CN114814157A - 一种煤层气生物富集实验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种煤层气生物富集实验系统，包括：反应装置，包括多个生物反应器；温度控制装置，用于控制各生物反应器的反应温度；自动进样装置，用于向各个生物反应器分别进行样品、培养基以及气氛气体的输入；检测装置，用于检测各个生物反应器的生成物成分及浓度；控制装置通过温度控制装置调节各个生物反应器的反应温度、通过自动进样装置控制各个生物反应器的进样过程以及接收检测装置的检测结果。本发明充分考虑到生物富集恒定实验环境、减少定期取样操作带来的不确定性、同批样品实验条件一致性、减少人工误差、智能化掌控实验反应进程等综合因素，设计一套具备方便、快捷、恒定、真实、准确等特点的智能化煤层气生物富集一体化装置。
Description
技术领域
本发明涉及煤层气生物富集实验技术领域，尤其涉及一种煤层气生物富集实验系统。
背景技术
煤层气作为煤伴生的重要非常规天然气资源，是近一二十年在国际上崛起的洁净、优质能源和化工原料。因其与天然气相当的热值、燃烧前后的清洁程度、与天然气可混输混用的适宜性等诸多优点，被认为是现今工业、化工、发电、民用等领域的重要燃料。现阶段，我国煤层气井数量可观，但平均单井产量低，常规压裂增透对部分煤层气井的增产效果有限，急需探讨全新的增产措施。生物增产是目前绿色、无污染、有效的方式之一，现阶段生物增产大多应用于实验室，生物快速富集是实现生物增产成功的前提条件，根据实验室生物富集反应结果产生甲烷浓度与产气量来衡量生物富集能否满足后期的生物增产实验。而微生物因其自身独特性，普遍对实验环境与反应条件有较高的要求，因此生物富集过程需严格把控不同实验环节的环境条件以满足生物富集的需求，在面对大量实验样品同步实验时，也要保持不同样品的反应环境具有相对一致性。现阶段国内重点实验常采用恒温培养箱，生物产气简易装置，高温灭菌仪等进行人工系列实验，实验过程中一方面无法保证实验环境始终处于前期设定条件，也无法保证每个样品具有相对一致性。此外为了进一步探究实验反应过程中反应液与产出气的变化规律与反应机理，需定期取样测定，而取样的过程中难以保障反应环境不受影响，也因样品环境改变无法保证理化生性质持续稳定。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种煤层气生物富集实验系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种煤层气生物富集实验系统，所述煤层气生物富集实验系统包括：
反应装置，包括多个生物反应器；
温度控制装置，用于控制各生物反应器的反应温度；
自动进样装置，用于向各个所述生物反应器分别进行样品、培养基以及气氛气体的输入；
检测装置，用于检测各个所述生物反应器的生成物成分及浓度；
控制装置，与所述温度控制装置、所述自动进样装置以及所述检测装置连接，所述控制装置通过所述温度控制装置调节各个所述生物反应器的反应温度、通过所述自动进样装置控制各个所述生物反应器的进样过程以及接收所述检测装置的检测结果。
本发明一些实施例中，所述温度控制装置包括：
导热流体存储部，用于存储导热流体；
导热本体，所述导热本体为实体块，所述导热本体内设置有导热流体通道，所述导热流体通道与所述导热流体存储部连通，所述导热本体划分为多个导热单元，每个导热单元对应设置有安装容腔，每个安装容腔对应容置一个所述生物反应器；
流体驱动泵，用于驱动导热流体在导热流体存储部与所述导热流体通道之间循环流动；
多个控制阀，分别与多个所述导热单元一一对应，所述控制阀用于控制与对应导热单元所在区域的导热流体通道与所述导热流体存储部的通断；
其中，所述控制装置与所述流体驱动泵以及各个所述控制阀连接，所述控制装置用于控制所述流体驱动泵的功率以及各个所述控制阀的开度。
