一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法，该系统包括：用于监测所述多阶段生物质发酵反应体系中的至少两个生物质发酵反应器的一种或多种工艺参数和/或操作条件的传感器和/或探头；通过数字光缆或模拟信号光缆与上述传感器和/或探头实现数据或信息传送的中央控制器或总服务器，根据其中至少一个生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件的监测结果确定维持或调整其他生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件；以及用于维持或调整工艺参数和/或操作条件的执行器，所述执行器通过数字光缆或模拟信号光缆与上述中央控制器或总服务器实现数据或信息传送。
【专利说明】一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法，特别是，涉及一种用至少两个生物质发酵反应器生产混合氢烷的监控系统及其监控方法。
【背景技术】
[0002]至今化石能源仍是我国能源主体，但高质量的石油天然气探明储量及开采数量均远不能满足今后的需求，而煤炭则热值相对低、污染重，不宜再加大在能源中的比例。相对地，生物质能资源丰富，据估算全球每年通过光合作用约积累2200亿吨生物质，并且生物质能可通过生物或化学的方法气化或液化可转化成现代高质量能源，既提高了热效率又降低了环境污染，因此生物质能为化石能源的有效替代能源。
[0003]生物质能厌氧处理技术的研究主要是在生物质沼气化、生物质液化成乙醇、生物燃料和微生物燃料电池、生物质能生成水煤气以及生物制氢等几个方向。在实际应用中，为获得不同含量/浓度的产物或为获得两种或几种上述发酵产物往往采用多个生物质反应器的发酵方式。例如，近年来将生物质能发酵处理生产氢气和甲烷的技术成为研究热点，特别是氢气/甲烷生物燃料(BioHythane)成为继生物天然气之后的第二代气体生物燃料。通过微生物发酵产氢、产甲烷的过程由水解液化、产氢产酸和产甲烷三阶段组成，在实际甲烷发酵体系中，较多使用的是厌氧颗粒泥等混合菌群体系，整个厌氧消化过程是一个菌群间相互作用、相互制约的动态平衡过程，而且不同的反应物料和反应条件对反应体系的影响很大。因此，相互关联、相互影响的多个发酵反应器的发酵反应过程需要有效地监控各阶段反应中的工艺参数和操作条件。
[0004]近年来，国内外研究中也提到了对发酵处理过程的监控系统和监控方法，例如CN101613662A公开了一种沼`气发酵智能化管理系统，该系统包括计算机、现场数据采集装置和传感器，设置在发酵系统各主要设备上的传感器通过通讯电缆与现场数据采集装置连接，现场数据采集装置通过通讯电缆与计算机连接。现场数据采集装置采用可编程序控制器对温度、压力、液位、理化指标、沼气成分、流量等工艺参数进行数据采集，并由计算机通过可编程序控制器对泵、搅拌器、电动阀等执行元件进行控制。该系统采用了组态软件，因此能够将所控制的各主要工艺设备以图形的形式、各工艺参数以数字的方式通过显示器直观地显示出来，方便地实现整个生产系统的监控，提高了工作效率。
[0005]CN201984344U公开了一种微生物发酵设备监控系统，该系统包括发酵罐、监控模块、补料管道、蠕动泵、补料瓶、主控计算机，其中，监控模块包括控制器，设置在发酵罐侧壁并分别与控制器连接的PH传感器和溶氧电极，并且将蠕动泵、控制器、主控计算机依次连接，实现了对PH信号和溶氧信号的实时监控，对发酵过程的流加补料实施自动反馈控制，进一步提闻发酵广品的广率。
[0006]US6, 942，962B1公开了一种对发酵过程的监控方法，通过确定特定发酵菌株的培养基用量与细胞生长之间的关系曲线的方法，监控反应过程中的各个物料的浓度，从而优化了整个发酵过程。该发明列举了制备酒精饮料、丙酮以及药剂方向上的实施方案，其监控方法包括:测定初始培养基中各个物料的浓度；测定各个物料的浓度变化曲线；确定和监控在发酵过程中菌株量与各个物料浓度之间的关系曲线；以及按照实际情况及时调节物料用量。
[0007]US5, 470，745公开了一种用于发酵制甲烷过程的监控系统，该系统包括主发酵罐、主传感装置、模型控制计算机、参数控制计算机以及由辅助发酵罐和辅助传感装置构成的试验装置。设置在主发酵罐上的主传感装置用于测定其PH值、乙酸浓度等参数，将测得的参数值反馈到模型控制计算机，根据既定的发酵过程模型推算出物料的理论参数值，而后由参数控制计算机根据理论参数值控制主发酵罐中的物料参数。另外，该发明中使用了辅助发酵罐和辅助传感装置，通过小型试验装置优化了发酵过程模型。
