[發(fā)明專利]高效生物膜光生物反應器在線測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310483837.1
• 申請日: 2013-10-16
• 公開（公告）號: CN103487385A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發(fā)明（設計）人: 朱恂;鐘年丙;廖強;陳蓉;王宏;葉丁丁;丁玉棟;李俊
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G01B11/06;G01K11/32;G01N27/00
• 代理公司: 重慶博凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50212
• 代理人: 穆祥維

1.高效生物膜光生物反應器在線測量方法，其特征在于，該在線測量方法中采用了一種在線測量系統(tǒng)，該在線測量系統(tǒng)包括生物膜光生物反應器系統(tǒng)，生物量濃度、生物膜厚度傳感系統(tǒng)，F(xiàn)BG溫度傳感系統(tǒng)，氫濃度和PH傳感系統(tǒng)；

所述生物膜光生物反應器系統(tǒng)包括光生物反應器、反應器光源（7）、蠕動泵Ⅰ（4）、恒溫水浴Ⅰ（1）、培養(yǎng)基儲液瓶（3）、氣體收集瓶（13）、氣液分離瓶（10）和反應器內(nèi)液相pH調(diào)節(jié)旁路；所述光生物反應器包括受光板（5）、空芯光纖（6）、折流板（40）、反應器固定板（42）、反應器箱體（41）和反應器搖擺支架（9）；所述反應器箱體（41）為圓柱形并由透明的有機玻璃制成，所述反應器箱體（41）的一端固定在受光板（5）上并與反應器光源（7）對應，所述反應器箱體（41）的另一端固定在折流板（40）的一側(cè)上，所述反應器固定板（42）設置在折流板（40）的外側(cè)，在折流板（40）的另一側(cè)與反應器固定板（42）之間設置培養(yǎng)基儲存腔（43），所述折流板（40）上設有多個通孔，所述培養(yǎng)基儲存腔（43）通過通孔與反應器箱體（41）內(nèi)相通，在反應器固定板（42）上設有培養(yǎng)基入液口（44）和多個傳感器安裝口Ⅰ（45），所述培養(yǎng)基入液口（44）與培養(yǎng)基儲存腔（43）內(nèi)連通，所述受光板（5）上設有與反應器箱體（41）內(nèi)相通的出液口（46）；所述反應器搖擺支架（9）設置在反應器箱體（41）的下方，反應器搖擺支架（9）和反應器箱體（41）之間設置彈簧（57），所述反應器箱體（41）內(nèi)均布設置多根沿反應器箱體（41）的軸向設置的空芯光纖（6）；所述反應器箱體（41）上設置傳感器安裝口Ⅱ（47）和均布設置數(shù)個PH調(diào)節(jié)通道（48）；所述培養(yǎng)基儲液瓶（3）設置在恒溫水浴Ⅰ（1）中，所述蠕動泵Ⅰ（4）的進口通過管路與培養(yǎng)基儲液瓶（3）內(nèi)連通，所述蠕動泵Ⅰ（4）的出口通過管路與培養(yǎng)基入液口（44）連通；所述反應器內(nèi)液相pH調(diào)節(jié)旁路包括恒溫水浴Ⅱ（49）、氫氧化鈉儲液瓶（50）、蠕動泵Ⅱ（51）和分流器（16），所述氫氧化鈉儲液瓶（50）設置在恒溫水浴Ⅱ（49）中，所述蠕動泵Ⅱ（51）的進口通過管路與氫氧化鈉儲液瓶（50）內(nèi)連通，所述蠕動泵Ⅱ（51）的出口通過管路與分流器（16）的進口連接，所述分流器（16）的出口分別通過管路與數(shù)個PH調(diào)節(jié)通道（48）一一對應連通；所述出液口（46）通過管路與氣液分離瓶（10）的進口連通，所述氣液分離瓶（10）的出口通過管路分別與氣體收集瓶（13）連接和培養(yǎng)基儲液瓶（3）連接，在靠近氣體收集瓶（13）的管路上設置開關(guān)閥Ⅰ（12），在靠近培養(yǎng)基儲液瓶（3）的管路上設置開關(guān)閥Ⅱ（11）；

所述生物量濃度、生物膜厚度傳感系統(tǒng)包括光纖光源（25）、濾光片（26）、多模光纖（27）、光分路器（28）、光耦合器（29）、生物量濃度傳感探頭（30）、生物膜厚度傳感器（34）、光纖光譜儀（31）、計算機Ⅰ（24）和光功率計（35）；所述生物量濃度傳感探頭（30）采用反射式光纖傳感探頭，所述反射式光纖傳感探頭安裝在傳感器安裝口Ⅱ（47）內(nèi)；所述光纖光源（25）發(fā)出的光經(jīng)過濾光片（26）進入多模光纖（27），多模光纖（27）與光分路器（28）連接，所述光分路器（28）輸出的一路光線通過多模光纖與光耦合器（29）連接，所述光耦合器（29）的出光口通過多模光纖與反射式光纖傳感探頭連接，所述光耦合器（29）的反射光出口通過多模光纖與光纖光譜儀（31），光纖光譜儀（31）與計算機Ⅰ（24）連接；所述生物膜厚度傳感器（34）包括倏逝波傳感臂（52）和參考臂（53），所述倏逝波傳感臂（52）由多模石英光纖在其一側(cè)腐蝕一段凹槽制成，所述參考臂（53）由多模石英光纖在其一側(cè)腐蝕一段凹槽并在凹槽內(nèi)設置聚四氟乙烯濾膜制成；所述倏逝波傳感臂（52）為多根并設置在反應器箱體（41）內(nèi)，所述參考臂（53）設置在反應器箱體（41）內(nèi)，倏逝波傳感臂（52）和參考臂（53）的一端伸出受光板（5），倏逝波傳感臂（52）和參考臂（53）的另一端穿過折流板（40）和培養(yǎng)基儲存腔（43）并伸出反應器固定板（42）；所述倏逝波傳感臂（52）和參考臂（53）的兩端分別連接光纖連接器Ⅰ（32）；所述光分路器（28）輸出的另一路光線依次通過多模光纖、光纖連接器Ⅱ（54）和光纖耦合器（33）與靠近反應器固定板（42）的光纖連接器Ⅰ（32）連接；靠近受光板（5）的光纖連接器Ⅰ（32）依次通過光纖耦合器（33）、光纖連接器Ⅱ（54）和多模光纖與光功率計（35）連接，所述光功率計（35）與計算機Ⅱ（24）連接；

