一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法及系统

摘要

本发明属于沼气发酵测试技术领域，公开了一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法及系统，集水瓶通过第一导管与集气排水瓶连接，集气排水瓶上侧塞接有第一橡胶塞；集气排水瓶通过第二导管与气球连接，气球通过排气导管与发酵瓶连接；发酵瓶上侧塞接有第二橡胶塞，第二橡胶塞中间开设有两个通孔，两个通孔内分别穿设有取样导管和排气导管。本发明解决了发酵系统漏气、气体取样不均匀和取液样困难的问题，通过取样口管既可以取气样又可以取液样，不仅使取样更加简单，更保证了所取样品的可靠性。在整个取液和取气过程中，无需打开发酵瓶即可获得可靠的气样和液样，极大提高了发酵系统的稳定性，同时方便简洁，极大节省了成本。

说明书

技术领域

本发明属于沼气发酵测试技术领域，尤其涉及一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法及系统。

背景技术

目前，市场上现有的用于沼气批次发酵的装置全自动产甲烷潜力测试系统，如瑞典碧普的全自动甲烷潜力测试系统，该套系统自动化程度高，可以监测气体含量的变化，但气体含量的检测准确性不高，且售价昂贵，一套设备的市场售价格在15～20万左右，此外该系统无法监测发酵过程中发酵液的相关参数如，PH、VFAs等的变化。而用于批次沼气厌氧发酵的常规实验装置，主要是排水集气法，而排水集气法主要分为直接集气法和间接集气法，即三联集气排水法。

直接集气法是通过排气管将倒置在水槽中的带刻度量筒中的水挤压出去收集器。尽管可以直观看出反应装置的产气量，但是需要为每个装置配备一个水槽，并将充满水的量筒固定在水槽上，非常不便利。由于批次发酵一般有很多反应器，因此这种装置在实际操作中极为不便。而现阶段最常用的方法为三联集气排水法。

三联集气排水法由三个瓶子串联，如图6。其中A为发酵反应瓶，B为集气排水，C为集水瓶。A瓶进行厌氧发酵，产生沼气。随着A瓶和与B瓶相连管道中气压的升高，B中的水被挤压到C瓶，通过测量C中液体体积来间接测量A中的产气。但三联集气排水装置存在三个问题，第一，装置漏气问题。第二，系统内气体分布不均匀，导致取得的气样不具有代表性。第三，在保证发酵系统气体不被扰动情况下获得发酵液样品困难。

针对漏气问题有多种应对方法，如使用橡胶塞、换用密封性更好的反应瓶、硅胶垫片等，在一定程度上极大减少了漏气的可能性，但且费时费力。由于取样导管狭长，进入取样导管的气体流动性差，直接从取样导管处取得的气样不能很好代表发酵体系内部的气体情况，通常通过缩短取样导管长度或用取样针来回抽打多次以保证所取气样的代表性，但仍然很难保证所取气样与发酵体系气体环境的一致性。目前，实验室从发酵瓶中取液体样品的方法一般是开口取样和注射器取样两种方法。由于厌氧发酵是一个相对厌氧的发酵装置，对于其中发酵液的开口取样法不仅会使装置进入空气，也会影响发酵装置的气体环境，更为气体成分监测带来不便。对于注射器取样法，由于注射器针头较细，因此很难从杂质很多的发酵液中抽取液样。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的自动化发酵装置价格非常昂贵，且无法对发酵过程中发酵液理化性质的变化进行监测。

(2)现有的密封方式虽然在一定程度上极大减少了漏气的可能性，但且费时费力。

(3)开口取样法不仅会使装置进入空气，也会影响发酵装置的气体环境，更为气体成分监测带来不便。

(4)注射器取样多次进针容易使瓶塞漏气，此外，由于注射器针头较细，很难从杂质很多的发酵液中抽取液样。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法及系统。

本发明是这样实现的，一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统，所述沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统设置有集水瓶；

