生物膜光生物反应器在线测量方法

摘要

本发明公开了一种高效生物膜光生物反应器在线测量方法，步骤如下：第一个阶段是将光合细菌菌悬液采用闭式循环的方式通入反应器，流速控制在60～120 mL/h，液相温度为30 ℃，pH值为7.0，待光合细菌菌悬液充满反应器箱体后继续运行6～10 h，然后静置24～36 h；第二个阶段是采用连续流动培养的方式，向反应器箱体内连续地通入pH为7.0新鲜培养基，流速在60～120 mL/h，温度在30 ℃；培养基的废液通过气体收集瓶后直接排出反应器系统。本发明采用了生物量浓度、pH和氢浓度在线测量的传感器；可根据传感器的实时测量结果，对反应器内生物膜厚度和pH进行调控；调控后的生物膜反应器产氢速率提高。

主权项

生物膜光生物反应器在线测量方法，其特征在于，该在线测量方法中采用了一种在线测量系统，该在线测量系统包括生物膜光生物反应器系统，生物量浓度、生物膜厚度传感系统，FBG温度传感系统，氢浓度和PH传感系统；所述生物膜光生物反应器系统包括光生物反应器、反应器光源（7）、蠕动泵Ⅰ（4）、恒温水浴Ⅰ（1）、培养基储液瓶（3）、气体收集瓶（13）、气液分离瓶（10）和反应器内液相pH调节旁路；所述光生物反应器包括受光板（5）、空芯光纤（6）、折流板（40）、反应器固定板（42）、反应器箱体（41）和反应器摇摆支架（9）；所述反应器箱体（41）为圆柱形并由透明的有机玻璃制成，所述反应器箱体（41）的一端固定在受光板（5）上并与反应器光源（7）对应，所述反应器箱体（41）的另一端固定在折流板（40）的一侧上，所述反应器固定板（42）设置在折流板（40）的外侧，在折流板（40）的另一侧与反应器固定板（42）之间设置培养基储存腔（43），所述折流板（40）上设有多个通孔，所述培养基储存腔（43）通过通孔与反应器箱体（41）内相通，在反应器固定板（42）上设有培养基入液口（44）和多个传感器安装口Ⅰ（45），所述培养基入液口（44）与培养基储存腔（43）内连通，所述受光板（5）上设有与反应器箱体（41）内相通的出液口（46）；所述反应器摇摆支架（9）设置在反应器箱体（41）的下方，反应器摇摆支架（9）和反应器箱体（41）之间设置弹簧（57），所述反应器箱体（41）内均布设置多根沿反应器箱体（41）的轴向设置的空芯光纤（6）；所述反应器箱体（41）上设置传感器安装口Ⅱ（47）和均布设置数个PH调节通道（48）；所述培养基储液瓶（3）设置在恒温水浴Ⅰ（1）中，所述蠕动泵Ⅰ（4）的进口通过管路与培养基储液瓶（3）内连通，所述蠕动泵Ⅰ（4）的出口通过管路与培养基入液口（44）连通；所述反应器内液相pH调节旁路包括恒温水浴Ⅱ（49）、氢氧化钠储液瓶（50）、蠕动泵Ⅱ（51）和分流器（16），所述氢氧化钠储液瓶（50）设置在恒温水浴Ⅱ（49）中，所述蠕动泵Ⅱ（51）的进口通过管路与氢氧化钠储液瓶（50）内连通，所述蠕动泵Ⅱ（51）的出口通过管路与分流器（16）的进口连接，所述分流器（16）的出口分别通过管路与数个PH调节通道（48）一一对应连通；所述出液口（46）通过管路与气液分离瓶（10）的进口连通，所述气液分离瓶（10）的出口通过管路分别与气体收集瓶（13）连接和培养基储液瓶（3）连接，在靠近气体收集瓶（13）的管路上设置开关阀Ⅰ（12），在靠近培养基储液瓶（3）的管路上设置开关阀Ⅱ（11）；所述生物量浓度、生物膜厚度传感系统包括光纤光源（25）、滤光片（26）、多模光纤（27）、光分路器（28）、光耦合器（29）、生物量浓度传感探头（30）、生物膜厚度传感器（34）、光纤光谱仪（31）、计算机Ⅱ（24‑2）和光功率计（35）；所述生物量浓度传感探头（30）采用反射式光纤传感探头，所述反射式光纤传感探头安装在传感器安装口Ⅱ（47）内；所述光纤光源（25）发出的光经过滤光片（26）进入多模光纤（27），多模光纤（27）与光分路器（28）连接，所述光分路器（28）输出的一路光线通过多模光纤与光耦合器（29）连接，所述光耦合器（29）的出光口通过多模光纤与反射式光纤传感探头连接，所述光耦合器（29）的反射光出口通过多模光纤与光纤光谱仪（31）相连，光纤光谱仪（31）与计算机Ⅱ（24‑2）相连；所述生物膜厚度传感器（34）包括倏逝波传感臂（