所述FBG溫度傳感系統(tǒng)包括FBG光源（36）、單模光纖Ⅰ（55）、光纖隔離器（56）、3dB耦合器（37）、溫度傳感器單元（38）和光纖光柵解調(diào)儀（39）；所述溫度傳感器單元（38）采用光纖Bragg光柵，所述單模光纖Ⅰ（55）沿反應器箱體（41）的軸向設置，其一端伸出穿過折流板（40）和培養(yǎng)基儲存腔（43）并伸出反應器固定板（42）與3dB耦合器（37）連接，在單模光纖Ⅰ（55）上均布設有多個光纖Bragg光柵，所述FBG光源（36）的出光口通過光纖隔離器（56）和單模光纖Ⅱ與3dB耦合器（37）的入光口連接，所述3dB耦合器（37）的反射光出口通過單模光纖Ⅱ和光纖隔離器（56）與光纖光柵解調(diào)儀（39）連接，光纖光柵解調(diào)儀（39）與計算機Ⅰ（24）連接；

所述氫濃度和PH傳感系統(tǒng)包括H₂電極（18）、pH參考電極（19）、pH電極（20）、氫電極信號轉(zhuǎn)換器（21）、pH電極信號轉(zhuǎn)換器（22）、皮安表主機（23）和計算機Ⅱ（24）；所述H₂電極（18）、pH參考電極（19）和pH電極（20）均插入氣液分離瓶（10）內(nèi)，H₂電極（18）的位置高于pH參考電極（19）和pH電極（20）的位置，所述H₂電極（18）與氫電極信號轉(zhuǎn)換器（21）連接，所述pH參考電極（19）和pH電極（20）與pH電極信號轉(zhuǎn)換器（22）連接，所述氫電極信號轉(zhuǎn)換器（21）和pH電極信號轉(zhuǎn)換器（22）與計算機Ⅱ（24）連接；

該在線測量方法包括如下步驟：

1）首先向培養(yǎng)基儲液瓶（3）內(nèi)注入接種好的光合細菌菌懸液，向氫氧化鈉儲液瓶（50）內(nèi)注入氫氧化鈉溶液，關(guān)閉開關(guān)閥Ⅰ（12），開啟開關(guān)閥Ⅱ（11）；然后開啟蠕動泵Ⅰ（4），通過蠕動泵Ⅰ（4）向培養(yǎng)基儲存腔（43）內(nèi)通入光合細菌菌懸液，培養(yǎng)基儲存腔（43）內(nèi)的光合細菌菌懸液通過折流板（40）上的通孔流向反應器箱體（41）內(nèi)，反應器箱體（41）內(nèi)光合細菌菌懸液再通過出液口（46）和氣液分離瓶（10）流回培養(yǎng)基儲液瓶（3），使系統(tǒng)處于第一個階段；第一個階段是將接種好的光合細菌菌懸液采用閉式循環(huán)的方式通入反應器，光合細菌菌懸液的流速控制在60～120?mL/h，反應器箱體（41）內(nèi)的液相溫度為30?℃，接種前培養(yǎng)基的碳源濃度為9～15?g/L?mM；通過蠕動泵Ⅱ（51）向反應器箱體（41）內(nèi)均勻的注入氫氧化鈉溶液，通過pH參考電極（19）和pH電極（20）檢測pH值，使反應器箱體（41）內(nèi)的光合細菌菌懸液的pH值為7.0，待光合細菌菌懸液充滿反應器箱體（41）后繼續(xù)運行6～10?h，然后靜置24～36?h；

2）向培養(yǎng)基儲液瓶（3）內(nèi)注入培養(yǎng)基，關(guān)閉開關(guān)閥Ⅱ（11），開啟開關(guān)閥Ⅰ（12），使系統(tǒng)運行第二個階段；第二個階段是采用連續(xù)流動培養(yǎng)的方式，向反應器箱體（41）內(nèi)連續(xù)地通入pH為7.0新鮮培養(yǎng)基，培養(yǎng)基流速維持在60～120?mL/h，流入反應器箱體（41）內(nèi)的培養(yǎng)基溫度維持在30?℃；培養(yǎng)基的廢液通過氣體收集瓶（13）后直接排出反應器系統(tǒng)。