[0008]目前为止，现有技术中的监控系统所使用的监控方法都是通过发酵设备配有的检测设备和控制设备达到监控其参数的目的，从而在低成本的基础上提高其产品产率。然而，众所周知，在多阶段生物质发酵反应体系中，用相互关联、相互影响的多个生物质发酵反应器生产混合氢烷的过程需要多个厌氧反应的协同作用，各个反应中的物料参数、反应条件以及产物产率都各不相同，很难直接利用上述监控方法达到优化整个发酵体系的目的。
[0009]上述专利文献的所有公开内容在此全文引入以作参考。
[0010]为解决上述现有技术中所面临的问题，本发明提供了一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统及其监控方法，监控系统对至少两个相互关联、相互影响的生物质发酵反应器的进料流量、出料流量、物料回流量、温度、酸碱度、氧化还原电位、压力、发酵时间等工艺参数和/或操作条件进行监控，并在必要时根据监控结果对它们做出调整，其中，根据中央控制器或总服务器中内设的逻辑式和/或数学模型确定需要调整或维持的工艺参数和/或操作条件，将各个发酵反应器既作为独立反应系统亦作为协同体系，优化了各个发酵反应过程，也进一步提高了产品产率。
【发明内容】
[0011]根据本发明的第一个方面，提供一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统，包括:
[0012]用于监测所述多阶段生物质发酵反应体系中的至少两个生物质发酵反应器的一种或多种工艺参数和/或操作条件的传感器和/或探头；
[0013]通过数字光缆或模拟信号光缆与上述传感器和/或探头实现数据或信息传送的中央控制器或总服务器，所述中央控制器或总服务器包括至少一个可编程逻辑控制器(PLC)，根据其中至少一个生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件的监测结果确定维持或调整其他生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件；和
[0014]用于维持或调整工艺参数和/或操作条件的执行器，所述执行器通过数字光缆或模拟信号光缆与上述中央控制器或总服务器实现数据或信息传送。
[0015]在上述监控系统中，可进一步包括与上述中央控制器或总服务器实现人-机互动的操作器，通过无线或有线信号传输方式与上述中央控制器或总服务器实现数据或信息传送；所述操作器可包括至少一个人-机互动界面，对机器识别的信息和人识别的信息进行互换。[0016]优选地，所述工艺参数和/或操作条件为进料流量、出料流量、物料回流量、温度、酸碱度、氧化还原电位、压力、导电率、氧含量、搅拌速率、物流浓度和/或发酵时间。
[0017]在上述监控系统中，所述可编程逻辑控制器(PLC)可根据其内设的逻辑式和/或数学模型确定需要调整或维持的工艺参数和/或操作条件。其中，所述逻辑式和/或数学模型可以是工艺参数和/或操作条件的预设值、工艺参数和/或操作条件的监测值相对于预设值的离散度、数学关系式和/或统计分析模型。
[0018]在上述系统中，所述机器识别的信息可包括上述传感器和/或探头、中央控制器或总服务器、操作器、执行器、数字光缆或模拟信号光缆以及可编程逻辑控制器(PLC)可识别的信息。
[0019]优选地，所述操作器是计算机或计算机系统；所述人-机互动界面是嵌入式触摸显示屏或嵌入式非触摸显示屏。[0020]在上述监控系统中，所述执行器可选自于泵、阀、流量和/或流速控制器、控温器、压力控制器、酸碱度调节器、搅拌器、浓度控制器、发酵时间控制器以及氧化还原电位控制器。另外，所述执行器可进行全自动、半自动或手工操作。
[0021]在上述的多阶段生物质发酵体系中，优选地，所述生物质发酵反应器是中高温连续流搅拌式反应器(CSTR)或上流式厌氧污泥床(UASB)反应器。更优选地，每个所述生物质发酵反应器都设有发酵物料回流装置。
[0022]本发明的监控系统可用于监控氢气/甲烷混合氢烷、乙醇/甲烷混合醇烷、氢气/微生物燃料电池或乙醇/微生物燃料电池自动化生产。特别是，所述监控系统可用于监控混合比特定的氢气/甲烷混合氢烷自动化生产。
[0023]根据本发明的第二个方面，提供一种用上述监控系统监控多阶段生物质发酵反应体系的方法，依次包括以下步骤:
[0024](I)上述传感器和/或探头监测所述多阶段生物质发酵反应体系中的至少两个生物质发酵反应器的一种或多种工艺参数和/或操作条件，监测数据经上述数字光缆或模拟信号光缆传至中央控制器或总服务器；
