用于監(jiān)測和/或控制發(fā)酵過程的系統(tǒng)設(shè)置的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于監(jiān)測和/或控制一個或多個發(fā)酵過程的系統(tǒng)設(shè)置，特別是用于涉 及氣體（如沼氣或氫氣）的制備的發(fā)酵過程。
【背景技術(shù)】
[0002] 使用沼氣作為能源載體是一種減少對基于化石燃料的能源的依賴性的方法，從而 對自然資源并對環(huán)境產(chǎn)生較小的影響。隨著用于有機廢物的生物降解和沼氣生產(chǎn)的厭氧消 化過程的應(yīng)用呈指數(shù)增長，迫切需要增加關(guān)于此類過程的知識經(jīng)驗，改善選擇最佳底物進 料的方法，開發(fā)開環(huán)和閉環(huán)控制策略，微調(diào)啟動操作，確定應(yīng)力系數(shù)和實施經(jīng)調(diào)整的反應(yīng)器 設(shè)計。事實上，知識經(jīng)驗將在很大程度上對沼氣廠的初始設(shè)計、運行和經(jīng)濟細節(jié)有巨大影 響。
[0003] 厭氧降解的過程是非常復雜和動態(tài)的，其中微生物方面、生物化學方面和物理化 學方面彼此緊密相關(guān)。出于優(yōu)化目的，實驗室規(guī)模的發(fā)酵試驗方法被用于確定給料特性并 模擬沼氣反應(yīng)器的連續(xù)操作。一般來講，對于廣義設(shè)計的試驗程序，應(yīng)當使用分批試驗和連 續(xù)試驗的組合。連續(xù)試驗模擬跨越長時間范圍的長過程條件，而平行運行的多個分批試驗 提供關(guān)于對相關(guān)參數(shù)變化和給料特性的影響的結(jié)果。發(fā)酵試驗以限定的連續(xù)工序進行的目 的是獲得關(guān)于氣體產(chǎn)率及其組成的可靠的長期基本數(shù)據(jù)，并且構(gòu)建關(guān)于有機材料的降解、 發(fā)酵的過程以及在降解過程中可能發(fā)生的任何問題的盡可能詳盡的數(shù)據(jù)圖。事實上，連續(xù) 的實驗室級發(fā)酵試驗的結(jié)果已在若干情況下經(jīng)證實能夠提供全規(guī)模操作的良好表現(xiàn)。借助 于連續(xù)發(fā)酵試驗，應(yīng)該還可以確定底物的理化性質(zhì)如何影響發(fā)酵過程以及必須實施怎樣的 過程條件才能實現(xiàn)最佳降解并使氣體產(chǎn)率最大化。因此，連續(xù)發(fā)酵試驗提供關(guān)于該過程的 性能和負載極限的首要信息，其對于設(shè)計和運行沼氣廠以及對于創(chuàng)建有關(guān)項目的經(jīng)濟可行 性的模型而言是至關(guān)重要的。
[0004] 自然環(huán)境和全規(guī)模工廠中用于處理廢水和固體廢物的各種生物降解過程已導致 了大量基于不同發(fā)酵試驗工序的試驗方法的產(chǎn)生。此外，以連續(xù)工序進行的發(fā)酵試驗是實 驗室規(guī)模的試驗方法，所述方法不僅由于所用的生物廢料和細菌培養(yǎng)物的異質(zhì)性，還由于 實驗設(shè)置以及未統(tǒng)一的試驗協(xié)議的差異而易發(fā)生大幅變化。例如，各個實驗室之間的反應(yīng) 器配置、檢測儀器和運行模式均可彼此不同。此外，結(jié)果的顯示也未被標準化，這使得非常 難以在兩個試驗之間進行比較。此外，以連續(xù)模式執(zhí)行發(fā)酵試驗通常是復雜且勞動密集同 時耗時的工序，其跨越了相當長的時間段。
[0005] 本發(fā)明的一個目的是提供改進的用于在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋和數(shù)據(jù)存儲方面監(jiān)測 和/或控制連續(xù)發(fā)酵的系統(tǒng)設(shè)置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 通過用于監(jiān)測和/或控制一個或多個發(fā)酵過程的系統(tǒng)設(shè)置實現(xiàn)上述目的，所述系 統(tǒng)設(shè)置包括：
[0007] -至少一個發(fā)酵單元；
[0008] -數(shù)據(jù)采集單元；以及
[0009] -云計算單元，該云計算單元具有數(shù)據(jù)庫、文件存儲能力、數(shù)據(jù)計算能力和用戶界 面能力；
[0010] 其中至少一個發(fā)酵單元連接至采集單元，所述采集單元又連接至云計算單元，從 而可將一個或多個發(fā)酵過程的在線實時數(shù)據(jù)從至少一個發(fā)酵單元通過數(shù)據(jù)采集單元傳送 至云計算單元以針對在線用戶進行解釋和顯示，并且其中系統(tǒng)設(shè)置使一個或多個發(fā)酵過程 的在線實時數(shù)據(jù)的測量能夠在至少一個發(fā)酵單元和/或數(shù)據(jù)采集單元中進行，
[0011] -其中系統(tǒng)設(shè)置還包括：
[0012] -個或多個實驗室模擬平臺和/或全規(guī)模過程，其包括與云計算單元數(shù)據(jù)連接的 所述至少一個發(fā)酵單元；
[0013] 并且其中數(shù)據(jù)采集單元連接至云計算單元，使得所有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋和數(shù)據(jù) 存儲集中在云計算單元上進行。
[0014] 在更詳細地討論本發(fā)明以前，可進一步解釋并討論上述一些定義。