所述集水瓶通过第一导管与集气排水瓶连接，集气排水瓶上侧塞接有第一橡胶塞；

所述集气排水瓶通过第二导管与气球连接，气球通过排气导管与发酵瓶连接；

所述发酵瓶上侧塞接有第二橡胶塞，第二橡胶塞中间开设有两个通孔，两个通孔内分别穿设有取样导管和排气导管；

所述发酵瓶中加入发酵底物和接种物，集气排水瓶中装满水，集水瓶为敞口空瓶。

进一步，所述取样导管与排气导管通过导气管连接，导气管中间设置有第二开关。

进一步，所述第一橡胶塞和第二橡胶塞通过通孔密封固定有数据线，所述数据线为扁平数据线，可紧密贴附通过橡胶塞孔。

进一步，所述取样导管外端塞设有耳型硅胶塞，耳型硅胶塞外部有外伸的环形耳，中间有两个用于安插玻璃管的插孔，耳型以下是台型塞体。

进一步，所述第二橡胶塞下端固定有气压传感器。

进一步，所述发酵瓶内部设置有温度传感器和pH传感器，所述温度传感器和pH传感器设置在取样导管下端外侧。

进一步，所述沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统还包括：

温度检测模块，与中央控制模块连接，通过温度传感器检测发酵瓶内部的温度；

pH检测模块，与中央控制模块连接，用于通过pH传感器对发酵瓶内部的pH值进行检测；

气压检测模块，与中央控制模块连接，通过气压传感器检测发酵瓶内部的气压；

中央控制模块，分别与温度检测模块、气体检测模块、气压检测模块、数据传输模块、发酵温度控制模块、数据综合分析模块、报警模块和显示模块连接，协调各个模块的正常运行。

进一步，所述数据传输模块通过信号传输设备，用以数据的交互传输；

云服务模块，与数据传输模块连接，通过云服务器利用大数据技术对整体系统数据进行处理；

发酵温度控制模块，通过温度调节器，改变发酵瓶温度；数据综合分析模块通过数据处理程序，对整体系统数据进行处理；

报警模块，通过报警设备，用以报警警示；显示模块通过显示屏，用以显示相应的数据。

进一步，所述数据综合分析模块通过数据处理程序，对整体系统数据进行处理的具体过程为：

将温度检测模块、气体检测模块、气压检测模块、数据传输模块、发酵温度控制模块、数据综合分析模块、报警模块和显示模块对应的数据，建立数据集合；

对数据集合中的数据进行分类，提取对应的目标特征；

通过融合算法获取融合目标特征量，进行目标分类识别。

本发明的另一目的在于提供一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法，所述沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法，包括：

步骤一，在进行发酵时，取样导管关闭，发酵瓶中产生沼气，使系统内部气压升高，气体沿导管进入集气排水瓶中，并将集气排水瓶中的水排入敞口空瓶中；

步骤二，在取液体样时，关闭第一开关，阻断取样导管和排气导管内气体的连通，关闭第二开关，阻断导气管，打开取样导管，通过挤压气球使系统内液体排出；

步骤三，由于取样口导管伸入液面一下，导管内的液体起到液封的作用，能有效阻止外界气体进入系统内部；

步骤四，通过挤压气球，发酵瓶气压增加，液体沿取样导管从取样导管稳定流出；

步骤五，在取气样时，关闭取样导管，关闭第二开关，打开第一开关，使导管内气体相连通，此时取样导管和排气导管联通，关闭第二开关，通过连续挤压释放气球，使发酵体系内部气体充分混合均匀，使用取样针从取样导管取气样。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明解决了发酵系统漏气、气体取样不均匀和取液样困难的问题，并创新设计了取样导管，取样导管既可以取气样又可以取液样，不仅使取样更加简单，更保证了所取样品的可靠性。在整个取液和取气过程中，无需打开发酵瓶即可获得可靠的气样和液样，极大提高了发酵系统的稳定性。通过自动化的压力传感器和温度传感器，实时监测发酵系统内部的发酵情况，方便了发酵系统稳定性监测和稳定性预测，同时该设计方便简洁，极大节省了批次发酵的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的发酵瓶的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的耳型硅胶塞的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法流程图。