[0025](2)所述可编程逻辑控制器(PLC)对上述监测数据进行统计和分析，根据其中至少一个生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件的监测结果确定维持或调整其他生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件，并向上述执行器发出操作指令；
[0026](3)上述执行器通过数字光缆或模拟信号光缆接收来自上述中央控制器或总服务器的操作指令，并根据所述操作指令进行工作，对上述工艺参数和/或操作条件做出维持和/或调整的操作。
[0027]在上述监控方法中，进一步可通过所述操作器进行实现人-机互动，在步骤(2 )和步骤(3)之间还可包括以下步骤:
[0028](2-a)经所述可编程逻辑控制器(PLC)处理的监测数据和/或可编程逻辑控制器(PLC)对监测数据进行统计和分析的结果经无线或有线信号传输方式传至操作器，操作器对机器识别的信息和人识别的信息进行互换，所述人-机互动界面显示上述人识别的信息；
[0029](2-b)经上述人-机互动界面向上述中央控制器或总服务器发出维持或调整至少一个生物质发酵反应器的至少一种生物质发酵工艺参数和/或操作条件的人识别的指令，上述人识别的指令经所述操作器处理变为上述机器识别的指令；
[0030](2-c)上述机器识别的指令经无线或有线信号传输方式传送至中央控制器或总服务器，并经所述可编程逻辑控制器(PLC)处理变为上述执行器可识别的操作指令。
[0031]本发明的监控方法中，所述执行器可按照需求选择进行全自动、半自动或手工操作。所述可编程逻辑控制器(PLC)可根据其内设的逻辑式和/或数学模型将上述机器识别的指令变为上述执行器可识别的操作指令。
[0032]根据本发明的第三个方面，提供一种可监控多阶段生物质发酵反应的系统，包括:
[0033]至少两个用于多阶段生物质发酵反应的生物质发酵反应器，每个反应器具有发酵物料回流装置；和上述用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统。
[0034]优选地，上述可监控多阶段生物质发酵反应的系统用于生产混合比特定的氢气/甲烷混合氢烷。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]图1为本发明可监控生物质发酵制混合氢烷的系统的一个实施方式示意图。
[0036]图2为图1实施方式的监控流程图。
[0037]图3为图1实施方式中操作器人-机互动界面的示意图。
[0038]图4为实施例1的制 氢反应器中监控pH值时pH值、ORP值与温度的监测数据记录图。
【具体实施方式】
[0039]通过以下参考附图的描述进一步详细解释本发明，但以下描述仅用于使本发明所属【技术领域】的普通技术人员能够更加清楚地理解本发明的原理和精髓，并不意味着对本发明进行任何形式的限制。
[0040]在本实施方式中，可监控生物质发酵制混合氢烷的系统主要包括制氢反应器、制甲烷反应器、制氢反应器的传感器和执行器、制甲烷反应器的传感器和执行器、中央控制器以及与中央控制器实现人-机互动的操作器，其中，制氢反应器和制甲烷反应器通过物料输送管道相连通，两个反应器相互关联、相互影响，并且在制氢反应器和制甲烷反应器上各设有物料回流装置，而中央控制器包括可编程逻辑控制器(PLC)，根据其内设的逻辑式和/或数学模型确定需要调整或维持的工艺参数和/或操作条件。
[0041]图1为本实施方式可监控生物质发酵制混合氢烷的系统的示意图，图2为本实施方式的监控流程图。
[0042]图1所示系统的主要组件标记数说明参见下面表1。
[0043]表1
[0044]
【权利要求】
1.一种用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统，包括: 用于监测所述多阶段生物质发酵反应体系中的至少两个生物质发酵反应器的一种或多种工艺参数和/或操作条件的传感器和/或探头； 通过数字光缆或模拟信号光缆与上述传感器和/或探头实现数据或信息传送的中央控制器或总服务器，所述中央控制器或总服务器包括至少一个可编程逻辑控制器(PLC)，根据其中至少一个生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件的监测结果确定维持或调整其他生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件；和 用于维持或调整工艺参数和/或操作条件的执行器，所述执行器通过数字光缆或模拟信号光缆与上述中央控制器或总服务器实现数据或信息传送。
2.根据权利要求1所述的监控系统，其中所述监控系统还包括与上述中央控制器或总服务器实现人-机互动的操作器，通过无线或有线信号传输方式与上述中央控制器或总服务器实现数据或信息传送；所述操作器包括至少一个人-机互动界面，对机器识别的信息和人识别的信息进行互换。