本发明一些实施例中，所述导热流体通道包括主流体通道以及与所述主流体通道连通的多个分支流体通道，多个分支流体通道分别位于多个所述导热单元中，每个所述分支流体通道与所述主流体通道之间均对应设置一个所述控制阀。
本发明一些实施例中，所述分支流体通道绕设于所述安装容腔的外侧。
本发明一些实施例中，所述自动进样装置包括：
样品进样部，用于向各个所述生物反应器进煤样；
培养基进样部，用于向各个所述生物反应器进培养基；
气体进样部，用于向各个所述生物反应器进气氛气体。
本发明一些实施例中，所述气体进样部包括多个不同气氛气体的压缩气瓶。
本发明一些实施例中，所述检测装置包括：
气体检测部，用于检测各个生物反应器的气体生成物的成分及浓度；
液体检测部，用于检测各个生物反应器的液体生成物的成分及浓度。
本发明一些实施例中，各个所述生物反应器分别通过气体输送管输送至气体中转腔，所述气体检测部用于检测所述气体中转腔内的气体的成分及浓度。
本发明一些实施例中，各个所述生物反应器分别通过液体输送管输送至液体中转腔，所述液体检测部用于检测所述液体中转腔内的液体的成分及浓度。
本发明一些实施例中，所述检测装置还包括检测结果汇总部60，与所述气体检测部以及所述液体检测部均连接，用于收集所述气体检测部以及所述液体检测部的检测结果，并将所述检测结果传输至所述控制装置。
本发明提供的煤层气生物富集实验系统包括反应装置、温度控制装置、自动进样装置、检测装置和控制装置，控制装置能够通过温度控制装置调节各个生物反应器的反应温度、通过自动进样装置控制各个生物反应器的进样过程以及接收检测装置的检测结果，本发明充分考虑到生物富集恒定实验环境、减少定期取样操作带来的不确定性、同批样品实验条件一致性、减少人工误差、智能化掌控实验反应进程等综合因素，设计一套具备方便、快捷、恒定、真实、准确等特点的智能化煤层气生物富集一体化装置。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚。
图1示出本发明具体实施方式提供的煤层气生物富集实验系统的结构示意图；
图2示出本发明具体实施方式提供的煤层气生物富集实验系统中温度控制装置与生物反应器的配合结构示意图；
图3示出本发明具体实施方式提供的煤层气生物富集实验系统中气体检测部的结构示意图；
图4示出本发明具体实施方式提供的煤层气生物富集实验系统中液体检测部的结构示意图；
图5示出本发明具体实施方式提供的煤层气生物富集实验系统的架构图。
图中：
10、反应装置；11、生物反应器；20、温度控制装置；21、导热流体存储部；22、导热本体；221、安装槽；222、主流体通道；223、分支流体通道；23、流体驱动泵；24、控制阀；30、自动进样装置；31、样品进样部；32、培养基进样部；33、气体进样部；40、检测装置；41、气体检测部；411、第一长形壳体；411A、第一吹气口；411B、第一出气口；412、气体输送管；413、第一分隔板；414、第二分隔板；415、气体中转腔；416、气体子腔；417、第一吹气装置；42、液体检测部；421、第二长形壳体；421A、第二吹气口；421B、第二出气口；422、液体输送管；423、第三分隔板；424、第四分隔板；425、液体中转腔；426、液体子腔；427、第二吹气装置；50、控制装置；60、检测结果汇总部。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
本发明一示例性实施例提供了一种煤层气生物富集实验系统，如图1所示，所述煤层气生物富集实验系统包括反应装置10、温度控制装置20、自动进样装置30、检测装置40及控制装置50。其中，反应装置10包括多个生物反应器11，每个生物反应器11均能够进行煤层气生物富集反应。温度控制装置20用于控制各生物反应器11的反应温度，以保证各生物反应器11内的反应温度均能够满足反应条件的要求。自动进样装置30用于向各个生物反应器11分别进行样品、培养基以及气氛气体的输入。检测装置40用于检测各个所述生物反应器11的生成物成分及浓度。控制装置50与温度控制装置20、自动进样装置30以及检测装置40连接，控制装置50通过所述温度控制装置20调节各个所述生物反应器11的反应温度、通过所述自动进样装置30控制各个所述生物反应器11的进样过程以及接收所述检测装置40的检测结果。
