一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，包括除水裝置和氣體檢測(cè)室，氣體檢測(cè)室包括進(jìn)氣端和出氣端，進(jìn)氣端與出氣口相連，其內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器；單片機(jī)與氧氣傳感器和二氧化碳傳感器相連；散熱風(fēng)扇；電源與氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、散熱風(fēng)扇相連；PC終端與單片機(jī)相連。本實(shí)用新型構(gòu)造簡(jiǎn)易，實(shí)用性強(qiáng)，造價(jià)成本低，可以長(zhǎng)時(shí)期在線連續(xù)運(yùn)行，排除了尾氣水分對(duì)檢測(cè)的影響，并且能夠同時(shí)完成氧氣和二氧化碳兩種氣體含量的在線檢測(cè)，從而獲得發(fā)酵過程中重要的呼吸代謝參數(shù)，如CER、OUR、RQ等。
【專利說明】一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，屬于生物發(fā)酵過程檢測(cè)類制造【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]發(fā)酵是生物工程領(lǐng)域一項(xiàng)最基本的技術(shù)，發(fā)酵的產(chǎn)量和質(zhì)量是發(fā)酵工程的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。發(fā)酵中尾氣某些組分濃度變化可以反映整個(gè)發(fā)酵過程物質(zhì)的變化情況，特別是尾氣中氧氣和二氧化碳濃度的變化，能夠體現(xiàn)出發(fā)酵過程中相關(guān)的重要信息。
[0003]為了提高發(fā)酵工程的產(chǎn)量和質(zhì)量，控制發(fā)酵過程的主要參數(shù)是必不可少的?，F(xiàn)階段利用計(jì)算機(jī)對(duì)復(fù)雜的發(fā)酵過程進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)、分析和實(shí)施過程的最優(yōu)化控制越來越受到人們的極大關(guān)注。由于發(fā)酵過程變量檢測(cè)的復(fù)雜性，導(dǎo)致菌體的濃度、比生長(zhǎng)率、產(chǎn)物生成率等參數(shù)難以直接在線測(cè)量，但是通過在線測(cè)量與這些變量相關(guān)的一些參數(shù)，例如，尾氣中的氧氣、二氣化碳等氣體濃度的變化，可以得到這些變量的最優(yōu)估計(jì)值，從而為實(shí)施生化過程的在線最優(yōu)控制提供先決條件。
[0004]通過發(fā)酵尾氣中的氧氣及二氧化碳的在線檢測(cè)分析，可以獲得發(fā)酵過程中重要的呼吸代謝參數(shù)，如二氧化碳釋放速率(CER)、攝氧率(OUR)、呼吸商(RQ)等。這些參數(shù)反映了微生物在發(fā)酵過程中的代謝狀況，尤其能夠提供從生長(zhǎng)到生產(chǎn)過渡或者主要基質(zhì)間的代謝過渡指標(biāo)。在發(fā)酵工程領(lǐng)域中，測(cè)定尾氣中所含二氧化碳、氧氣的濃度，對(duì)發(fā)酵過程的優(yōu)化、控制以及故障診斷處理中都展現(xiàn)出極其重要的作用，因此尾氣中氧氣和二氧化碳成為主要檢測(cè)項(xiàng)目。
[0005]目前尾氣的在線檢測(cè)在石油、化工、冶金、環(huán)保、汽車等方面得到了廣泛的應(yīng)用，但是能夠在生物發(fā)酵工程中應(yīng)用的工業(yè)化在線檢測(cè)設(shè)備還比較少。發(fā)酵過程研究中需要高精度測(cè)量尾氣時(shí)，一般使用質(zhì)譜儀，但對(duì)于工業(yè)化發(fā)酵生產(chǎn)尾氣的檢測(cè)沒有必要采取如此高精度的檢測(cè)，而且這類裝置普遍較昂貴，操作與維護(hù)復(fù)雜，適用性不廣。
[0006]另一種尾氣檢測(cè)方式則是在發(fā)酵過程中采用紅外氣體分析儀和磁氧儀組合型檢測(cè)系統(tǒng)，此種方式雖然可以同時(shí)在線檢測(cè)二氧化碳和氧氣的濃度，但是存在成本高，設(shè)備復(fù)雜，可移植性較差等缺點(diǎn)。發(fā)酵生產(chǎn)工業(yè)普遍使用以上所述的氧氣和二氧化碳檢測(cè)裝置，但這些檢測(cè)設(shè)備在成本方面、檢測(cè)參數(shù)方面、精度方面以及安裝方式方面都不適用于發(fā)酵工程生產(chǎn)。隨著生物【技術(shù)領(lǐng)域】和傳感器相關(guān)檢測(cè)控制領(lǐng)域不斷相互滲透，嵌入式以及模塊化、操作與維護(hù)簡(jiǎn)便適合于發(fā)酵工程的專業(yè)在線氣體檢測(cè)設(shè)備越來越受到各實(shí)驗(yàn)室和工廠的重視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出了一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置。
[0008]為了上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:[0009]一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，包括:除水裝置，所述除水裝置包括進(jìn)氣口和出氣口，所述進(jìn)氣口連接發(fā)酵罐出氣口 ；氣體檢測(cè)室，所述氣體檢測(cè)室包括進(jìn)氣端和出氣端，所述進(jìn)氣端與所述出氣口相連，所述氣體檢測(cè)室內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器；單片機(jī)，所述單片機(jī)通過導(dǎo)線與所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器相連；散熱風(fēng)扇；電源，所述電源與所述氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、散熱風(fēng)扇相連；PC終端，所述PC終端通過數(shù)據(jù)線與所述單片機(jī)相連。
