专利名称：一种发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种微量气体产生量数据自动采集存储装置，特别是用于农业、工业微生物发酵过程中进行持续自动检测或监测微量产气量并自动进行数据分析计算与存储的检测或监测装置。
背景技术：
众所周知，甲烷可以由自然界中厌氧微生物在酶解有机物过程中所产生。据2001年资料显示，通过生物发酵途径所产生的甲烷气体可以占到全球甲烷气体排放量的60％以上，其中，全球反刍动物瘤胃微生物发酵甲烷气年排放量为9000万吨位于榜首，其次是全球稻田甲烷气年排放量约为6000万吨位居第二位，全球湿地甲烷气年排放量达到4000万吨位居第三位。甲烷气的大量排放及其在大气层中被转化成一氧化碳造成大气臭氧层的破坏，已经引起全球人类对此温室气体排放量的忧虑，监测和控制温室气体排放量已经成为全球众多国家的研究热点。
以反刍动物为例，动物采食的饲料进入瘤胃发酵过程中通常产生大量的二氧化碳(大约占总产气量的65％)、甲烷(大约占总产气量的33％)等温室气体，不仅降低了动物对饲料营养的利用效率，同时也造成了环境污染的加剧。而在瘤胃中微生物酶解作用过程中的产气量与饲料营养成分在瘤胃以及大肠中的消化率密切相关。因此，在评定饲料营养价值时，研究人员可以通过发酵产气量来评定某一饲料营养成分在瘤胃中的降解速率。但一直以来，体内法动物试验直接评定发酵产气量或饲料降解率及其降解产物通常因受到动物品种、饲养管理、瘤胃微生态环境等因素的影响而难以准确评定，且方法技术措施不仅难以标准化，而且需要消耗大量的人力、物力和财力。相反，采用瘤胃体外模拟发酵产气记录技术作为评定饲料营养价值技术之一，虽然已经在国内外有近一个世纪的历史，但如下面介绍的现有的许多产气法评定营养价值技术在实际应用中仍然存在十分耗时、耗力、效率低且成本高的问题
1.德国研制的Hohenheim体外发酵产气测定装置该装置用密闭的一定容积玻璃注射器来恒温培养瘤胃微生物，随着微生物对注射器中有机物的不断发酵，所产生的气体致使注射器内压力升高，使注射器活塞不断向外移动，通过人工读取注射器上刻度来记录产气量。虽然沿用至今，但其技术具有十分耗时、耗力、效率低且无法进行持续自动记录产气量，在产气量较小时气体人工读取准确率极低。
2.英国和美国研制的人工压力传感器记录装置该技术利用加塞密闭处理的固定容积容器进行恒温培养瘤胃微生物，随着微生物对注射器中有机物的不断发酵，所产生的气体致使注射器内压力不断升高，然后在发酵的一定时间将与压力传感器的注射器针头人工插入发酵容器内测定容器内的压力，然后根据压力与气体的线性分析来估测气体产生量。该技术存在的致命缺陷是(1)由于是固定容积，经过一段时间发酵后，容器内因微生物发酵产生的气体导致的压力过度升高反过来影响微生物的正常生长增殖活动，继而影响正常发酵；(2)经过多次频繁检测发酵容器内压力时，易导致瓶塞漏气；(3)发酵过程中气体持续记录次数少且需要投入大量的人力、时间，从而导致发酵过程监测效率低；(4)配套应用软件所记录和存储的数据仅仅是发酵容器内压力数据，记录的具体时间需要靠人工输入。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种新型的具有设计结构简单、成本低、易操作、易标准化、效率高、运行可靠等特点的能够进行微生物发酵微量产气量持续自动记录并进行数据计算与存储的装置及方法。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下一种发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置，如图1所示，包括发酵容器1，该发酵容器1通过管道2和一个三通部件3分别与一个电磁阀4和一个压力传感器5形成气路连接，所述电磁阀4的另一端与一个采气袋6形成气路连接；一个控制装置7分别与所述电磁阀4、所述压力传感器5、一个用于存储数据的存储装置8、一个用于显示的显示装置9、以及一个用于输入参数的输入装置10形成电路连接。
在上述技术方案中，还包括一个指示灯(图中未示出)与所述控制装置7电路连接，用于指示对发酵容器1中的气体产生量进行数据采集的状态。
在上述技术方案中，还包括一个恒温室(图中未示出)，所述发酵容器1、所述压力传感器5以及相应的部分管道2都放置在该恒温室内；或者根据需要，所述压力传感器5以及相应的部分管道装置部件亦可置于恒温室外。
