CN209878100U - 一种生物反器进出料控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种生物反器进出料控制系统。系统包括：生物反应器、通过进料管路与所述生物反应器连接的进料罐、通过进气管路与所述进料罐连接的进气泵，还包括安装于所述进气管路上的进气阀；安装于所述进料管路上的进料阀、安装于与所述生物反应器连接的出料管路上的出料阀；安装于与所述生物反应器连接的产气管路上的出气阀，还包括进料罐称重装置和生物反应器称重装置。通过对进料罐和生物反应器重量的监测，并以不同罐体间的气压差为驱动方式控制进出料，能够实现高精度的控制，对于微量系统的控制效果更加明显。系统不对物料直接作用，避免出现泵体堵塞、物料腐蚀等问题。

Description

一种生物反器进出料控制系统

技术领域

本实用新型涉及生物发酵技术领域，尤其涉及一种生物反器进出料控制系统。

背景技术

传统的用于实验室或者中试的生物反应器(或者发酵罐)的进出料控制中，通常是一次性向生物反应器泵入一定量的物料。此类实验的研究结果往往较差。实验室规模或中试规模的生物反应器的进出料控制主要存在以下问题：

由于泵堵塞而无法实现连续的进料问题，这对于高固含量的原料来说更加严重，而且市场上现有的泵体设备，无法满足小流量的物料供给而不产生堵塞问题。即使某些泵可能在短时间内对低固含量原料起作用，但由于泵送能力太高，仍然很难模拟连续进料。以及存在无法实时了解生物反应器内部物料含量的情况等问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术存在的问题，提供一种生物反器进出料控制系统。

为解决上述技术问题，本实用新型实施例提供一种生物反器进出料控制系统，包括：生物反应器、通过进料管路与所述生物反应器连接的进料罐、通过进气管路与所述进料罐连接的进气泵，还包括安装于所述进气管路上的进气阀；安装于所述进料管路上的进料阀、安装于与所述生物反应器连接的出料管路上的出料阀；安装于与所述生物反应器连接的产气管路上的出气阀，还包括进料罐称重装置和生物反应器称重装置。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述系统通过对进料罐和生物反应器重量的监测，并以不同罐体间的气压差为驱动方式控制进出料，能够实现高精度的控制，对于微量系统的控制效果更加明显。系统不对物料直接作用，避免出现泵体堵塞、物料腐蚀等问题。系统可以对进料和出料进行独立的操作，避免生物反应器内物料少的情况下同时进出料导致新鲜原料直接进入出料罐的情况；在生物反应器内物料充足的情况下也可同时进行进出料操作，实现连续实验进出料同步操作。根据生物反应器称重装置提供的重量数据控制泵体及阀门的运行，从而达到生物反应器内的物料平衡。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，还包括控制装置，所述进料罐称重装置、所述生物反应器称重装置、所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀均与所述控制装置连接；所述控制装置用于根据所述进料罐称重装置和/或所述生物反应器称重装置的监测数据控制所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀的工作状态。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过控制装置控制气泵以及阀门的启闭，有效解决了人工控制操作效率低的技术问题，降低了进出料控制过程中的操作强度，提高了操作的可控性与精确度。

进一步，还包括通信装置，所述通信装置与所述控制装置连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：控制装置通过通信装置可与监控服务器、手机或平板电脑等终端设备通信，从而实现对生物反应器进出料控制系统的远程监测和控制。

进一步，还包括出料罐，所述出料罐通过所述出料管路与所述生物反应器连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：生物反应器通过出料管路直接连接出料罐，反应后物料可从生物反应器直接排到出料罐中，反应后物料收集方便快捷。

进一步，所述出料罐采用封闭式结构，且所述出料罐连接有排气管路，所述排气管路上安装排气阀和/或排气泵。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过采用封闭式出料罐，且出料罐连接排气管路，排气管路上安装排气阀和/或排气泵，从而可通过排气泵排出出料罐内气体，减小出料罐内气压，从而使生物反应器内反应后物料以主动方式流向出料罐，解决了被动式出料导致堵塞的问题。