本发明提供的煤层气生物富集实验系统包括反应装置10、温度控制装置20、自动进样装置30、检测装置40和控制装置50，控制装置50能够通过温度控制装置20调节各个生物反应器11的反应温度、通过自动进样装置30控制各个生物反应器11的进样过程以及接收检测装置40的检测结果，本发明充分考虑到生物富集恒定实验环境、减少定期取样操作带来的不确定性、同批样品实验条件一致性、减少人工误差、智能化掌控实验反应进程等综合因素，设计一套具备方便、快捷、恒定、真实、准确等特点的智能化煤层气生物富集一体化装置。
其中，温度控制装置20能够对各个生物反应器11均实现准确的温度调节，例如，控制各个生物反应器11是否加热，以及控制各个生物反应器11的加热温度。示例性地，温度控制装置20可定时定温给其内的24个生物反应器11定制化加热，如本次实验只使用10个生物反应器11，可在控制装置50处进行10个生物反应器11的恒温控制设定，其余14个生物反应器11不做恒温加热工作。
一实施例中，如图2所示，所述温度控制装置20包括导热流体存储部21、导热本体22、流体驱动泵23以及多个控制阀24。其中，导热流体存储部21用于存储导热流体，导热流体存储部21例如是箱体或者罐体，导热流体例如为导热油、水等能够进行导热的流体，另外，导热流体存储部21内还设置有加热装置，以对导热流体存储部21内的导热流体进行加热。
导热本体22为实体块，例如为铜块，所述导热本体22内设置有导热流体通道，导热流体通道例如可以通过在铜块内穿孔的方式得到。所述导热流体通道与所述导热流体存储部21连通，所述导热本体22划分为多个导热单元，每个导热单元对应设置有安装容腔，每个安装容腔对应容置一个所述生物反应器11，例如，将铜块沿x方向和y方向划分网格，从而形成导热单元阵列，每个导热单元上设置有顶部开口的安装槽221，安装槽221的内腔即构成安装容腔，如此，生物反应器11即可由顶部开口插入安装槽221内。
流体驱动泵23用于驱动导热流体在导热流体存储部21与所述导热流体通道之间循环流动，从而将导热流体存储部21内的导热流体导入导热本体22内，以对装设于导热本体22中的生物反应器11进行加热。
多个控制阀24分别与多个所述导热单元一一对应，所述控制阀24用于控制与对应导热单元所在区域的导热流体通道与所述导热流体存储部21的通断。
其中，所述控制装置50与所述流体驱动泵23以及各个所述控制阀24连接，所述控制装置50用于控制所述流体驱动泵23的功率以及各个所述控制阀24的开度。示例性地，当需要进行实验的生物反应器11数量增多时，则需要更多的导热流体输送至生物反应器11，因此可将流体驱动泵23的功率调大，而当需要进行试验的生物反应器11数量减少时，则所需的导热流体流量减小，因此可将流体驱动泵23的功率调小。另外，控制装置50可根据生物反应器11的温度控制与该生物反应器11所对应的控制阀24的开度，例如，当生物反应器11的温度高于预设温度时，可以将控制阀24的开度调小，以减小导热流体与生物反应器11的换热量，而当生物反应器11的温度低于预设温度时，可以将控制阀24的开度调大，以增大导热流体与生物反应器11的换热量。
一实施例中，参考图2所示，所述导热流体通道包括主流体通道222以及与所述主流体通道222连通的多个分支流体通道223，多个分支流体通道223分别位于多个所述导热单元中，每个所述分支流体通道223与所述主流体通道221之间均对应设置一个所述控制阀24，如此，控制阀24能够控制导热流体是否流入分支流体通道223以及流入分支流体通道223的流量，以实现对生物反应器11的温度控制。当然，可以理解的，多个分支流体通道223也与导热流体存储部21连通，以使得与生物反应器11发生热交换后的导热流体返回导热流体存储部21。
