湿度和压力，保证蛭石和试样处在58±2℃和100％湿度，第一压力传感器13可有效检测反应釜25是否漏气，保证整个试验一直处于密封工况下，反应釜25内有电机搅拌装置，可定时自动搅拌，保证试样与蛭石密切接触，防止蛭石结块。

4)温控室3采用气浴加热，温控室3内有温度检测装置11，通过控制加热管保证反应釜25一直处于58±2℃工况下。

5)从反应釜25出来的气体是高温高湿气体，需要经过制冷排水系统4将管内温度降下来，除去管内的水，通过自排水方式排出，保证检测气体干燥。

6)气体控制检测系统5包含控制流量计18、CO₂传感器19、O₂传感器21、CH₄传感器23、温度传感器22和第二压力传感器20，控制流量计18可自动控制流量，保证气流均匀稳定通过，可检测二氧化碳、氧气和甲烷的含量，在此工况下通过计算可得出产生二氧化碳和甲烷的质量。

7)控制及数据处理系统6包括PLC控制及计算系统14和电脑数据处理系统15两部分，PLC控制及计算系统14控制整个设备的运行和数据采集，可进行初步的数据处理及计算，电脑数据处理系统15将PLC的计算数据读取，可进行数据统计、分组计算、可单组或成组数据分析、曲线叠加、远程升级和手机端控制等功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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。

Claims (10)

1.一种全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，包括至少一个降解测试单元；

降解测试单元包括控制及数据处理系统和依次连接的过滤装置、自动加湿系统、反应釜、制冷排水系统、气体控制检测系统；其中，自动加湿系统、气体控制检测系统与控制及数据处理系统连接；

反应釜放置在温控室内，反应釜内设置有自动搅拌装置，反应釜顶部设置有温湿度传感器和第一压力传感器，温控室、自动搅拌装置、温湿度传感器和第一压力传感器均与控制及数据处理系统连接。

2.如权利要求1所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述控制及数据处理系统包括前后连接的PLC控制及计算系统和电脑数据处理系统。

3.如权利要求1所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述过滤装置包括前后连接的第一过滤器自排水装置和CO₂排除装置，第一过滤自排水装置采用SMC自动排水过滤器，CO₂排除装置采用钠石灰吸收管多级吸收。

4.如权利要求1所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述自动加湿系统采用超声波加湿装置。

5.如权利要求2所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述自动搅拌装置包括电机、搅拌轴和密封固定件，密封固定件固定在反应釜上，搅拌轴穿过密封固定件置于反应釜内且搅拌轴上连接有桨叶，搅拌轴的顶端与电机传动连接，电机与PLC控制及计算系统连接。

6.如权利要求2所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述温控室内采用循环气浴加热系统对反应釜加热，温控室顶部设有多点温度检测装置，循环气浴加热系统、温度检测装置与PLC控制及计算系统连接。

7.如权利要求1所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述制冷排水系统包括前后连接的制冷系统和第二过滤器自排水装置，第二过滤器自排水装置选用SMC自动排水过滤器。

8.如权利要求7所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述制冷系统选用冷水机水浴制冷装置，出气口加装散热片。

9.如权利要求1所述的全自动可生物土壤降解测试系统，其特征在于，所述气体控制检测系统包括前后依次连接的流量计，CO₂传感器，O₂传感器，CH₄传感器，其中，CO₂传感器和O₂传感器之间设置有第二压力传感器，O₂传感器和CH₄传感器之间设置有温度传感器。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的全自动可生物土壤降解测试系统的工作方法，包括以下步骤：

1)将待测材料装入反应釜内，然后开启PLC控制及计算系统，设定反应釜内需要的载气流量和压力、温控室内的温度，测试CO₂和湿度的周期、搅拌转速、测试持续天数，确认后整个测试系统开始运行；

2)气源从进气口进入，并依次通过过滤装置、自动加湿系统、反应釜、制冷排水系统、气体控制检测系统，最终从出气口排出；

3)通过PLC控制及计算系统采集各种数据，并将各种数据初步处理及计算后传输给电脑数据处理系统，由电脑数据处理系统进行数据统计、分组计算、可单组或成组数据分析、曲线叠加、远程升级和手机端控制。

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