进一步，还包括出料罐称重装置。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过增加出料罐称重装置，可以精准控制出料量。

进一步，还包括气体供给装置，所述气体供给装置与所述进气泵连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过专门的气体供给装置作为进气泵的气源，该方式尤其适用于对发酵环境气体要求较高的反应系统。

进一步，还包括产气收集装置，所述产气收集装置与所述产气管路连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过增加产气收集装置，可直接收集生物反应器内产生的气体，操作过程方便快捷。

进一步，所述进料罐内设置有温度传感器、压力传感器和第一搅拌器，还设置有加热装置和/或冷却装置；所述生物反应器内设置有PH传感器、温度传感器、CH4和CO2气体分析仪探头和第二搅拌器；所述产气管路上设有气体流量计。

采用上述进一步方案的有益效果是：生物反应器内的发酵过程受系统多种状态参数影响，一般情况下，需要获得更高的CH4浓度、更低的CO2浓度，该实施例中向系统中加入在线探头(pH、温度、压力、CH4、CO2等)和系统的加热/冷却装置，一方面可以通过不同参数间变化规律总结不同状态参数变化对发酵结果的影响，另一方面也可以通过调整系统的加热/冷却装置来获得更好的发酵结果。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的生物反器进出料控制系统示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的生物反器进出料控制系统示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的生物反器进出料控制系统工作方式示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

图1给出了本实用新型实施例提供的一种生物反器进出料控制系统示意图。如图1所示，该系统包括：生物反应器13、通过进料管路与所述生物反应器13连接的进料罐18、通过进气管路与所述进料罐18连接的进气泵1，还包括安装于所述进气管路上的进气阀2；安装于所述进料管路上的进料阀4、安装于与所述生物反应器13连接的出料管路10上的出料阀9；安装于与所述生物反应器13连接的产气管路上的出气阀6，还包括进料罐称重装置17和生物反应器称重装置12。

市场上现有的泵体设备，无法满足小流量的物料供给而不产生堵塞问题。即使某些泵可能在短时间内对低固含量原料起作用，但由于泵送能力太高，仍然很难模拟连续进料。例如：如果需要进行2L消化实验，固体停留时间为25天，每天需要泵入生物反应器的物料量为80ml。在24小时内某个固定时间段或连续条件下，精确地泵送这样小体积的物料是非常困难的。实际运行过程中，常规的系统是一次注入80ml，并通过溢流出料的方式排料。这其实难以满足连续实验进出料同步且反应器恒重等要求。

上述实施例提供的生物反器进出料控制系统，需要进料时，打开进气泵1、进气阀2和进料阀4，关闭排气阀6，出料阀9根据需要选择关闭或开启，通过进气泵1将外界空气通入进料罐，增加进料罐18的压力，利用进料罐18与生物反应器13内部的压差，驱动物料从进料罐18流向生物反应器13，从而可实现小流量连续进料；需要出料时则打开出料阀9，利用物料的溢流作用实现出料。通过生物反应器称量装置12的反馈数据判断系统运行状态，从而控制进气泵1、进气阀2、进料阀4以及出料阀9的运行来达到生物反应器内的物料平衡。进料罐上连接有送料管路22，用于向进料罐内注入物料。

上述实施例中提供的生物反器进出料控制系统应用于生物发酵系统，在保证封闭发酵体系和外界有限接触的条件下，通过调节各罐体内部的气压来实现发酵系统的进出料控制，提高了发酵过程的控制精度和发酵系统的进出料控制精度。同时采用连续称重的方式监测反应器内部发酵物的含量，改变了传统的直接泵送进料方法与物料监测方法，对于高固体含量的物料、实验室规模、中试规模的发酵装置使用效果更加明显。