示例性地，所述分支流体通道223绕设于所述安装容腔的外侧，例如，分支流体通道223呈螺旋状绕设于安装容腔的外侧，以保证对生物反应器11的加热效率。
一实施例中，如图1所示，所述自动进样装置30包括样品进样部31、培养基进样部32以及气体进样部33。其中，样品进样部31用于向各个所述生物反应器11进煤样，培养基进样部32用于向各个所述生物反应器11进培养基。气体进样部33用于向各个所述生物反应器11进气氛气体。
其中，样品进样部31可根据实验前设置的送样参数自动将煤样送入煤层气生物富集实验系统中不同的生物反应器11中，并记录不同反应器中送达样品重量等相关参数反馈至控制装置50。
培养基进样部32与样品进样部31的功能相似，进样产品主要为生物培养基，培养基进样部32可根据实验前设置的送样参数自动将生物培养基送入煤层气生物富集实验系统中不同的生物反应器11中，并记录不同生物反应器11中送达样品重量等相关参数反馈至控制装置50。
示例性地，气体进样部33包括多个不同气氛气体的压缩气瓶，根据实验前期设定参数送入不同气氛气体，如实验过程需始终保持厌氧环境条件，可在实验初期送入等量等时的氩气等气氛至煤层气生物富集实验系统中不同生物反应器11内，保持实验初期各生物反应器11维持稳定相同气氛。
煤层气生物富集反应的生成物通常包括气体和液体，基于此，如图1所示，检测装置40包括气体检测部41和液体检测部42，其中，气体检测部41用于检测各个生物反应器11的气体生成物的成分及浓度；液体检测部42用于检测各个生物反应器11的液体生成物的成分及浓度。
一实施例中，如图3所示，各个所述生物反应器11分别通过气体输送管412输送至气体中转腔415，所述气体检测部41用于检测所述气体中转腔415内的气体的成分及浓度。示例性地，如图3所示，气体输送管412连接至沿第一方向延伸的第一长形壳体411，第一长形壳体411的内部设置有第一分隔板413，第一分隔板413将第一长形壳体411的内腔分为两部分，其中一部分构成气体中转腔415，另一部分内设置有沿第一方向间隔排布的多个第二分隔板414，多个第二分隔板414将该部分分隔为多个气体子腔416，每个气体子腔416分别连接一个气体输送管412，如此，生物反应器11内的气体可首先经气体输送管412采样至对应的气体子腔416，然后再进入气体中转腔415内，以使得气体检测部41对其进行检测，能够避免气体输送管412之间的相互影响。当然，各个气体输送管412上均设置有开关阀，当需要对该气体输送管412连接的生物反应器11进行气体生成物检测时，将开关阀打开以进行气体采样。
进一步优选地，为了避免前次检测的气体对后次检测的气体的检测结果造成影响，气体中转腔415连接有第一吹气装置417，气体中转腔415的一端设置有第一吹气口411A，气体中转腔415的另一端设置有第一出气口411B，第一吹气装置417与第一吹气口411A连接，在完成前次的气体检测后，控制第一吹气装置417经第一吹气口411A向气体中转腔415中吹气，以将气体中转腔415内的气体经第一出气口411B排出，从而保证后次检测的准确性。
一实施例中，各个所述生物反应器11分别通过液体输送管422输送至液体中转腔425，所述液体检测部42用于检测所述液体中转腔425内的液体的成分及浓度。示例性地，如图4所示，液体输送管422连接至沿第二方向延伸的第二长形壳体421，第二长形壳体421的内部设置有第三分隔板423，第三分隔板423将第二长形壳体421的内腔分为两部分，其中一部分构成液体中转腔425，另一部分内设置有沿第二方向间隔排布的多个第四分隔板424，多个第四分隔板424将该部分分隔为多个液体子腔426，每个液体子腔426分别连接一个液体输送管422，如此，生物反应器11内的液体可首先经液体输送管422采样至对应的液体子腔426，然后再进入液体中转腔425内，以使得液体检测部42对其进行检测，能够避免液体输送管422之间的相互影响。当然，各个液体输送管422上均设置有开关阀，当需要对该液体输送管422连接的生物反应器11进行液体生成物检测时，将开关阀打开以进行液体采样。