[0015] "發(fā)酵單元"可例如構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的生物反應(yīng)器，如圖1所示。
[0016] "云計算"表示使用基于網(wǎng)絡(luò)的計算資源，其中計算時間和計算能力來自外部來 源。單詞"云"是指所用的具體硬件和軟件。這意味著用戶不一定需要他們自己的硬件組， 從而節(jié)省了時間和金錢。此外，表達"云計算單元"在使用的能力和手段方面還可以被視為 "遠程服務(wù)器"。
[0017] "數(shù)據(jù)庫"是硬件和網(wǎng)站之間的中介者。此處，存儲原始樣品數(shù)據(jù)、事件數(shù)據(jù)、日志 數(shù)據(jù)、儀器數(shù)據(jù)（不同狀態(tài)、儀器上次連接的時間等）。使用標準軟件允許數(shù)據(jù)庫容易地迀 移到另一位置（如果需要的話）。
[0018] 此外，本發(fā)明的關(guān)鍵特征是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)解釋和數(shù)據(jù)存儲的集中模式。這具 有若干優(yōu)點并在下文進一步討論。此外，當與目前所用的已知系統(tǒng)比較時這也是重要 的差別。參見例如在GaoL.etal.，"Developmentofremotecontrolledlabscale bioreactorusingvirtualinstrumenttechnology''，ITME2011-Proceedings: 2011 IEEEInternationalSymposiumonITinMedicineandEducation, 20111209-20111 211，vol.l,pages15_17(GaoL.等人，"使用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)遠程控制的實驗室規(guī)模 的生物反應(yīng)器"，《ITME2011-2011年醫(yī)學與教育信息化國際學術(shù)研討會會議論文集》， 2011 年 12 月 9 日-2011 年 12 月 11 日，第 1 卷，第 15-17 頁）和JagadeeshChandra A.Petal.，"Web-basedcollaborative1-14learningarchitectureforremote experimentoncontrolofbioreactor'senvironment''，JournalofSoftware,April 2009，vol.4，no.2，pages116-123(JagadeeshChandraA.P等人，"用于對生物反應(yīng)器環(huán)境 的控制進行遠程實驗的基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)作1-14學習架構(gòu)"，《軟件學報》，2009年4月，第4卷， 第2期，第116-123頁）中公開的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)將在下文進一步公開，其中這種數(shù)據(jù)處理 局部而非集中地執(zhí)行。
[0019] 采用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)置的一些優(yōu)點為：
[0020] -在連續(xù)監(jiān)測關(guān)鍵過程參數(shù)（例如沼氣流量）中的高測量性能（即精度和準確 度）；
[0021] -用于數(shù)據(jù)記錄和處理的長期穩(wěn)定性和大容量；
[0022] -配準參數(shù)、數(shù)據(jù)解釋和顯示的標準化以確保對在不同實驗室和全規(guī)模工廠中獲 得的結(jié)果的可靠比較；
[0023] _可容易地進行實驗設(shè)置和后續(xù)操作，以及可以使在線結(jié)果可視化的用戶友好界 面；
[0024]-過程監(jiān)測和控制的高可訪問性；以及
[0025]-使工業(yè)應(yīng)用和學術(shù)應(yīng)用的時間和勞動力需求最小化。
[0026] 之前已經(jīng)在發(fā)酵過程的技術(shù)領(lǐng)域討論了軟件的使用，然而未在根據(jù)本發(fā)明提出的 設(shè)置模式中實施。此外，任何如今現(xiàn)有的已知解決方案中未提供上述公開的優(yōu)點。
[0027] 作為涉及與發(fā)酵過程關(guān)聯(lián)的軟件的使用的一個例子，在W02010/120230中討論了 內(nèi)部開發(fā)的軟件程序，該軟件程序與測量裝置系統(tǒng)一起使用以記錄、顯示和計算數(shù)據(jù)，并對 結(jié)果進行分析。這顯示為DAQ(數(shù)據(jù)采集），其可以是連續(xù)和實時進行的計算機基礎(chǔ)記錄。此 外，在W02012/005667中還討論了借助于氣體流量計在計算機單元上在線配準氣體流量。 不僅氣體流量計可以連接到計算機單元，其他傳感器/探針/檢測器也可連接到計算機單 元以用于在線配準，如用于PH、溫度、壓力、氣體組成、料漿液位等的檢測器。
[0028] W02010/120230或W02012/005667均未公開根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)設(shè)置，其中該系統(tǒng) 包括一個或多個發(fā)酵單元；數(shù)據(jù)采集單元；以及具有數(shù)據(jù)庫、文件存儲能力、數(shù)據(jù)計算能力 和用戶界面能力的云計算單元。W0