图5是本发明实施例提供的沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统中控制系统结构示意图。

图6是本发明实施例提供的现有技术中三联集气排水装置结构示意图。

图中：1、集水瓶；2、第一导管；3、第二导管；4、第一橡胶塞；5、集气排水瓶；6、气球；7、取样导管；8、发酵瓶；9、第一开关；10、排气导管；11、导气管；12、第二开关；13、气压传感器；14、温度传感器、pH传感器；15、第二橡胶塞；16、耳型硅胶塞；17、温度检测模块；18、pH检测模块；19、气压检测模块；20、显示模块；21、中央控制模块；22、数据传输模块；23、云服务模块；24、发酵温度控制模块；25、数据综合分析模块；26、报警模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1～图2所示，本发明实施例提供的沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统中的集水瓶1通过第一导管2与集气排水瓶5连接，集气排水瓶5上侧塞接有第一橡胶塞4；集气排水瓶5通过第二导管3与气球6连接，气球6通过排气导管10与发酵瓶8连接；发酵瓶8上侧塞接有第二橡胶塞15，第二橡胶塞15中间开设有两个通孔，两个通孔内分别穿设有取样导管7和排气导管10；在进行发酵时，发酵瓶8中加入发酵底物和接种物，以进行沼气发酵。集气排水瓶中装满水，集水瓶为敞口空瓶。取样导管7与排气导管10通过导气管11连接，导气管11中间设置有第二开关12。第一橡胶塞4和第二橡胶塞15通过通孔密封固定有数据线。第二橡胶塞15下端固定有气压传感器13。发酵瓶8内部设置有温度传感器和pH传感器14，温度传感器和pH传感器设置在取样导管7下端外侧。

如图3所示，取样导管7外端塞设有耳型硅胶塞16，耳型硅胶塞16外部有外伸的环形耳，中间有两个用于安插玻璃管的插孔，耳型以下是台型塞体。耳型硅胶塞为让装置具有更好的密闭性设计了双重保障，第一，耳型硅胶塞外部有外伸的环形耳，环型耳相当于与防漏气垫片，通过瓶塞压紧，极大排除了漏气可能性。第二，该设计采用硅胶材质，利用硅胶柔韧性好的特性，塞体尺寸略大于瓶口，插孔尺寸略小于玻璃管直径。插入玻璃管后，通过挤压让台型塞体紧贴瓶口，进一步提升系统气密性。

如图4所示，本发明实施例提供的沼气发酵批次试验气液共取样的实验系统还包括：

温度检测模块17，与中央控制模块连接，通过温度传感器检测发酵瓶内部的温度；

pH检测模块18，与中央控制模块连接，用于通过pH传感器对发酵瓶内部的pH值进行检测；

气压检测模块19，与中央控制模块连接，通过气压传感器检测发酵瓶内部的气压；

中央控制模块21，分别与温度检测模块、气体检测模块、气压检测模块、数据传输模块、发酵温度控制模块、数据综合分析模块、报警模块和显示模块连接，协调各个模块的正常运行。

数据传输模块22，通过信号传输设备，用以数据的交互传输；

云服务模块23，与数据传输模块连接，通过云服务器利用大数据技术对整体系统数据进行处理；

发酵温度控制模块24，通过温度调节器，改变发酵瓶温度；数据综合分析模块通过数据处理程序，对整体系统数据进行处理；

报警模块25，通过报警设备，用以报警警示；显示模块通过显示屏，用以显示相应的数据。

进一步，数据综合分析模块通过数据处理程序，对整体系统数据进行处理的具体过程为：

将温度检测模块、气体检测模块、气压检测模块、数据传输模块、发酵温度控制模块、数据综合分析模块、报警模块和显示模块对应的数据，建立数据集合；

对数据集合中的数据进行分类，提取对应的目标特征；

通过融合算法获取融合目标特征量，进行目标分类识别。

本发明实施例提供的数据综合分析模块通过数据处理程序，对整体系统数据进行处理的具体过程为：

将温度检测模块、气体检测模块、气压检测模块、数据传输模块、发酵温度控制模块、数据综合分析模块、报警模块和显示模块对应的数据，建立数据集合；

对数据集合中的数据进行分类，提取对应的目标特征；

通过融合算法获取融合目标特征量，进行目标分类识别。

如图5所示，本发明实施例提供的沼气发酵批次试验气液共取样的实验方法，包括：

S101，在进行发酵时，取样导管关闭，发酵瓶中产生沼气，使系统内部气压升高，气体沿导管进入集气排水瓶中，并将集气排水瓶中的水排入敞口空瓶中；

S102，在取液体样时，关闭第一开关，阻断取样导管和排气导管内气体的连通，关闭第二开关，阻断导气管，打开取样导管，通过挤压气球使系统内液体排出；

S103，由于取样口导管伸入液面一下，导管内的液体起到液封的作用，能有效阻止外界气体进入系统内部；

S104，通过挤压气球，发酵瓶气压增加，液体沿取样导管从取样导管稳定流出；

S105，在取气样时，关闭取样导管，关闭第二开关，打开第一开关，使导管内气体相连通，此时取样导管和排气导管联通，关闭第二开关，通过连续挤压释放气球，使发酵体系内部气体充分混合均匀，使用取样针从取样导管取气样。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。