在上述技术方案中，所述压力传感器5最好是一个差压开关，当所述发酵容器1中的气压与周围环境气压之差达到设定值时，该差压开光向所述控制装置1发出信号。
在上述技术方案中，还可以包括多个发酵容器通过各自的压力传感器和电磁阀分别与控制装置形成电路连接，使得该装置可以同时测量多个相互独立的发酵容器的产气量。
结合上述装置，一种发酵微量气体产生量数据自动采集存储方法，包括如下步骤1)设定压力传感器5向控制装置1发出信号的压力触发值；2)当压力传感器5向控制装置1发出一次信号时，标定发酵容器产气容积；3)将样品放入发酵容器1中，开始发酵；4)用压力传感器5测量发酵容器1中的气压；如果发酵容器1中的气压达到设定值，则压力传感器5向控制装置1发出一次信号；5)当控制装置1接到压力传感器5发来的信号后，向电磁阀4发出开启信号，使得电磁阀4由气路关闭状态变为开启状态并持续开启一段时间，将发酵容器1中的气体释放出来；6)反复执行步骤4)一步骤5)，由控制装置1记录压力传感器发出信号的次数和时刻，储存在存储装置8中；7)结合步骤2)中标定的发酵容器产气容积，计算产气量和平均产气速率结果。
在上述技术方案中，对于多个发酵容器的产气量的测定，控制装置对每一个发酵容器的产气量和平均产气速率进行独立测定并分别自动记录数据、数据显示和存储。
与现有技术相比，本发明的优点为
本发明具有设计结构相对简易、成本低、十分省时省力(不需要24小时不间断人工记录)、易操作、易标准化、效率高(可同时完成至少32个发酵容器的产气量实时持续自动监测与数据自动存储)、运行可靠等特点，能够进行微生物发酵微量产气量持续自动记录、数据计算、数据显示与自动存储，气体容积记录灵敏度高，最小单位气体容积记录量达到1.0毫升。装置制造所需要的结构元件已经在相关行业进行标准化生产，因此装置制造成本低，生产效率高，适用范围广。
图1表示本发明装置示意图；图2表示本发明一实施例装置的电路示意图(以单个发酵容器为例)；图3表示本发明一实施例的软件系统结构框图；图4表示一实施例装置通道信号分离设计流程图；具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述本实施例的微量气体产生量数据自动采集装置，如图1所示，包括32个发酵容器(依次编号1-32)及其各自的压力传感器和电磁阀；控制装置7采用工控计算机，该工控计算机7通过基于ISA总线的32通道I/O型数据采集卡与32个发酵容器各自的压力传感器和电磁阀连接；压力传感器5由差压开关和差压开关电路组成，差压开关和发酵容器均放置在恒温室内。
以单个发酵容器为例，连接电路如图2所示，本实施例采用了基于ISA总线的光隔离开关量输入接口卡和光隔离开关量输出接口卡。该卡上的开关量输入\输出通道共32路，分为4组，每组8路。32路输入信号均可通过CPU巡检方式工作，且32路开关信号的低端共地。输入信号电平范围为TTL～48V，电流消耗为≥5mA/每路，每组信号之间、各组信号与接口卡之间隔离电平为≥500V，能够充分满足系统要求。
32个发酵容器采用容积不小于20ml的各类微生物发酵容器。每个发酵容器都与对应的压力传感器及电磁阀进行气路连接，同时每个发酵容器上各有一个标定发酵产气容积的气路接口、1个收集气路接口和1个气体容积数据采集指示灯(该指示灯由工控计算机根据对应发酵容器的采气状况来控制)。本实施例采用的压力传感器开关类型为微动开关，最大电压为250VAC。
本实施例的微量气体产生量数据自动采集方法原理差压开关外部置有两个压力接口，一个与大气相通(负极)，另一个与发酵容器通过气管连接(正极)，差压开关的核心部分是一个旋转刻度盘，工作过程中将指针指向任一设定压力值，则当正极与负极的压力差达到或超过设定值时，差压开关的端子接线在压力作用下产生异位，从而使输出信号由低电平变为高电平。该高电平信号经过转换器、输入卡后进入计算机系统软件，系统软件又将经过存储、分析、处理的信号通过输出卡、继电器传递给电磁阀，使电磁阀开启，从而使发酵产生的标定容积量气体经电磁阀自发酵容器放出，同时进行自动记录放气的时间、放气次数、当前总气体累积量和平均产气速度。电磁阀每开启一次，装置可自动记录到1.0毫升微量气体容积量，具有灵敏度高的特点。电磁阀的开启时间可通过延长高频信号的持续时间来控制。经过周而复始的电磁阀开启自动控制，系统软件将记录下发酵的产气时间、累积产气容积量、产气速度及相应的发酵容器样品特性(如发酵容器的操作管理人名称、发酵样品的名称、重量、处理方法等描述信息)等数据。