生物反器进出料控制系统通过对进料罐和生物反应器重量的监测，并以不同罐体间的气压差为驱动方式控制进出料，能够实现高精度的控制，对于微量系统的控制效果更加明显。系统不对物料直接作用，避免出现泵体堵塞、物料腐蚀等问题。系统可以对进料和出料进行独立的操作，避免生物反应器内物料少的情况下同时进出料导致新鲜原料直接进入出料罐的情况。在生物反应器内物料充足的情况下也可同时进行进出料操作，实现连续实验进出料同步操作。并且，生物反应器称重装置可以实时监测反应器内物料重量，并控制进出料操作，使生物反应器重量维持在物料平衡阈值范围内，从而达到生物反应器内的物料平衡。

优选地，生物反器进出料控制系统还包括控制装置，所述进料罐称重装置17、生物反应器称重装置12、所述进气泵1、所述进气阀2、所述进料阀4、所述出料阀9和所述出气阀6均与所述控制装置连接；所述控制装置用于根据预设进料时间、进料量和物料平衡范围，以及所述进料罐称重装置和/或所述生物反应器称重装置的监测数据控制所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀的工作状态。

传统的用于实验室或者中试的生物反应器(或者发酵罐)其工作状态基本需要手动控制，这是一个劳动密集且非常耗时的过程，同时还需要操作者具有一定的熟练度；而且发酵过程人工采样的间隔长，采样密度低，工作进度不稳定。因此，人工控制方式存在耗时耗力，且控制效率及精度低等问题。

上述实施例中，通过控制装置控制气泵以及阀门的启闭，有效解决了人工控制操作效率低的技术问题，降低了进出料控制过程中的操作强度，提高了操作的可控性与精确度。该实施例中，控制装置可以采用计算机或STM32系列的单片机。

优选地，生物反器进出料控制系统还包括通信装置，所述通信装置与所述控制装置连接。上述实施例中，控制装置通过通信装置可与监控服务器、手机或平板电脑等终端设备通信，从而实现对生物反应器进出料控制系统的远程监测和控制。该实施例中，通信装置可以采用无线通信模块，如4g模块或wlan等。

优选地，生物反器进出料控制系统还包括出料罐11，所述出料罐11通过所述出料管路10与所述生物反应器13连接。该实施例中，出料罐可以采用开放式罐体结构，也可以采用封闭式罐体结构，采用封闭式罐体结构时，出料罐上设置排气管路。上述实施例中，生物反应器13通过出料管路直接连接出料罐11，反应后物料可从生物反应器13直接排到出料罐11中，反应后物料收集方便快捷。

优选地，如图2所示，所述出料罐11采用封闭式结构，且所述出料罐连接有排气管路，所述排气管路上安装排气阀23和/或排气泵24。

常规情况下，出料罐可以设置为开放式出料罐，反应后物料以被动式从生物反应器内溢流到出料罐内，但这种方式如果物料比较粘稠，则容易导致堵塞。该实施例中，通过采用封闭式出料罐，且出料罐连接排气管路，排气管路上安装排气阀和/或排气泵，从而可通过排气泵排出出料罐内气体，减小出料罐内气压，从而使生物反应器内反应后物料以主动方式流向出料罐，解决了被动式出料导致堵塞的问题。

优选地，生物反器进出料控制系统还包括出料罐称重装置。该实施例中，通过出料罐称重装置可以实现精准控制出料量。

优选地，生物反器进出料控制系统还包括气体供给装置，所述气体供给装置与所述进气泵连接。该实施例中，通过专门的气体供给装置作为进气泵的气源，该方式尤其适用于对发酵环境气体要求较高的反应系统。

优选地，生物反器进出料控制系统还包括产气收集装置，所述产气收集装置与所述产气管路连接。该实施例中，通过增加产气收集装置，可直接收集生物反应器内产生的气体，操作过程方便快捷。

优选地，所述进料罐内设置有温度传感器20、压力传感器21和第一搅拌器3，还设置有加热装置和/或冷却装置19；所述生物反应器内设置有PH传感器和/或温度传感器15、CH4和CO2气体分析仪探头8和第二搅拌器5；所述产气管路上设有气体流量计7。

