一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置的製作方法
2023-05-19 02:23:31 2
專利名稱：一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明公開一種一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，屬於發酵尾氣檢測類製造技術領域。
背景技術：
現代生物工藝過程中，發酵和細胞培養的優化及控制很大程度上直接取決於其檢測手段。 尾氣分析不但能有效地優化生物工藝，並且可以避免直接檢測發酵液帶來的染菌及其它對發 酵過程的不利影響。因此尾氣的在線檢測在發酵及細胞培養領域的應用越來越受到重視。
發酵過程中從發酵罐排氣口排出的尾氣，溫度一般在27 37'C，溼度為100 %，壓力一 般小於0.05MPa，主要成分為氮氣，氧氣，二氧化碳，根據發酵項目的不同還會有甲醇、乙 醇、乙酸、乙醛、氨等揮發性氣體。同時在線檢測二氧化碳和氧氣濃度，可計算出呼吸商， 對指導發酵優化控制很有意義，故成為尾氣在線檢測的主要項目。
目前應用於化工、冶金、石油、煤炭、建材、環保、汽車等方面的氣體在線檢測設備LA 較普遍，但用於發酵行業的尾氣在線檢測設備甚少。發酵行業對發酵尾氣的在線檢測採用以 下方法
方法1，採用質譜儀。優點是檢測精度高，可同時測量多組分，適於作分析，但對發酵 在線檢測高精度沒有必要。這類設各昂貴，少則十幾萬多則幾十萬，且操作複雜，需經常維 護，因而僅在極少數實力雄厚的高校實驗室使用。
方法2，採用通用氣體分析儀組合。 一般是採用紅外氣體分析儀和磁氧儀的組合。紅外 氣體分析儀是基於不同氣體對紅外線有選擇性的吸收原理而設計的，可用來分析各種非對稱 多原子氣體,如:NH3、 C02、 CO、 C H4 、 NO、 S02及水蒸氣等，但不能用來分析同一 種原子構成的多原子氣體以及惰性氣體,如:N2、 Cl2、 H2、 02以及He、 Ne、 Ar等。 磁氧儀是利用氧分子在磁場中具有很高的順磁性設計而成。在發酵尾氣在線檢測中，由於需 要同時檢測二氧化碳和氧氣濃度，故使用這兩種儀器進行組合。這種方法成本高，設備複雜， 使用不便。
方法3，採用簡單氣體分析儀，通過取樣泵人工間斷取氣進行分析，不能完成在線連續檢測。
發酵行業一直沿用已有的氣體檢測裝置，而這些裝置無論是檢測參數、安裝方式、設備 成本等方面都不適合發酵行業，只能是在沒有專用儀器情況下的一種替代。隨著生物技術的 迅速發展，發明適合發酵行業專用的尾氣在線分析裝置也就成為大勢所趨。
近年來紅外分析檢測技術得到較大發展，並發展了各種成熟經濟的氣體傳感器，如紅外 二氧化碳傳感器、氧傳感以及甲醇、乙醇、乙酸、乙醛、氨傳感器。這些氣體傳感器的採樣 方式為擴散式，使用方便，在許多領域得到廣泛應用，為發酵尾氣的在線檢測開闢了新途徑。 但由於氣體傳感器應用條件之一是至少保證環境溼度小於95 %，不結露。如紅外二氧化碳 傳感器，應用了不分光紅外原理(測量二氧化碳的法定分析方法)，其光學檢測部件對水蒸氣 非常敏感，水蒸氣的存在直接影響對二氧化碳的檢測精度，並會使其在短時間內失效。而發 酵罐排出的尾氣溼度為100 %，水蒸氣已經達到飽和，如不處理無法進行檢測。
方法1及2對尾氣預處理過程一般為先通過玻璃纖維過濾器，去除部分水分，再利用膜 過濾器，進行精過濾，才能將氣體送入處理單元。為完成取氣、排水、氣路切換，中間一般 還需用氣泵和控制閥等配件，有些還配置流量計、氣體穩流器等。這種處理方式，成本高， 設備、管路複雜，最主要的問題是極易發生氣路堵塞，需要經常檢査維護。方法3沒有尾氣預 處理裝置。
由於發酵排出的尾氣壓力一般小於0. 05MPa,採用機械式旋風水氣分離方法，效果較差； 壓縮空氣除溼法，需深度冷凍或分子篩，能耗大，有汙染，使用麻煩；半導體製冷技術除溼， 如中國專利02220195. 5所記載的帶有半導體製冷除水機構的尾氣排放測試分析儀，即採用半
導體製冷技術替代介質壓縮製冷除溼，解決發動機尾氣排放測試，但設備複雜，成本高用 活性炭等吸附劑雖可以吸附尾氣中的部分水分，但也同時吸附了需要檢測的有用氣體，如二
氧化碳；膜過濾技術，通氣速率低，造成檢測滯後，膜易堵塞，需經常清理。
