一种水葫芦与稻秸混合连续厌氧发酵过程中发酵液的总固体含量的检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及总固体含量检测技术领域，具体涉及一种水萌芦与稻秸混合连续厌氧 发酵过程中发酵液的总固体含量的检测系统。
【背景技术】
[0002] 绿色可再生能源的研究开发已成为世界各国科研工作的重点。生物能源将成为未 来可持续能源系统的重要组成部分。稻秸和水萌芦来源丰富，是作为能源化原料的首选之 一，两者经过一定混合青贮预处理后可以用于连续厌氧发酵，产生有用的可再生清洁能源 甲烷。在连续厌氧发酵过程中，原料的最优添加量，即厌氧发酵系统的有机负荷率一直是该 领域研究人员关注的重点。总固体含量表征了样本中固体部分的含量，其中包括了有机物 以及无机物的含量。在连续发酵过程中，出料发酵液的总固体含量常用于指导进料量的多 少，因此，快速准确地测出连续发酵出料的总固体含量，进而指导进料量情况以提高可再生 能源甲烷的产气率，具有实际意义。
[0003]目前总固体含量的测量方法主要是：
[0004] 2540G 标准方法（APHA, 1999):
[0005] 将陶瓷干锅放入恒温烘箱内，烘干冷却至室温，称重W1;取适量样品，称量干锅和 样品总重为W 2;将样品连同干锅放入烘箱（105°C，24h)，至重量不在变化；移入干燥皿冷却 至室温，称重为W3。然后代入公式：
[0006]
[0007] 计算得到。
[0008] 该方法步骤繁琐，且在烘干至恒重需要多次重复称重烘干，并且每个阶段都需要 消耗大量的时间。用马弗炉加热时，要分阶段多种温度多种时间的控制，这些需要消耗大 量人力和时间。常用的方法无法做到快速实时的检测，即无法快速获取有用信息，准确快速 指导加料情况。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术的不足，本发明提供了一种水萌芦与稻秸混合连续厌氧发酵过程中 发酵液的总固体含量快速检测系统，实现了发酵液中总固体含量的快速、无损、低成本检 测 。
[0010] -种水萌芦与稻秸混合连续厌氧发酵过程中发酵液的总固体含量的检测系统，包 括：
[0011] 盛放待测发酵液的样品槽，
[0012] 扣合在样品槽上的盖体，盖体有7个窗口，分别安装有透过波长不同的滤光片，
[0013] 位于样品槽上方的光源，
[0014] 位置可调的检测器，用于检测盖体上相应位置处的漫反射率，
[0015] 控制单元，用于控制检测器的位置使其检测到7个窗口处的漫反射率，并根据7个 窗口处的漫反射率计算待测发酵液中总固体含量。
[0016] 本发明中光源为线光源，发出的光线为平行束光线，且垂直照射至样品槽。作为优 选，光斑大小不小于样品槽的半径。进一步优选，所述光源为近红外光源。
[0017] 检测器可采用常见的光电探测器，获取从窗口射出的光线的强度，该光线实际上 为置于样品槽中的样品对光源的漫反射光线，根据光源的强度，即可得到漫反射率。
[0018] 由于一个滤光片对应一个透过波长，因此，相应的滤光片移动至预设检测点时检 测器检测到的漫反射率实际上为样品在该滤光片对应的透过波长处的漫反射率。
[0019] 盖体与样品槽之间不是密封的，二者为可拆卸连接。盖体可以透明也可不透明。实 际应用时，为保证光线能够尽可能多的照射样品槽内待测发酵液的表面，所述盖体是透明 的（石英制的无色透明）。
[0020] 所述的控制单元还用于显示并输出计算结果，多通过计算机实现。
[0021] 本发明方法仅采用7个特征波长处的吸光度即可完成检测，易于实现，且不需要 化学试剂，环保。
[0022] 本发明中7个窗口安装的滤光片的透过波长分别为895nm，928nm，1079nm， 1538nm，1666nm，1676nm 和 1724nm。
[0023] 其中，930nm附近波长对应亚甲基-〇12中C-H键伸缩振动，1724nm附近对应亚甲 基-CH 2中C-H键反对称振动一级倍频。
[0024] 控制单元根据如下公式计算得到待测发酵液中的总固体含量：
[0025] Yts= 0. 175+8. 545X10 ^+3. 691X 10 2A2+6. 760X 10 2A3-
[0026] ，