[0010]優(yōu)選的，所述散熱風(fēng)扇為兩個(gè)，分別與所述單片機(jī)和電源相對(duì)應(yīng)。
[0011]優(yōu)選的，所述氣體檢測(cè)室、單片機(jī)、電源、散熱風(fēng)扇均安裝在接線盒內(nèi)。
[0012]優(yōu)選的，所述除水裝置包括Nafion管和氣泵，氣泵用于為Nafion管提供相對(duì)氣流。
[0013]優(yōu)選的，所述進(jìn)氣口設(shè)有過濾器。
[0014]優(yōu)選的，所述電源為穩(wěn)壓開關(guān)電源。穩(wěn)壓開關(guān)電源為雙路電壓輸出，為氧氣傳感器和二氧化碳傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓。
[0015]優(yōu)選的，所述單片機(jī)為Arduino單片機(jī)。Arduino單片機(jī)用于傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理及與PC終端通信。
[0016]優(yōu)選的，所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器均為光學(xué)傳感器。
[0017]上述裝置的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的方法，可以是，包括以下步驟:
[0018](I)將氣體檢測(cè)室、Arduino單片機(jī)、穩(wěn)壓開關(guān)電源和兩個(gè)散熱風(fēng)扇集成安裝在接線盒內(nèi)，并利用所述兩個(gè)散熱風(fēng)扇分別為Arduino單片機(jī)、穩(wěn)壓開關(guān)電源散熱；
[0019](2)將發(fā)酵罐出氣口連接Nafion管的進(jìn)氣口，利用氣泵為Nafion管提供相對(duì)氣流，去除尾氣中大部分水分，Nafion管的出氣口通過管路連接到氣體檢測(cè)室內(nèi)，并通過氣體檢測(cè)室內(nèi)的氧氣傳感器和二氧化碳傳感器同時(shí)檢測(cè)尾氣中的二氧化碳和氧氣含量；
[0020](3)氧氣傳感器和二氧化碳傳感器分別把檢測(cè)到的二氧化碳和氧氣含量的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給Arduino單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計(jì)算；
[0021](4) Arduino單片機(jī)處理后將濃度數(shù)據(jù)和呼吸商數(shù)據(jù)傳遞至PC終端，PC終端通過數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實(shí)時(shí)顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計(jì)算得出的呼吸商值，并將數(shù)據(jù)繪制成實(shí)時(shí)圖形，所述實(shí)時(shí)圖形均以時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值；且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動(dòng)保存所有接收的數(shù)據(jù)。
[0022]本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)思路基于生物發(fā)酵呼吸商是二氧化碳生成量與氧氣消耗量的比值，只要測(cè)定發(fā)酵尾氣中二氧化碳和氧氣的含量，就能計(jì)算出呼吸商，本實(shí)用新型采用專一性強(qiáng)、靈明度高、微功耗的光學(xué)傳感器，選擇性檢測(cè)尾氣中的二氧化碳和氧氣含量，傳感器發(fā)送的數(shù)字信號(hào)通過Arduino單片機(jī)轉(zhuǎn)換、計(jì)算后傳遞至PC終端數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實(shí)時(shí)顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計(jì)算得出的呼吸商值。且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動(dòng)保存所有接收的數(shù)據(jù)。
[0023]本實(shí)用新型技術(shù)方案針對(duì)發(fā)酵尾氣水分含量高這一問題，采用了 Nafion管除水裝置，去除尾氣中大部分水分，使進(jìn)入氣體檢測(cè)室的氣體相對(duì)濕度在傳感器檢測(cè)范圍內(nèi)，避免了水蒸氣凝結(jié)對(duì)傳感器的影響，保證其能長(zhǎng)期在線正常工作。
[0024]本實(shí)用新型的有益效果如下:[0025]1、裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，組裝簡(jiǎn)單，可移植性強(qiáng)，可以嵌入其它大型發(fā)酵檢測(cè)系統(tǒng)。
[0026]2、裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，整體功耗低，節(jié)約能源。
[0027]3、氣體傳感器均采用光學(xué)傳感器，精度高，使用壽命長(zhǎng)，選擇性好，抗干擾能力強(qiáng)。