进一步优选地，为了避免前次检测的液体对后次检测的液体的检测结果造成影响，液体中转腔425连接有第二吹气装置427，液体中转腔425的一端设置有第二吹气口421A，液体中转腔425的另一端设置有第二出气口421B，第二吹气装置427与第二吹气口421A连接，在完成前次的液体检测后，控制第二吹气装置427经第二吹气口421A向液体中转腔425中吹气，以将液体中转腔425内的液体以及第二吹气装置427吹出的气体经第二出气口421B排出，从而保证后次检测的准确性。
进一步地，所述检测装置40还包括检测结果汇总部60，与所述气体检测部41以及所述液体检测部42均连接，用于收集所述气体检测部41以及所述液体检测部42的检测结果，并将所述检测结果传输至所述控制装置50。
示例性地，气体检测部41负责定期检测各反应器内气体成分及浓度，并自动记录反馈给检测结果汇总部，当监测端记录气体中甲烷含量高达60%实验自动停止。液体检测部42负责每天定时检测各反应器内液体成分及浓度，并自动记录反馈给检测结果汇总部。检测结果汇总部负责记录和汇总气体检测部41与液体检测部42的详细数据，并自动化绘制成图，信息反馈至控制装置50，控制装置50负责管理定制实验过程相关参数，根据设定的参数，控制装置50将参数指令传递给其他系统，并将各系统内实验具体信息汇总整理，形成图表等视觉化表达。
下面结合图5，对本实施例提供的煤层气生物富集实验系统的整体架构进行介绍。其中，控制装置50用于制定实验参数,具体为气氛类型与进样时段、时长设定,样品进样位置设定，进样质量设定，温度设定,培养基进样位置设定，进样质量设定。控制装置50还用于管理维护其他系统，具体为连接各系统，维护各系统智能运转。控制装置50还用于接收信息反馈与信息整理统计，具体为接收各系统信息反馈，即实验数据信息，对各系统信息流整理，根据信息流组建完整信息脉络。自动进样装置30用于控制样品进样，反馈信息至控制装置50，具体为根据设定，控制一定质量的样品进入指定生物反应器11内，记录送样整体信息并反馈至控制装置50。自动进样装置30还用于控制培养基进样，反馈信息至控制装置50，具体为根据设定，控制一定质量的培养基进入指定生物反应器11内，记录送样整体信息并反馈至控制装置50。自动进样装置30还用于控制生物反应器11内气氛，反馈信息至控制装置50，具体为根据设定，在进样之前预先进气保持指定生物反应器11内气氛，进样之后再进一次气体，记录进气气氛、时间反馈至控制装置50。反应装置10用于控制各生物反应器11连通性，自动进样装置30和检测装置40直通生物反应器11，例如进样口、进气口、进培养基口、测气与测液系统各直通生物反应器，根据设定及时关闭各通道，防治交叉污染。生物反应器11定向恒温加热，具体为根据设定，对指定生物反应器11恒温加热，不在设定范围内的生物反应器11不受影响。另外，还包括反应过程计时，具体为反应过程整体计时，连接各系统。检测装置40中，气体检测部41定时监控，掌握生物反应器11内气体变化，监测生物反应器11内气体成分及浓度，汇总至检测结果汇总部。液体检测部42定时监控，掌握反应机理，监测生物反应器11内液体成分及浓度，汇总至检测结果汇总部。检测结果汇总部进行数据汇总与传输，具体为检测结果汇总部按时间汇总监测过程产气产液的变化情况。
本发明提供的煤层气生物富集实验系统包括反应装置10、温度控制装置20、自动进样装置30、检测装置40和控制装置50，控制装置50能够通过温度控制装置20调节各个生物反应器11的反应温度、通过自动进样装置30控制各个生物反应器11的进样过程以及接收检测装置40的检测结果，本发明充分考虑到生物富集恒定实验环境、减少定期取样操作带来的不确定性、同批样品实验条件一致性、减少人工误差、智能化掌控实验反应进程等综合因素，设计一套具备方便、快捷、恒定、真实、准确等特点的智能化煤层气生物富集一体化装置。
