基于气体预配和循环供给的培养装置及方法与流程

1.本发明涉及微生物培育技术领域，尤其涉及基于气体预配和循环供给的培养装置及方法。


背景技术：

2.秸秆等农业大宗废弃物的资源化利用关系到农业、生态环境和社会经济的可持续发展。生物转化与合成技术是实现这些废弃物资源化利用的有效手段，但目前生物转化仅关注终端产品，对产生的co2等尾气尚未加以充分利用，而这部分co2可能占到整个生物质碳含量的50％左右。将这一半的碳充分利用，对实现废弃物高值转化和碳减排具有重要的意义。
3.现有的co2发酵尾气循环培养装置重点聚焦于发酵产物co2尾气的处理，将co2尾气经过简单的过滤后直接用于循环培养，这样的方式较为简单有效，但存在以下问题：
4.1、供气精准度差；通气时会由于液位压力导致各种配方气体不按照设定流量进入发酵系统，导致供气不稳定，通气量不准确；尤其是多罐并联时，由于曝气头和液位差问题经常导致不同发酵罐之间曝气量差异很大，甚至发生串气问题。
5.2、适用范围较窄；主要适用于发酵尾气和培养气体相同的生物转化过程，主要适用于微藻类的生物循环培养，当将其应用到需要混合气体培养的场景中时，由于其气体循环只包含co2等单一尾气，因此需要采用额外的供气设施设备；
6.3、需要人工值守；在系统工作的过程中，需要技术人员现场值守，根据培养过程调整各供料与气体循环的具体参数，以保证培养过程的顺利进行；
7.4、尾气不适于直接用于循环培养；发酵尾气的浓度一般偏高，且其混合其他的各组分比例并不固定，在循环进行培养时无法保证气体中各组分的比例是适宜培养的，尤其当尾气中某一气体浓度偏高时(如co2)，可能会对培养过程造成较为不利的影响。