3.根据权利要求1所述的监控系统，其中所述工艺参数和/或操作条件为进料流量、出料流量、物料回流量、温度、酸碱度、氧化还原电位、压力、导电率、氧含量、搅拌速率、物流浓度和/或发酵时间。
4.根据权利要求1所述的监控系统，其中所述可编程逻辑控制器(PLC)根据其内设的逻辑式和/或数学模型确定需要调整或维持的工艺参数和/或操作条件。
5.根据权利要求2所述的监控系统，其中所述机器识别的信息包括上述传感器和/或探头、中央控制器或总服务器、操作器、执行器、数字光缆或模拟信号光缆以及可编程逻辑控制器(PLC)可识别的信息。
6.根据权利要求2所述的监控系统，其中所述操作器是计算机或计算机系统；所述人-机互动界面是嵌入式触摸显示屏或嵌入式非触摸显示屏。
7.根据权利要求4所述的监控系统，其中所述逻辑式和/或数学模型为工艺参数和/或操作条件的预设值、工艺参数和/或操作条件的监测值相对于预设值的离散度、数学关系式和/或统计分析模型。
8.根据权利要求1所述的监控系统，其中所述执行器选自于泵、阀、流量和/或流速控制器、控温器、压力控制器、酸碱度调节器、搅拌器、浓度控制器、发酵时间控制器以及氧化还原电位控制器。
9.根据权利要求1所述的监控系统，其中所述执行器进行全自动、半自动或手工操作。
10.根据权利要求1所述的监控系统，其中所述生物质发酵反应器是中高温连续流搅拌式反应器(CSTR)或上流式厌氧污泥床(UASB)反应器。
11.根据权利要求1所述的监控系统，其中每个所述生物质发酵反应器都设有发酵物料回流装置。
12.根据权利要求1所述的监控系统，所述监控系统用于监控氢气/甲烷混合氢烷、乙醇/甲烷混合醇烷、氢气/微生物燃料电池或乙醇/微生物燃料电池自动化生产。
13.根据权利要求12所述的监控系统，所述监控系统用于监控混合比特定的氢气/甲烧混合氢烧自动化生产。
14.一种用根据权利要求1-13任何之一所述的监控系统监控多阶段生物质发酵反应体系的方法，依次包括以下步骤: (1)上述传感器和/或探头监测所述多阶段生物质发酵反应体系中的至少两个生物质发酵反应器的一种或多种工艺参数和/或操作条件，监测数据经上述数字光缆或模拟信号光缆传至中央控制器或总服务器； (2)所述可编程逻辑控制器(PLC)对上述监测数据进行统计和分析，根据其中至少一个生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件的监测结果确定维持或调整其他生物质发酵反应器的至少一种工艺参数和/或操作条件，并向上述执行器发出操作指令； (3)上述执行器通过数字光缆或模拟信号光缆接收来自上述中央控制器或总服务器的操作指令，并根据所述操作指令进行工作，对上述工艺参数和/或操作条件做出维持和/或调整的操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，在步骤(2)和步骤(3)之间还包括以下步骤: (2-a)经所述可编程逻辑控制器(PLC)处理的监测数据和/或可编程逻辑控制器(PLC)对监测数据进行统计和分析的结果经无线或有线信号传输方式传至操作器，操作器对机器识别的信息和人识别的信息进行互换，所述人-机互动界面显示上述人识别的信息； (2-b)经上述人-机互动界面向上述中央控制器或总服务器发出维持或调整至少一个生物质发酵反应器的至少一种生物质发酵工艺参数和/或操作条件的人识别的指令，上述人识别的指令经所述操作器处理变为上述机器识别的指令； (2-c)上述机器识别的指令经无线或有线信号传输方式传送至中央控制器或总服务器，并经所述可编程逻辑控制器(PLC)处理变为上述执行器可识别的操作指令。
16.根据权利要求14`所述的方法，其中对所述执行器进行全自动、半自动或手工操作。
17.根据权利要求14所述的方法，其中所述可编程逻辑控制器(PLC)根据其内设的逻辑式和/或数学模型将上述机器识别的指令变为上述执行器可识别的操作指令。
18.—种可监控多阶段生物质发酵反应的系统，包括: 至少两个用于多阶段生物质发酵反应的生物质发酵反应器，每个反应器具有发酵物料回流装置；和 根据权利要求1-13任何之一所述的用于多阶段生物质发酵反应体系的监控系统。
19.根据权利要求17或18所述的系统，其用于生产混合比特定的氢气/甲烷混合氢烧。
【文档编号】C12M1/36GK103525696SQ201210230597
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年7月4日 优先权日:2012年7月4日
【发明者】邢新会, 刘志丹, 张翀, 韩冰, 郭小汾, 王理 申请人:北京低碳清洁能源研究所