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述煤层气生物富集实验系统包括：
反应装置，包括多个生物反应器；
温度控制装置，用于控制各生物反应器的反应温度；
自动进样装置，用于向各个所述生物反应器分别进行样品、培养基以及气氛气体的输入；
检测装置，用于检测各个所述生物反应器的生成物成分及浓度；
控制装置，与所述温度控制装置、所述自动进样装置以及所述检测装置连接，所述控制装置通过所述温度控制装置调节各个所述生物反应器的反应温度、通过所述自动进样装置控制各个所述生物反应器的进样过程以及接收所述检测装置的检测结果。
2.根据权利要求1所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述温度控制装置包括：
导热流体存储部，用于存储导热流体；
导热本体，所述导热本体为实体块，所述导热本体内设置有导热流体通道，所述导热流体通道与所述导热流体存储部连通，所述导热本体划分为多个导热单元，每个导热单元对应设置有安装容腔，每个安装容腔对应容置一个所述生物反应器；
流体驱动泵，用于驱动导热流体在导热流体存储部与所述导热流体通道之间循环流动；
多个控制阀，分别与多个所述导热单元一一对应，所述控制阀用于控制与对应导热单元所在区域的导热流体通道与所述导热流体存储部的通断；
其中，所述控制装置与所述流体驱动泵以及各个所述控制阀连接，所述控制装置用于控制所述流体驱动泵的功率以及各个所述控制阀的开度。
3.根据权利要求2所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述导热流体通道包括主流体通道以及与所述主流体通道连通的多个分支流体通道，多个分支流体通道分别位于多个所述导热单元中，每个所述分支流体通道与所述主流体通道之间均对应设置一个所述控制阀。
4.根据权利要求3所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述分支流体通道绕设于所述安装容腔的外侧。
5.根据权利要求1至4任一项所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述自动进样装置包括：
样品进样部，用于向各个所述生物反应器进煤样；
培养基进样部，用于向各个所述生物反应器进培养基；
气体进样部，用于向各个所述生物反应器进气氛气体。
6.根据权利要求5所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述气体进样部包括多个不同气氛气体的压缩气瓶。
7.根据权利要求1至4任一项所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述检测装置包括：
气体检测部，用于检测各个生物反应器的气体生成物的成分及浓度；
液体检测部，用于检测各个生物反应器的液体生成物的成分及浓度。
8.根据权利要求7所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，各个所述生物反应器分别通过气体输送管输送至气体中转腔，所述气体检测部用于检测所述气体中转腔内的气体的成分及浓度。
9.根据权利要求7所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，各个所述生物反应器分别通过液体输送管输送至液体中转腔，所述液体检测部用于检测所述液体中转腔内的液体的成分及浓度。
10.根据权利要求7所述的煤层气生物富集实验系统，其特征在于，所述检测装置还包括检测结果汇总部，与所述气体检测部以及所述液体检测部均连接，用于收集所述气体检测部以及所述液体检测部的检测结果，并将所述检测结果传输至所述控制装置。
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