技术实现要素：

8.为了解决上述技术问题，本发明提供了适用于多种应用场景的、基于气体预配和循环供给的自动培养装置及方法。
9.为了实现上述技术目的，本发明所提供的技术方案包括：
10.基于气体预配和循环供给的培养装置，包括：
11.通过第一管路连通的若干培养瓶，所述第一管路上还连通有进出液系统；
12.三通阀，所述三通阀分别连通预装气罐、通过气体计量泵连通气源，还通过第二管路连通培养瓶，所述第二管路上设置有气体浓度传感器；
13.预装气罐还通过第三管路与培养瓶连通，所述第三管路上设置有循环泵；
14.培养瓶连接有检测瓶内液体浊度的浊度传感器，和检测瓶内液体高度的第一液位传感器；
15.预装气罐连接有检测罐内气体压力的压力传感器，和检测罐内液体高度的第二液
位传感器；
16.所述预装气罐还设置有第一出液端和排气端；
17.第一电磁阀，用于控制第二管路和第三管路分别与各培养瓶的连通关系；
18.第二电磁阀，用于控制预装气罐与第三管路的连通关系；
19.其中，所述第二管路连通培养瓶的一端位于所述培养液面以上；所述第一管路和第三管路连通培养瓶的一端位于所述培养液面以下。
20.在一些较优的实施例中，所述进出液系统包括分别并行且与所述第一管路连通的进液端和第二出液端；所述进液端和第二出液端分别设置有电磁阀和液体计量泵。
21.在一些较优的实施例中，所述第三管路伸入培养瓶的一端设置有曝气头。
22.在一些较优的实施例中，所述培养瓶前、第一电磁阀后的第三管路上设置有可调阻尼器。
23.本发明还提供过了一种基于气体预配和循环供给的培养方法，包括：
24.s1、通过进出液系统分别向若干培养瓶中加入定量的培养液；
25.s2、三通阀导通预装气罐和气源，通过气源向预装气罐中加定量的原料气；
26.s3、三通阀导通预装气罐和第二管路，打开第一电磁阀和第二电磁阀，启动循环泵，使气体按预装气罐、第三管路、培养瓶、第二管路和三通阀的顺序循环流动；
27.s4、当气体浓度传感器的检测值达到预定值时，关闭循环泵，打开排气端并收集排出气体，当罐内压力恢复大气压时关闭排气端，重复执行步骤s2-s4。
28.在一些较优的实施例中，还包括步骤：
29.当浊度传感器的检测值达到预定值时，控制第一电磁阀保持导通第三管路与培养瓶，关闭第二管路与培养瓶的导通；通过进出液系统导出定量的旧培养液，并补充相同量的新培养液；补充完成后，控制第一电磁阀保持导通第三管路与培养瓶，打开第二管路与培养瓶的导通。
30.在一些较优的实施例中，还包括步骤：
31.当第二液位传感器监测到预装气罐中液面高度达到预设时，通过第一出液端导出罐内液体；当压力传感器监测到预装气罐中气体压力达到预设时，打开排气端以降低罐内压力。
32.有益效果
33.1、本发明通过预装气罐和循环管路对气体进行批次化处理，可实现不间断气体配制和供给，并有效提高原料气的利用率；2、避免因液位压力导致配方气体不按照设定流量供应的问题，可提高气体在液体中的均匀分布程度，尤其在不能搅拌的条件下有优势；3、通过阻尼器有效平衡各个罐体的进气压力，不显著增加经济成本情况下通过简单手段实现每罐的通气量一致，保障连续稳定作业；4、通过预设各传感器的参数，配合循环管路，可实现无人值守情况下的自动进行气体处理、气体收集、培养物收集和培养液添加等功能，节约人工成本和时间成本，提高培养效率；5、采用模块化组件，可根据实际需要自由组合，以实现定制化的功能和处理量。
附图说明
34.图1为本发明一种较优实施例中的基于气体预配和循环供给的培养装置结构示意
图；
35.图2为本发明另一种较优实施例中的基于气体预配和循环供给的培养方法流程示意图；
36.图中：1、培养瓶；2、进出液系统；3、三通阀；4、预装气罐；5、气源；6、气体计量泵；7、第二管路；8、气体浓度传感器；9、第三管路；10、循环泵；11、浊度传感器；12、第一管路；13、第一液位传感器；14、压力传感器；15、第二液位传感器；16、第一出液端；17、排气端；18、第一电磁阀；19、第二电磁阀；20、安全阀；21、阻尼器；22、液体计量泵；101、曝气头；201、进液端；202、第二出液端；
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
39.如图1所示，本实施例提供了一种基于气体预配和循环供给的培养装置，包括：
40.通过第一管路12连通的若干培养瓶1，所述第一管路12上还连通有进出液系统2；其中，本领域技术人员可以根据实际的培养量需要合理设定具体的培养瓶1数量，还可以根据实际的培养条件用耐压透明材料制作或采用金属罐体，可安装于具有恒温，光照和搅拌等功能的基座上，可增加对酸碱度、离子浓度等指标进行监测和控制的其他配套装置及设备。所述进出液系统2是为了补充和\或收集培养瓶1中的培养液，其具体实现方式可以由本领域技术人员根据常见的补液出液方式设置。在一些较优的实施例中，给出了一种分路实现进出液的方式，具体包括：
41.所述进出液系统2包括分别并行且与所述第一管路12连通的进液端201和第二出液端202；所述进液端201和第二出液端202分别设置有电磁阀和液体计量泵22。
42.三通阀3，所述三通阀3分别连通预装气罐4、通过气体计量泵6连通气源5，还通过第二管路7连通培养瓶1，所述第二管路7上设置有气体浓度传感器8；
43.预装气罐4还通过第三管路9与培养瓶1连通，所述第三管路9上设置有循环泵10；
44.培养瓶1连接有检测瓶内液体浊度的浊度传感器11，和检测瓶内液体高度的第一液位传感器13；
45.预装气罐4连接有检测罐内气体压力的压力传感器14，和检测罐内液体高度的第二液位传感器15；
46.所述预装气罐4还设置有第一出液端16和排气端17；其中，所述第一出液端16可以通过电磁阀控制出液过程和出液量；所述排气端17包括电磁阀和与电磁阀导通的气体计量泵6，用于控制预装气罐4的排气过程和排气体积。
47.第一电磁阀18，用于控制第二管路7和第三管路9分别与各培养瓶1的连通关系；
48.第二电磁阀19，用于控制预装气罐4与第三管路9的连通关系；
49.其中，所述第二管路7连通培养瓶1的一端位于所述培养液面以上；所述第一管路12和第三管路9连通培养瓶1的一端位于所述培养液面以下。在一些较优的实施例中，为了