[0027] 8. 402X 10 3A4-L 617X10 3Α5+4· 706X 10 2A6-L 102X 10 2A7
[0028] 其中，Ap A2、A3、A4、A5、AjP A 7分别为待测发酵液在各个滤光片处的标准吸光度， 且对应的滤光片的透过波长依次增大（即从A7对应的滤光片的透过波长依次增大）； 所述的标准吸光度根据相应透过波长处理的漫反射率计算得到。
[0029] 针对第i个滤光片，其对应的标准吸光度Xlttia利用公式：
[0030]
[0031] 计算得到，其中，X1为第i个滤光片对应的吸光度，X i为第k个滤光片对应的吸光 度，无:为7个滤光片对应的吸光度的平均值，i = 1，2，…，7, k= 1，2，…，7, XjPxk根据 相应的滤光片对应的漫反射计算得到。
[0032] 其中，针对任意一个滤光片，待其吸光度利A用公式：
[0033] A = log(l/R)
[0034] 计算得到，其中，R为滤光片对应的漫反射率。
[0035] 在实际应用时待检测发酵液需要在发酵罐中进行发酵，作为优选，本发明中样品 槽设有进样口和出样口，进样口用于与发酵罐连接，出样口用于排放已完成检测的发酵液。
[0036] 为进一步实现全自动测量，作为优选，所述出样口和进样口处分布设有电磁阀，所 述电磁阀的开关状态通过控制单元控制。
[0037] 为提高自动化程度，所述样品槽中还设有压力传感器，用于检测加入发酵液的高 度，并反馈给控制单元以控制进样口处的电磁阀的开关装置。当高度达到预设值时关闭进 样口处的电磁阀。
[0038] 在实际使用时需要预先在控制单元中设定控制方案，这样应用时直接将样品槽 连接好，由控制单元按照预设的控制方案进行控制即可检测得到待测发酵液的总固体含 量，大大减少了人工成本，可进行连续发酵出料的发酵液中总固体的含量。
[0039] 本发明以7个波长处的吸光度标准化处理得到的标准吸光度作为自变量，总固体 含量作为因变量，根据发酵液中总固体含量与发酵液在7个特征波长处的吸光度（标准吸 光度）的关系，实现发酵液中总固体含量的无损、快速检测。
[0040] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0041] 系统结构简单，易于操作，且系统维护成本低廉；
[0042] 仅采用7个特征波长处的吸光度即可完成检测，易于实现，且不需要化学试剂，环 保；
[0043] 实现了全自动化，检测速度快，精度高；
[0044] 可以快速、准确地测出连续发酵出料的总固体含量，进而指导进料量情况以提高 甲烷产气率，具有良好的经济效益，由于连续发酵时，可再生能源甲烷的产气率与发酵环境 中的总固体含量，尤其是其中有机质部分紧密相关，传统的测量手段通过马弗炉连续高温 处理来计算总固体含量需要耗费大量时间与人力。
【附图说明】
[0045] 图1为本实施例的水萌芦与稻秸混合连续厌氧发酵过程中发酵液的总固体含量 的检测系统的结构示意图；
[0046] 图2为本实施例中建模集与预测集样本的总固体含量的预测值与实际值的散点 分布图。
【具体实施方式】
[0047] 下面将结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0048] 如图1所示，本实施例的水萌芦与稻秸混合连续厌氧发酵过程中发酵液的总固体 含量的检测系统，包括：盛放待测发酵液的样品槽1，扣合在样品槽上的盖体2,盖体有8个 窗口，分别安装有透过波长不同的滤光片3,位于样品槽上方的光源4,位置可调的检测器 5,用于检测盖体上相应位置处的漫反射率，控制单元6,用于控制检测器的位置使其检测 到8个窗口处的漫反射率，并根据8个窗口处的漫反射率计算待测发酵液中总固体含量。
[0049] 样品槽1的直径5cm，为便于检测器测量各个每个窗口处的漫反射率，各个窗口 形状、尺寸相同，且按规则均匀排布在盖体上，具体通常可尺寸根据盖体尺寸和窗口个数设 定。
[0050] 盖体2与样品槽1之间不是密封的，二者为可拆卸连接。盖体可以透明也可不透 明。为保证光线能够尽可能多的照射样品槽内待测发酵液的表面，本实施例中盖体是透明 的（石英制的无色透明）。
[0051] 7个窗口安装的滤光片3的透过波长分别为895nm，928nm，1079nm，1538nm， 1666nm，1676nm