[发明专利]用于生物过程诊断和物料特性分析的复合传感器及方法

说明书

技术领域

本发明属于生物过程诊断领域，特别涉及一种用于生物过程诊断和物料特性分析的复合传感器及方法。

背景技术

厌氧发酵在处理废弃物的同时产生可再生能源（沼气、氢气、乙醇等），具有重要的意义。然而由于发酵过程的复杂性，厌氧发酵经常被称为“黑箱子”。由于厌氧发酵本质上是一个微生物催化的生化过程，因此最直接最有效的研究方法是观察微生物群体本身，这需要借助分子生物学及形态学的研究手段，如FISH，DGGE等，但这些技术很难实现在线，即使实现由于成本太高也失去了监测的意义。通过监测发酵液pH变化，终端产物（沼气等）变化来反映发酵过程是常用的方法。但是，以往的监测诊断方法过于单一，且存在信号滞后、反馈不灵活等问题。例如pH计是记录质子浓度，凡是影响酸碱条件的因素都可能干扰pH监测；气体流量是计算瞬间气体产率，是微生物代谢呼吸的最终代谢产物的表征，但过程干扰或失调首先会影响微生物的初级代谢（如生成糖、VFAs等），最后才以气体形式放出。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种用于生物过程诊断和物料特性分析的复合传感器及方法。

一种用于生物过程诊断和物料特性分析的复合传感器，该复合传感器中气体流量计、pH计和微生物燃料电池顺次相连，填充床生物膜反应器一端通过出料管路与气体流量计相连，另一端通过进料管路与微生物燃料电池相连，形成循环回路；复合传感器上分别设置进料口和出料口，并分别通过管路与进料管路和出料管路相连。

所述填充床生物膜反应器由附着微生物的载体填充，填充床生物膜反应器的体积为0.5～5L，其材质为玻璃、有机玻璃或不锈钢。

所述微生物为经过1年以上时间富集的产甲烷或氢气的微生物，所述载体为高分子材料、活性炭、沸石或碳纳米管。

所述高分子材料为聚氨酯材料。

所述气体流量计采用基于排水法原理的适用于微流量气体监测的流量计；所述pH计为商用在线pH计；所述微生物燃料电池为流通式微生物燃料电池。

所述气体流量计为能够在线采集数据的气体流量计。

所述气体流量计为德国Ritter气体流量计。

所述流通式微生物燃料电池由阴极室、阳极室和质子交换膜构成，其材质为有机玻璃，阴极室和阳极室分别设置碳布作为电极材料，形状为圆柱型或立方体型，体积为1～100ml。

一种复合传感器用于生物过程诊断和物料特性分析的方法，其特征在于，具体方案如下：

通过填充床生物膜反应器对目标废水进行快速生化反应，反应时间为1～60min，废水特征信息通过气体流量计、pH计和微生物燃料电池电信号实时呈现，所述特征信息包括pH、BOD、COD、可生化性、产甲烷或产氢气潜力；进一步通过比较气体流量计、pH计和微生物燃料电池三者间的信号来诊断目标生物过程的工作状态，所诊断的状态为有机负荷过载、温度异常和进料性质变化；所述快速生化反应的基质提供方式为连续式、脉冲式或连续脉冲组合式。

所述目标废水为生物过程废水、人工废水、淀粉废水、啤酒废水和畜禽废水，进水量为0.1～10g COD/L/d。

所述填充床生物膜反应器通过间歇补充有机废水实现长期运行；所述气体流量计和pH计离线校准的周期为0.1～1年，校准周期因诊断废水特性不同而异；所述微生物燃料电池定期更换阳极生物膜，更换周期为0.3～1年，因诊断废水特性不同而异。

本发明的有益效果为：

本发明提供了一种用于生物过程在线诊断和特性分析的模块化复合传感器，主要由填充床生物膜反应器，微生物燃料电池（MFC），气体流量计和pH计组成。填充床生物膜反应器完成对目标生物过程液相有机物质的快速生化反应，通过在线检测气体流量、发酵液pH和MFC电信号，并比较三者间的信号来诊断目标生物过程的工作状态。

上述复合传感器可监测的生物过程包括沼气发酵、氢气发酵、乙醇发酵等。填充床生物膜反应器完成对目标生物过程液相有机物质的快速生化反应，通过在线检测气体流量、发酵液pH和MFC电信号，并比较三者间的信号来诊断目标生物过程的工作状态。在监测乙醇发酵等液体燃料发酵过程时，气体流量计不作为组成部分。

此外，针对外界扰动（如温度突然降低、进料中出现异常物质等），复合传感器可有效的进行在线反馈，为生物过程的健康高效运行提供服务和支持。

该模块式复合传感器的主要特点是多种传感器综合诊断，工作稳定；模块式设计、移动性强；可实现对工业生物过程（如沼气发酵、氢气发酵等）的在线诊断。

附图说明