增加通入培养液的气体曝气量，考虑在所述第三管路9伸入培养瓶1的一端设置曝气头101。
50.在另一些较优的实施例中，为了确保每个培养瓶1的进气量一致，可以在培养瓶1前、第一电磁阀18后的第三管路9上设置有可调阻尼器21。
51.应当理解的是，为了实现对上述各类传感器的数据进行采集和处理，并根据相关参数设置各电磁阀和泵类装置的启闭，本发明中显然还应当有能够实现上述功能的控制器，该控制器与各类传感器、电磁阀和泵类装置电连接，以实现对整个培养过程的控制。
52.下面就本实施例的工作过程及原理作如下描述：
53.1、初始状态设定：根据各培养瓶1的体积计算所需加入的培养液体积，并将第一液位传感器13的液位检测值设定为对应参数；根据整个系统的气体可占用空间计算需要加入预装气罐4的原料气体积，据此设定气体计量泵6的气体流量参数和预装气罐4内的压力传感器14参数；根据现场的实际需要设定取料的液体浊度和取料体积，根据培养进程的演化设定触发补气的气体浓度下限；根据预装气罐4体积设定第二液位传感器15的液位检测值，以检查在预装气罐4中冷凝的液体体积，当冷凝液体体积达到第二液位传感器15的液位检测值时，则需要将预装气罐4中的液体排出。
54.2、培养液的加入：三通阀3导通第二管路7和预装气罐4，第二电磁阀19导通，第一电磁阀18导通第二管路7和培养瓶1、关闭第三管路9和培养瓶1，打开第一出液端16，通过进出液系统2向各培养瓶1加入预设的培养液体积；加液完成后，关闭第一出液端16。
55.3、气体管路的压力平衡：打开预装气罐4上的排气端17，平衡罐内外压力，并将排出的气体收集起来送到下一级处理装置或存储装置；平衡完毕后关闭预装气罐4上的排气端17。
56.4、原料气的加入：关闭第一电磁阀18、第二电磁阀19和循环泵10，三通阀3导通气源5和预装气罐4，气体计量泵6向预装气罐4中加入预设的原料气体积；
57.5、气体循环培养：加气完成后，三通阀3导通预装气罐4和第二管路7，打开第二电磁阀19，打开第一电磁阀18以分别导通第二管路7和第三管路9与各培养瓶1，启动循环泵10，此时，气体将在培养瓶1和预装气罐4间循环。
58.6、原料气的补充：当气体浓度传感器8检测到气体浓度低于预设值时，重复执行3-5；
59.7、培养液的提取：当浊度传感器11检测到培养液浊度达到预设值时，第一电磁阀18关闭第二管路7与各培养瓶1的导通，利用进出液系统2抽取预设体积的旧培养液，并补充相应体积的新培养液，重新加液完成后，第一电磁阀18打开第二管路7与各培养瓶1的导通。
60.8、冷凝水的排放：根据预装气罐4体积在第一液位传感器13设定适宜的冷凝水液面高度，当预装气罐4内的冷凝水达到该预设高度时，打开第一出液端16，排放罐内的冷凝水，以避免冷凝液在罐内储蓄过多。
61.9、预装气罐4压力保护：当预装气罐4内的压力传感器14检测到罐内压力大于预设值，打开预装气罐4上的排气端17，平衡罐内外压力，并将排出的气体收集起来送到下一级处理装置或存储装置；平衡完毕后关闭预装气罐4上的排气端17。在一些较优的实施例中，为了防止压力传感器14失效引起超压，所述预装气罐4上还可以设置有安全阀20。
62.10、配方气体的预混配置：当培养过程需要多种组分的原料气供应时，关闭第一电磁阀18、第二电磁阀19和循环泵10，三通阀3导通气源5和预装气罐4，气体计量泵6向预装气
罐4中分别加入各预设体积的不同种类原料气，实现配方气体的精确配置。
63.实施例2
64.本实施例是在上述实施例1的基础上展开的，如图2所示，本实施例给出了一种基于气体预配和循环供给的培养方法，包括：
65.s1、通过进出液系统2分别向若干培养瓶1中加入定量的培养液；
66.s2、三通阀3导通预装气罐4和气源5，通过气源5向预装气罐4中加定量的原料气；
67.s3、三通阀3导通预装气罐4和第二管路7，打开第一电磁阀18和第二电磁阀19，启动循环泵10，使气体按预装气罐4、第三管路9、培养瓶1、第二管路7和三通阀3的顺序循环流动；
68.s4、当气体浓度传感器8的检测值达到预定值时，关闭循环泵10，打开排气端17并收集排出气体，当罐内压力恢复大气压时关闭排气端17，重复执行步骤s2-s4。
69.在另一些较优的实施例中，还给出了一种自动控制旧培养液与新培养液导出导入的具体方法，包括步骤：
70.当浊度传感器11的检测值达到预定值时，控制第一电磁阀18保持导通第三管路9与培养瓶1，关闭第二管路7与培养瓶1的导通；通过进出液系统2导出定量的旧培养液，并补充相同量的新培养液；补充完成后，控制第一电磁阀18保持导通第三管路9与培养瓶1，打开第二管路7与培养瓶1的导通。
71.在另一些较优的实施例中，给出了一种控制预装气罐4内液体和气体体积的方法，具体包括步骤：
72.当第二液位传感器15监测到预装气罐4中液面高度达到预设时，通过第一出液端16导出罐内液体；当压力传感器14监测到预装气罐4中气体压力达到预设时，打开排气端17以降低罐内压力。
73.实施例3
74.本实施例是在上述实施例1和2的基础上展开的，本发明所提供的基于气体预配和循环供给的培养方法及装置，适用于对一种或多种气体进行浓度和比例的分配，应用于细菌、酵母、食用菌、藻类等生物培养以及需要混合气体配制的化学反应。下面给出两个具体的应用场景示例：
75.应用场景一
76.可利用本发明所提供的于气体预配和循环供给的培养方法及装置，配制不同浓度的单一气体，用于微藻培养。将高纯二氧化碳(co2)气体准确配制成0.04％、4％和40％不同浓度，实现一种浓度在设定的时间周期内开启或关闭，用于微藻a的培养；或者3种浓度按照设定要求，在设定的时间周期内开启或关闭，依次对微藻培养液进行充气培养，最终实现co2气体的循环供给、高效利用和微藻的高效生长。
77.应用场景二
78.可利用本发明所提供的于气体预配和循环供给的培养方法及装置，将多种气体按比例混合，用于微生物培养。将高纯二氧化碳(co2)气体和氢气(h2)按照需求比例混合，用于细菌b的培养。实现了气体的不间断配制和循环供给。
79.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本
发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。