對發酵尾氣除溼最佳方法是採用電加熱。現有技術對氣體的電加熱除溼方法， 一般是對 氣體單獨進行加熱處理，即將氣體在密閉容器內通過電加熱元件，將氣體加熱到一定溫度， 再通過管道送入檢測裝置。這種方法雖然有效，但仍不能從根本上解決問題。因為檢測裝置 與氣體加熱裝置非一體化，之間存在溫差，被加熱的氣體在輸送至檢測裝置的過程中一旦遇 冷仍會結露，從而影響了在線檢測。
現有技術的另一個問題是氣路易被堵塞。目前用於發酵尾氣的在線檢測設備都採用管道 輸送樣氣。由於發酵尾氣中常攜帶有粘性液滴，久而久之這些粘性物會附著在管壁上。而且 在發酵過程中逃液(即發酵液從發酵罐的排氣口溢出)是不可完全避免的。這些情況都會造 成氣路被堵，為此上述設備需要定期檢査、清理及更換。
針對現有技術的不足，本發明提供了一種結構簡單、實用性強、可長期在線運行的一體 化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，徹底解決尾氣溼度對檢測的影響及氣路易堵塞問題，並可 同時完成尾氣多組分的在線檢測。
為了上述發明目的，本發明採用的技術方案是
一種一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，它包括機箱，所述機箱被分隔成至少兩個相
對獨立的空間，其中採樣室和檢測室分別至少有一個；在採樣室內安裝加熱裝置，檢測室內
設有氣體檢測裝置；採樣室與檢測室之間至少有一個相通的氣孔。
所述採樣室內的加熱裝置可為電加熱裝置或內部通有熱介質的盤管加熱裝置。
所述電加熱裝置為具有自控/限/恆溫功能的電熱帶/電熱膜/片/塊或帶有溫度自動控制
裝置的電熱膜、電熱絲、電熱片、電熱管中的至少一種。電熱膜/片有帶自限溫功能的和不帶
此功能的。
所述的電熱帶為帶屏蔽護套呈扁平軟帶狀便於彎曲纏繞或平放，具有加熱、自動保溫、 限溫的自限溫式電熱帶，均勻敷設於機箱採樣室內。 所述採樣室內也可以設置過濾器。 所述採樣室下方至少有一個出口 。
所述氣體檢測裝置包括氣體傳感器，它與信號處理單元連接，氣體傳感器為二氧化碳傳 感器、氧傳感器、甲醇傳感器、乙醇傳感器、乙酸傳感器、乙醛傳感器或氨傳感器的一種， 也可以是上述傳感器的組合。
所述的氣體傳感器位於檢測室一側的氣孔處。
本發明的設計思路是集採樣與檢測為一體，對採樣箱體進行整體加熱，使其達到與尾氣 相同或略高的溫度。 一般發酵溫度(也即尾氣溫度)在27 37，故使採樣箱體溫度大於38°C， 可滿足檢測對溼度的要求。採用本方案的一體化結構，去掉了採樣與檢測之間的連接管路， 當尾氣中攜帶有粘液或發生逃液時，會從下端的出口排出，不影響正常檢測，從根本上解決 了氣路堵塞的問題，達到真正免維護。
本發明技術方案對採樣部分加熱溫度提出了要求，過低達不到除溼效果，過高不利於氣 體檢測裝置的正常工作，適合的溫度範圍在38-45°C。最佳方法是採用具有PTC效應的自控/ 限/恆溫功能的柔性電熱材料，如電熱帶/膜/片等。上述電熱材料通電後電阻會隨溫度升高增 加，在額定溫度下功率與散熱達到平衡，因此具有自動限制加熱溫度的功能，無須配備溫控 裝置；且熱慣性小，加熱均勻，無高溫熱點及燒毀之慮，安全節能；還可以任意截斷或在一 定長度內接長，使用方便。
採用其它加熱方式也可以達到同樣效果。如採用不具有自動控溫功能的電熱胲、電熱片、 電熱絲、電熱管等電熱材料，只是需要增加溫度控制裝置。
發明內容
本發明的有益效果如下
1、 集採樣與檢測為一體，對採樣箱體整體加熱，徹底解決尾氣溼度對檢測的影響，為 發酵尾氣的在線檢測提供了一種方法。
2、 結構緊湊，內部沒有管路連接，解決氣路堵塞問題。
3、 真正的免維護，可長期在線運行。
4、 採用具有自限溫功能的柔性電熱材料，無需自控裝置，也不存在溫度失控而引起的 不利後果。
5、 同時完成發酵尾氣多種組分的在線檢測。
6、 裝置簡單，成本低，易於產業化，為發酵行業提供了非常實用的在線檢測設備，不 僅適合科研院所、高校實驗室，也適用於工業化發酵生產。
圖l為本發明的結構示意圖2為本發明檢測部分信號處理單元電路原理圖。
一圖中l.進氣管，2.過濾器，3.排氣管，4.電熱帶，5.隔板，6.氣體傳感器，7.信號處理 單元，8.機箱。
具體實施例方式
下面結合附圖以發酵尾氣二氧化碳、氧氣在線檢測為實施例對本發明作進一步說明。 實施例機箱8採用鋁材，隔板5採用鋁板，過濾器2採用葉片旋風式分水濾氣器，電 熱帶4採用市售的交流220V供電、自限溫型(其表面溫度不大於65°C)電熱帶，氣休傳感 器6為不分光紅外二氧化碳傳感器和電化學氧傳感器。信號處理單元7包括電源，接口電路， A/D轉換器，微處理器，顯示單元和通訊單元。