[0028]4、同時(shí)完成生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳兩種氣體的在線測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)發(fā)酵過程的CER、OUR和呼吸商。
[0029]5、維護(hù)簡(jiǎn)單，可以長(zhǎng)期在線運(yùn)行。
[0030]6、成本低，易于量產(chǎn)，為發(fā)酵行業(yè)提供了一種實(shí)用簡(jiǎn)便的在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，不僅適用于實(shí)驗(yàn)室小型發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，也適用于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)。
[0031]本實(shí)用新型的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本實(shí)用新型的實(shí)踐了解到。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]本實(shí)用新型的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0033]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2為本實(shí)用新型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部分電路原理圖。
[0035]圖中1.Nafion管,2.氣泵,3.Arduino單片機(jī),4.氧氣傳感器,5.開關(guān)電源,6.散熱風(fēng)扇，7.出氣端,8.氣體檢測(cè)室,9.PC終端，10.二氧化碳傳感器。
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置作進(jìn)一步說明。
[0037]實(shí)施例:接線盒采用鋁合金，氣體檢測(cè)室8及其上的進(jìn)氣端、出氣端7均采用有機(jī)玻璃管，采用Nafion管除水裝置去除氣體水分，穩(wěn)壓開關(guān)電源采用市售220V開關(guān)電源且在其側(cè)面安裝有散熱風(fēng)扇6促進(jìn)散熱，氣體傳感器為紅外二氧化碳傳感器10和氧氣傳感器4。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)3為中心，通過導(dǎo)線連接光學(xué)傳感器，光學(xué)傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)至Arduino單片機(jī)3,傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino單片機(jī)3處理后通過數(shù)據(jù)線發(fā)送到PC終端9,PC終端9的數(shù)據(jù)繪圖分析軟件實(shí)時(shí)顯示從Arduino單片機(jī)3傳送來的數(shù)據(jù)。
[0038]如圖1、2所示，一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其結(jié)構(gòu)構(gòu)成為:它包括PC終端9和氣體檢測(cè)儀，所述氣體檢測(cè)儀又包括除水裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0039]所述除水裝置包括Nafion管I和氣泵2，氣泵2用于為Nafion管I提供相對(duì)氣流。Nafion管I包括一個(gè)進(jìn)氣口和一個(gè)出氣口，Nafion管I的進(jìn)氣口連接發(fā)酵罐出氣口，Nafion管I的進(jìn)氣口上還設(shè)有過濾器。
[0040]所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括接線盒、Arduino單片機(jī)3、氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10。氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10均光學(xué)傳感器。所述接線盒中集成裝有開關(guān)電源5、兩個(gè)散熱風(fēng)扇6、氣體檢測(cè)室8。氣體檢測(cè)室8包括一個(gè)進(jìn)氣端和一個(gè)出氣端7，進(jìn)氣端與出氣口相連，氣體檢測(cè)室8內(nèi)設(shè)有所述氧氣傳感器4和所述二氧化碳傳感器10。開關(guān)電源5為雙路電壓輸出，為氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10提供穩(wěn)定的工作電壓。Arduino單片機(jī)3通過導(dǎo)線與氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10相連。開關(guān)電源5與氧氣傳感器4、二氧化碳傳感器10、兩個(gè)散熱風(fēng)扇6相連。PC終端9通過數(shù)據(jù)線與Arduino單片機(jī)3相連。兩個(gè)散熱風(fēng)扇6安裝在接線盒上且分別與Arduino單片機(jī)3和開關(guān)電源5相對(duì)應(yīng)。
[0041]PC終端9裝有數(shù)據(jù)繪圖分析軟件；所述數(shù)據(jù)繪圖分析軟件用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)圖形顯示；所述實(shí)時(shí)圖形均以時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值。