优选地，所述进料罐侧壁上设有有视镜16，方便直接了解进料罐内物料情况。所述生物反应器外壁安装有水域夹套14。

生物反应器内的发酵过程受系统多种状态参数影响，一般情况下，需要获得更高的CH4浓度、更低的CO2浓度，该实施例中向系统中加入在线探头(pH、温度、压力、CH4、CO2等)和系统的加热/冷却装置，一方面可以通过不同参数间变化规律总结不同状态参数变化对发酵结果的影响，另一方面也可以通过调整系统的加热/冷却装置来获得更好的发酵结果。

下面简要介绍生物反器进出料控制系统的工作方式。

以下运行方式中，气泵、气阀以及物料阀可以采用机械泵以及机械阀门，本领域技术人员，也可以根据控制需求，手动调整泵体以及阀门，从而实现上述的物料进出控制过程。或根据需求通过控制装置自动控制泵体及阀门的运行。以下所列工作方式，只是一种实例，并不限于这种情况，本领域技术人员，按照现有技术的控制方式，可以选择合适的泵体及阀门控制组合，实现物料进出控制。

根据预设进料时间、进料量和物料平衡范围，以及所述进料罐称重装置和/或所述生物反应器称重装置的监测数据控制所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀的工作状态。

具体地，所述根据预设进料时间、进料量和物料平衡参数，以及所述进料罐称重装置和/或所述生物反应器称重装置的监测数据控制所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀的工作状态包括：

到达预设进料时间时，关闭出气阀6和出料阀9，打开进料阀4、进气阀2以及进气泵1，当所述进料罐称重装置17监测到所述进料罐18的重量减小量达到预设进料量时，关闭进料阀4、进气泵1以及进气阀2；

打开出料阀9，当所述生物物反应器称重装置12监测到生物反应器的重量达到设定的物料平衡范围时，关闭出料阀9，并开启出气阀6。

另外，当生物反应器进出料控制系统包括出料罐11，且出料罐11连接有排气管路，排气管路上安装有排气阀12和排气泵14时，出料时，打开出料阀9的同时，还可以打开排气阀23和排气泵24，当所述生物物反应器称重装置12监测到生物反应器的重量达到设定的物料平衡范围时，关闭出料阀9、排气阀23和排气泵24，并开启出气阀6。

以下以控制装置自动控制进出料为例进行简要说明。

下面结合图3和表1介绍上述生物反器进出料控制系统的工作方式。

表1

首先进行进出料准备，初始状态时，进气阀、进料阀、出气阀、出料阀和进气泵均处于关闭状态；准备进出料时，开启进气阀、进料阀和出料阀；开始进出料操作时，开启进气泵；进出料操作过程中，判断进料是否达到设定范围，如果未达到则继续进料，如果达到则判断系统是否达到物料平衡范围，如果未达到则继续进出料操作，如果达到则进出料操作完成，进入正常产气过程，此时关闭进气阀、进料阀、出料阀和进气泵，开启出气阀。

以上过程未严格区分进料过程和出料过程，其中，进料操作和出料操作可以根据实际反应需求进行控制，可以进料操作和出料操作独立进行，也可以同时进行。

下面以进料操作和出料操作独立进行为例，具体描述下进出料操作过程。

方式1：

系统启动时，首先根据实验模型向系统计算机单元输入进料时间、进料量和物料平衡参数，并设置系统状态为启动状态，然后向进料罐内添加原料。其中，物料平衡范围为物料平衡重量，可以为一个重量范围。整个系统处于初始状态时，生物反应器完成初始进料并开始正常产气。根据实验模型设定的进料时间计算机单元向出气阀和出料阀发送关闭指令，向进料阀发送开启指令，然后打开进气阀以及进气泵，进料罐内气压升高，当进料罐内气压高于生物反应器内的气压足够大时，物料开始从进料罐内向生物反应器内转移，进料罐称重装置持续在线监测进料量并向计算机控制单元反馈，当进料罐的重量减小量达到了设定的进料重量时，计算机单元首先关闭进料阀，然后关闭进气泵与进气阀，完成生物反应器进料操作。