根据本发明的微量气体产生量数据自动采集方法，基于上述装置，本实施例的软件部分是由基于NI公司的图形化编程语言工具Labview 7.0 for Windows2000/NT的虚拟仪器图形化编程语言开发研制的，主要包括硬件控制模块、系统参数设置模块、产气记录保存模块、实时数据采集与监控模块等部分。下面对各部分进行说明(1)硬件控制模块要使软、硬件相结合必须满足三个基本条件①输入卡得到来自压力传感器的信号；②输出卡将经过处理的控制信号传递给电磁阀；③通过动态链接库在软件中调用输入卡和输出卡。
(2)系统参数设置模块在该模块中用户需要完成记录前的准备工作。首先，需要在参数设置表格中输入发酵容器的编号、各通道气体容积标定值等系统性能参数，包括采集卡的采样间隔，电磁阀的延迟时间，数据记录文件的保存地址等，设置的所有参数都将保存在数据记录文件中。系统软件为数据记录文件提供了默认的保存地址，防止数据丢失，除设置有发酵容器产气记录开关密码外，系统软件以提示框的形式设置系统操作步骤及注意事项，进一步为操作者提供便利。
(3)产气记录保存模块由于采样间隔必须小于信号记录周期，所以采集得到的数据不全是有效数据，只有从低电平变为高电平的信号才是令电磁阀开启的信号，因此，需要对采集得到信号进行筛选，筛选流程图见图4。筛选得到的信号为各个发酵容器随机达到设定压力的信号，因此还不是最终的有效信号，还需要进一步判断该信号是由第几号发酵容器产生的，对应该发酵容器的设置参数将得到的信号进行数据分析、处理、显示和存储。
(4)数据记录文件采用电子表格的形式存储，可直接用Excel文档打开。在记录过程中数据记录文件将实时地记录采集数据、分析数据、系统设置参数等，保存过程无需调用Excel文档，这不但节省计算机内存空间，而且能够防止记录过程中出现意外终止而导致数据丢失。
(5)实时数据监控模块系统通过设置独立开关实现对每个发酵容器的单独控制。为防止系统工作过程中发生意外的人为事件而导致系统终止，所有开关按钮都设有密码保护功能(包括系统停止按钮)，只有在正确输入密码的情况下才能控制开关操作按钮，这大大提高了系统的灵活性、安全性和可靠性。
对于发酵容器的放气控制，系统采用软件延时的方法。当压差达到设定压力时，差压开关产生高频信号，信号进入工控计算机后，软件控制电磁阀开启，发酵容器中产生的气体在压差存在下自发酵容器中排出，发酵容器中的压力随之下降。但是，开关信号的持续时间非常短，不足以充分排出发酵容器中的多余气体，为使排气充分，需要延长电磁阀开启的时间。从经济性角度考虑，本实施例采用市场所售普通电磁阀，通过软件编程延长高频信号的持续时间来实现对电磁阀的延迟控制，且延迟的时间可根据用户需要进行设置，以充分排气为限，即发酵容器中压力与外界大气压相同时，完成一次充分放气。
本实施例提供装置的工作过程(以1号发酵容器为例)发酵容器中产生的气体经过一个三通分两路，一路连接与该发酵容器对应的1号电磁阀，另一路连接与该发酵容器对应的1号差压开关。电磁阀为常闭式。在完成发酵瓶连接后，接通控制箱电源，打开测试软件，输入控制密码，开启1号瓶开关，则测试系统开始检测1号发酵瓶中的压力，当压力达到1号差压开关的标定压力时，气压阀门打开，差压开关输出一个开关量信号给DI计算机输入卡，再通过测试程序接收后，由测试程序控制DO计算机输出卡输出信号给继电器板使其1通道导通，从而控制电磁阀打开，并控制延长打开时间，延迟时间根据需要在程序面板中设定。此时1号瓶中的发酵气体通过电磁阀进入采气袋中，差压开关因压力降低而复位。至此，1号发酵容器完成了一次气体体积数据的自动采集、计算、显示与存储过程。
与某个发酵容器相应的通道开启后，该通道随即开始从零计时，并进入该通道气体产生量记录状态，当发酵容器内累计产气量达到标定产气量时，系统会自动记录产生该气量的累计时间(以小时为单位)和累积产气量(以毫升为单位)。依此类推在完成所需通道的连接和开始监测后，系统进入对各通道开关按钮的自我保护状态，以防止断电以外的由于误操作所造成的各通道停止记录或重新记录事件发生。
当系统需要停止自动微量产气量自动监测和数据存储时，需要提供正确的密码后，然后停止记录的通道开关按钮即可。