[0042]上述裝置的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的方法，包括以下步驟:
[0043](I)將氣體檢測(cè)室8、Arduino單片機(jī)3、開關(guān)電源5和兩個(gè)散熱風(fēng)扇6集成安裝在接線盒內(nèi)，并利用兩個(gè)散熱風(fēng)扇6分別為Arduino單片機(jī)3、開關(guān)電源5散熱；
[0044](2)將發(fā)酵罐出氣口連接Nafion管I的進(jìn)氣口，利用氣泵2為Naf ion管I提供相對(duì)氣流，去除尾氣中大部分水分，Nafion管I的出氣口通過管路連接到氣體檢測(cè)室8內(nèi)，并通過氣體檢測(cè)室8內(nèi)的氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10同時(shí)檢測(cè)尾氣中的二氧化碳和氧氣含量；
[0045](3)氧氣傳感器4和二氧化碳傳感器10分別把檢測(cè)到的二氧化碳和氧氣含量的數(shù)字信號(hào)發(fā)送給Arduino單片機(jī)3進(jìn)行轉(zhuǎn)換、計(jì)算；
[0046](4) Arduino單片機(jī)3處理后將濃度數(shù)據(jù)和呼吸商數(shù)據(jù)傳遞至PC終端9，PC終端9通過數(shù)據(jù)繪圖分析軟件，實(shí)時(shí)顯示二氧化碳含量、氧氣含量及經(jīng)計(jì)算得出的呼吸商值，并將數(shù)據(jù)繪制成實(shí)時(shí)圖形，實(shí)時(shí)圖形均以時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)分別為氣體濃度、CER、OUR和呼吸商值；且該數(shù)據(jù)繪圖分析軟件通過設(shè)定即可自動(dòng)保存所有接收的數(shù)據(jù)。
[0047]本實(shí)用新型的裝置構(gòu)造簡(jiǎn)易，實(shí)用性強(qiáng)，造價(jià)成本低，可以長(zhǎng)時(shí)期在線連續(xù)運(yùn)行，通過Nafion管除水裝置去除發(fā)酵尾氣中的水分，排除了尾氣水分對(duì)檢測(cè)的影響，并且能夠同時(shí)完成氧氣和二氧化碳兩種氣體含量的在線檢測(cè)，從而獲得發(fā)酵過程中重要的呼吸代謝參數(shù)，如二氧化碳釋放速率(CER)、攝氧率(OUR)、呼吸商(RQ)等。
[0048]以上對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本實(shí)用新型并不限制與以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行的等同修改和替代也都在本實(shí)用新型的范疇之中。因此，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍下所做的均等同變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，包括: 除水裝置，所述除水裝置包括進(jìn)氣口和出氣口，所述進(jìn)氣口連接發(fā)酵罐出氣口 ； 氣體檢測(cè)室，所述氣體檢測(cè)室包括進(jìn)氣端和出氣端，所述進(jìn)氣端與所述出氣口相連，所述氣體檢測(cè)室內(nèi)設(shè)有氧氣傳感器和二氧化碳傳感器； 單片機(jī)，所述單片機(jī)通過導(dǎo)線與所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器相連； 散熱風(fēng)扇； 電源，所述電源與所述氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、散熱風(fēng)扇相連； PC終端，所述PC終端通過數(shù)據(jù)線與所述單片機(jī)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述散熱風(fēng)扇為兩個(gè)，分別與所述單片機(jī)和電源相對(duì)應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述氣體檢測(cè)室、單片機(jī)、電源、散熱風(fēng)扇均安裝在接線盒內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述除水裝置包括Nafion管和氣泵，氣泵用于為Nafion管提供相對(duì)氣流。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述進(jìn)氣口設(shè)有過濾器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述電源為穩(wěn)壓開關(guān)電源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述單片機(jī)為Arduino單片機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測(cè)生物發(fā)酵尾氣中氧氣和二氧化碳的裝置，其特征在于，所述氧氣傳感器和二氧化碳傳感器均為光學(xué)傳感器。
【文檔編號(hào)】G01N35/00GK203745475SQ201420147373
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】李暉, 肖乾坤, 劉澤蒙, 陳可泉, 韋萍, 歐陽平凱 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)