然后生物反应器开始启动出料，计算机单元控制出料阀打开，生物反应器内的物料在溢流作用下从生物反应器向出料罐流动，直到生物反应器称重装置监测到生物反应器的重量达到设定的物料平衡范围后，计算机单元控制出料阀关闭，完成出料操作。

然后计算机单元控制再打开生物反应器出气阀，整个系统回到正常产气状态。

方式2：

系统启动时，首先根据实验模型向系统计算机单元输入进料时间、进料量和物料平衡参数，并设置系统状态为启动状态，然后向进料罐内添加原料。其中，物料平衡范围为物料平衡重量，可以为一个重量范围。整个系统处于初始状态时，反应罐完成初始进料并开始正常产气。根据实验模型设定的进料时间计算机单元向出气阀和出料阀发送关闭指令，向进料阀发送开启指令，然后打开进气泵气阀以及进气泵，进料罐内气压升高，当进料罐内气压高于生物反应器内的气压足够大时，物料开始从进料罐内向生物反应器内转移，进料罐称量装置持续在线监测进料量并向计算机控制单元反馈，当进料罐的重量变化量达到了设定的进料重量时，计算机单元首先关闭进料阀，然后关闭进气泵与进气阀完成生物反应器进料操作。

然后生物反应器开始启动出料，计算机单元控制出料阀打开，启动出料罐的排气阀并开启排气泵，生物反应器内的物料在溢流作用和排气泵作用产生的负压作用下从生物反应器内向出料罐内流动，直到反应器称重装置监测到生物反应器的重量达到设定的物料平衡范围后，计算机单元控制出料阀关闭，完成出料操作。

然后计算机单元控制再打开生物反应器出气阀，整个系统回到正常产气状态。

本实用新型上述实施例提供的生物反应器进出料控制系统应用于生物发酵，大大提高了发酵过程的控制精度和发酵系统的进出料控制精度，通过调节进料罐或生物反应器内部的气压来实现发酵系统的进出料控制，同时采用连续称重的方式监测反应器内部发酵物的含量，改变了传统的直接泵送进料方法与物料监测方法，对于高固体含量的物料、实验室规模、中试规模的发酵装置使用效果更加明显。

在本说明书的描述中，参考术语“实施例一”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体系统、装置或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、系统、装置或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种生物反器进出料控制系统，其特征在于，包括：生物反应器、通过进料管路与所述生物反应器连接的进料罐、通过进气管路与所述进料罐连接的进气泵，还包括安装于所述进气管路上的进气阀；安装于所述进料管路上的进料阀、安装于与所述生物反应器连接的出料管路上的出料阀；安装于与所述生物反应器连接的产气管路上的出气阀，还包括进料罐称重装置和生物反应器称重装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括控制装置，所述进料罐称重装置、所述生物反应器称重装置、所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀均与所述控制装置连接；

所述控制装置用于根据预设进料时间、进料量和物料平衡范围，以及所述进料罐称重装置和/或所述生物反应器称重装置的监测数据控制所述进气泵、所述进气阀、所述进料阀、所述出料阀和所述出气阀的工作状态。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括通信装置，所述通信装置与所述控制装置连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，还包括出料罐，所述出料罐通过所述出料管路与所述生物反应器连接。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述出料罐采用封闭式结构，且所述出料罐连接有排气管路，所述排气管路上安装排气阀和/或排气泵。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，还包括出料罐称重装置。

7.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，还包括气体供给装置，所述气体供给装置与所述进气泵连接。

8.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，还包括产气收集装置，所述产气收集装置与所述产气管路连接。

9.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述进料罐内设置有温度传感器、压力传感器和第一搅拌器，还设置有加热装置和/或冷却装置；所述生物反应器内设置有PH传感器、温度传感器、CH4和CO2气体分析仪探头和第二搅拌器；所述产气管路上设有气体流量计。