52）和参考臂（53），所述倏逝波传感臂（52）由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽制成，所述参考臂（53）由多模石英光纤在其一侧腐蚀一段凹槽并在凹槽内设置聚四氟乙烯滤膜制成；所述倏逝波传感臂（52）为多根并设置在反应器箱体（41）内，所述参考臂（53）设置在反应器箱体（41）内，倏逝波传感臂（52）和参考臂（53）的一端伸出受光板（5），倏逝波传感臂（52）和参考臂（53）的另一端穿过折流板（40）和培养基储存腔（43）并伸出反应器固定板（42）；所述倏逝波传感臂（52)的两端分别连接光纤连接器ⅠA（32‑1）和光纤连接器ⅠB（32‑2），参考臂（53）的两端分别与光纤连接器ⅠA（32‑1）和光纤连接器ⅠB（32‑2）相连；所述光分路器（28）输出的另一路光线依次通过多模光纤、光纤连接器ⅡB（54‑2）和光纤耦合器B（33‑2）与靠近反应器固定板（42）的光纤连接器ⅠB（32‑2）连接；靠近受光板（5）的光纤连接器ⅠA（32‑1）依次通过光纤耦合器A（33‑1）、光纤连接器ⅡA（54‑1）和多模光纤与光功率计（35）连接，所述光功率计（35）与计算机Ⅱ（24‑2）连接；所述FBG温度传感系统包括FBG光源（36）、单模光纤Ⅰ（55）、光纤隔离器A（56‑1）、光纤隔离器B（56‑2）、3dB耦合器（37）、温度传感器单元（38）和光纤光栅解调仪（39）；所述温度传感器单元（38）采用光纤Bragg光栅，所述单模光纤Ⅰ（55）沿反应器箱体（41）的轴向设置，其一端伸出穿过折流板（40）和培养基储存腔（43）并伸出反应器固定板（42）与3dB耦合器（37）连接，在单模光纤Ⅰ（55）上均布设有多个光纤Bragg光栅，所述FBG光源（36）的出光口通过光纤隔离器A（56‑1）和单模光纤Ⅱ与3dB耦合器（37）的入光口连接，所述3dB耦合器（37）的反射光出口通过单模光纤Ⅱ和光纤隔离器B（56‑2）与光纤光栅解调仪（39）连接，光纤光栅解调仪（39）与计算机Ⅱ（24‑2）连接；所述氢浓度和PH传感系统包括H₂电极（18）、pH参考电极（19）、pH电极（20）、氢电极信号转换器（21）、pH电极信号转换器（22）、皮安表主机（23）和计算机Ⅰ（24‑1）；所述H₂电极（18）、pH参考电极（19）和pH电极（20）均插入气液分离瓶（10）内，H₂电极（18）的位置高于pH参考电极（19）和pH电极（20）的位置，所述H₂电极（18）与氢电极信号转换器（21）连接，所述pH参考电极（19）和pH电极（20）与pH电极信号转换器（22）连接，所述氢电极信号转换器（21）和pH电极信号转换器（22）与计算机Ⅰ（24‑1）连接；该在线测量方法包括如下步骤：1）首先向培养基储液瓶（3）内注入接种好的光合细菌菌悬液，向氢氧化钠储液瓶（50）内注入氢氧化钠溶液，关闭开关阀Ⅰ（12），开启开关阀Ⅱ（11）；然后开启蠕动泵Ⅰ（4），通过蠕动泵Ⅰ（4）向培养基储存腔（43）内通入光合细菌菌悬液，培养基储存腔（43）内的光合细菌菌悬液通过折流板（40）上的通孔流向反应器箱体（41）内，反应器箱体（41）内光合细菌菌悬液再通过出液口（46）和气液分离瓶（10）流回培养基储液瓶（3），使系统处于第一个阶段；第一个阶段是将接种好的光合细菌菌悬液采用闭式循环的方式通入反应器，光合细菌菌悬液的流速控制在60～120 mL/h，反应器箱体（41）内的液相温度为30 ℃，接种前培养基的碳源浓度为9～15 g/L mM；通过蠕动泵Ⅱ（51）向反应器箱体（41）内均匀的注入氢氧化钠溶液，通过pH参考电极（19）和pH电极（20）检测pH值，使反应器箱体（41）内的光合细菌菌悬液的pH值为7.0，待光合细菌菌悬液充满反应器箱体（41）后继续运行6～10 h，然后静置24～36 h；2）向培养基储液瓶（3）内注入培养基，关闭开关阀Ⅱ（11），开启开关阀Ⅰ（12），使系统运行第二个阶段；第二个阶段是采用连续流动培养的方式，向反应器箱体（41）内连续地通入pH为7.0新鲜培养基，培养基流速维持在60～120 mL/h，流入反应器箱体（41）内的培养基温度维持在30 ℃；培养基的废液通过气体收集瓶（13）后直接排出反应器系统。