如圖1所示，隔板5將機箱8分成採樣室與檢測室兩個部分。在隔板5上開有兩個氣孔。 電熱帶4均勻敷設於採樣室內。進氣管l一端與發酵罐排氣口相連，另一端連接至採樣室內 的過濾器2，過濾器2的出氣口與採樣室相通，過濾器2的排水管與採樣室的排氣管相連。 尾氣經進氣管l、過濾器2進入機箱8中的採樣室，擴散後經隔板5上氣孔進入檢測室 位 於檢測室內氣孔處的二氧化碳傳感器和氧傳感器6，分別將二氧化碳及氧濃度信號變換成電 信號，送信號處理單元7。如圖2所示，在信號處理單元7中，信號經接口電路至A/l)轉換 器，轉換成數位訊號送微處理器單元，處理後顯示二氧化碳及氧氣濃度，同時將數位訊號通 訊送至計算機。
本實施例中，過濾器可以濾除部分尾氣雜質，但對整體功能的實現並無實質性影響。如 果去掉，可將進氣管直接與機箱的採樣部分連接。
本實施例中的信號處理單元，可根據實際需要保留或去掉，例如僅需本檢測裝置提供電 信號時可去掉，也可對其做相應增刪。
本實施例中採用隔板將採樣室與檢測室分隔開來，也可採用將機箱一體製成的方式予以 分隔，也可採用將兩個獨立的採樣室和檢測室合為一體的方式，還可採用在機箱內單獨包裝 檢測室或採樣室的方式。
當需分別或同時檢測發酵尾氣中的甲醇、乙醇、乙酸、乙醛或氨的濃度時，可將本實 施例中氣體傳感器6更換為甲醇、乙醇、乙酸、乙酸、氨傳感器的一種或它們的組合，或是 包含檢測上述氣體成分的傳感器陣列及多組分傳感器。這時需要在隔板5上開相應的氣孔。
需要指出的是，上述實施例不應理解為對本發明保護範圍的限制。在不脫離本發明精神 的前提下，對本發明做出的任何形式的改變均應落入本發明的保護範圍內。
權利要求
1、一種一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，它包括機箱，其特徵是所述機箱被分隔成至少兩個相對獨立的空間，其中採樣室和檢測室分別至少有一個；在採樣室內安裝加熱裝置，檢測室內設有氣體檢測裝置；採樣室與檢測室之間至少有一個相通的氣孔。
2、 根據權利要求l所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述採樣室 內的加熱裝置可為電加熱裝置或內部通有熱介質的盤管加熱裝置。
3、 根據權利要求2所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述電加熱 裝置為具有自控/限/恆溫功能的電熱帶/電熱膜/片/塊或帶有溫度自動控制裝置的電熱膜、電 熱絲、電熱片、電熱管中的至少一種。
4、 根據權利要求3所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述的電熱 帶為帶屏蔽護套扁平軟帶狀均勻敷設於機箱採樣室內。
5、 根據權利要求l所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述採樣室 內也可以設置過濾器。
6、 根據權利要求l所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述採樣室 下方至少有一個出口。
7、 根據權利要求l所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述氣體檢 測裝置包括氣體傳感器，它與信號處理單元連接，氣體傳感器為二氧化碳傳感器、氧傳感器、 甲醇傳感器、乙醇傳感器、乙酸傳感器、乙醛傳感器或氨傳感器的一種，也可以是上述傳感 器的組合。
8、 根據權利要求7所述的一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置，其特徵是所述的氣體 傳感器位於檢測室一側的氣孔處。
全文摘要
本發明公開了一種一體化多組分發酵尾氣在線檢測裝置。它結構簡單、實用性強、可長期在線運行、徹底解決尾氣溼度對檢測的影響及氣路易堵塞問題，並且可以同時完成尾氣多組分的在線檢測。其結構為它包括機箱，所述機箱被分隔成至少兩個相對獨立的空間，其中採樣室和檢測室分別至少有一個；在採樣室內安裝加熱裝置，檢測室內設有氣體檢測裝置；採樣室與檢測室之間至少有一個相通的氣孔。
文檔編號G01N35/00GK101169451SQ200710114459
公開日2008年4月30日 申請日期2007年11月21日 優先權日2007年11月21日
發明者劉仲匯 申請人:山東省科學院生物研究所