本发明发明特别适用于用于围绕饲料或饲料添加剂营养价值评定、微生物制剂产品研发过程中在进行微生物发酵时对微量发酵产气量的准确定量记录与数据自动采集存储；也适用于农业、工业上用来记录微量气体产生量的相关检测或监测仪器设备的制造。
采用本发明装置对4种样品进行微生物发酵所测试记录到的最终数据结果见表1所列。关于发酵过程中产气量记录实时存储结果，鉴于数据记录行数数繁多和说明篇幅有限，在此不一一列举。
表1
注1.表示每克待测样品发酵后所产生的气体毫升体积数。
2.产气速度，用每克待测样品平均发酵1小时所产生的气体平均毫升体积数。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置，包括发酵容器(1)，其特征在于，发酵容器(1)通过管道(2)和一个三通部件(3)分别与一个电磁阀(4)和一个压力传感器(5)形成气路连接；还包括一个控制装置(7)分别与所述电磁阀(4)、所述压力传感器(5)、一个用于存储数据的存储装置(8)、一个用于显示的显示装置(9)、以及一个用于输入参数的输入装置(10)形成电路连接。
2.根据权利要求1所述发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置，其特征在于，还包括一个指示灯与所述控制装置(7)电路连接，用于指示对发酵容器(1)中的气体产生量进行数据采集的状态。
3.根据权利要求1所述发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置，其特征在于，还包括一个恒温室，所述发酵容器(1)放置在该恒温室内。
4.根据权利要求1所述发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置，其特征在于，所述压力传感器(5)是一个差压开关，当所述发酵容器(1)中的气压与周围环境气压之差达到设定值时，该差压开光向所述控制装置(1)发出信号。
5.根据权利要求1所述发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置，其特征在于，包括多个发酵容器通过各自的压力传感器和电磁阀分别与控制装置形成电路连接，使得该装置可以同时测量多个相互独立的发酵容器。
6.一种发酵微量气体产生量数据自动采集存储方法，包括如下步骤1)设定压力传感器(5)向控制装置(1)发出信号的压力触发值；2)当压力传感器(5)向控制装置(1)发出一次信号时，标定发酵容器产气容积；3)将样品放入发酵容器(1)中，开始发酵；4)用压力传感器(5)测量发酵容器(1)中的气压；如果发酵容器(1)中的气压达到设定值，则压力传感器(5)向控制装置(1)发出一次信号；5)当控制装置(1)接到压力传感器(5)发来的信号后，向电磁阀(4)发出开启信号，使得电磁阀(4)由气路关闭状态变为开启状态并持续开启一段时间，将发酵容器(1)中的气体释放出来；6)反复执行步骤4)-步骤5)，由控制装置(1)记录压力传感器发出信号的次数和时刻，储存在存储装置(8)中。
7.根据权利要求6所述发酵微量气体产生量数据自动采集存储方法，其特征在于，还包括步骤7)结合步骤2)中标定的发酵容器产气容积，由控制装置计算产气量和平均产气速率结果。
8.根据权利要求6或7所述发酵微量气体产生量数据自动采集存储方法，其特征在于，对于多个发酵容器的产气量的测定，控制装置对每一个发酵容器的产气量和平均产气速率进行独立测定并分别自动记录数据、数据显示和存储。
全文摘要
本发明涉及一种发酵微量气体产生量数据自动采集存储装置及方法。该装置包括发酵容器、三通部件、电磁阀、压力传感器形成气路连接，一个控制装置分别与电磁阀、压力传感器、存储装置、显示装置、输入装置形成电路连接。该方法包括(1)标定发酵容器产气容积；(2)如果发酵容器中的气压达到设定值，则压力传感器向控制装置发出信号；(3)控制装置控制电磁阀由气路关闭状态变为开启状态并持续开启一段时间，将发酵容器1中的气体释放出来；(4)反复执行步骤2)一步骤3)，由控制装置记录压力传感器发出信号的次数和时刻，储存在存储装置中。本发明具有设计结构简易、成本低、省时省力、易操作、易标准化、效率高、运行可靠等优点。
文档编号C12M1/36GK1840650SQ20061001130
公开日2006年10月4日 申请日期2006年1月27日 优先权日2006年1月27日
发明者杨红建, 宋正河, 祝仕平, 毛恩荣 申请人:中国农业大学