气体流量测量装置和包含气体流量测量装置的检测单元的制作方法

本实用新型涉及一种气体流量测量装置(gas flow measurement device)，该气体流量测量装置意图用于在不同工业领域中具有各种应用的分批发酵测定和/或体外分析，所述分批发酵测定包括无氧呼吸分析和有氧呼吸分析。

背景技术：

存在许多现有类型的气体测量装置。此处感兴趣的类型是用液体置换工作的测量装置。一种这样的装置被公开在WO 2010/120229中。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种气体流量测量装置，该气体流量测量装置具有气体隔室并且还包括封闭的湿空间隔室，该气体隔室具有确定且预先界定的内部几何物理容积和有效容积(active volume)，其中所述气体隔室被布置在封闭的湿空间隔室内部，所述气体流量测量装置意图用于在分批发酵测定中和/或在体外分析中通过使用气体流量测量装置通过气流的容积测量进行气体分析测量，该分批发酵测定包括无氧呼吸分析和有氧呼吸分析。气体隔室用作流动池(flow cell)并且封闭的湿空间是流动池室，这在下文进一步讨论。

关于这点，还可以提到，例如在WO 2010/120229中公开的测量装置并不具有例如根据本实用新型的布置的类型，即，具有单气体隔室或布置在单封闭的湿空间隔室中的流动池。

根据一种具体实施方案，气体流量测量装置包括具有气体入口端口和气泡出口的气体管。

根据又另一种具体实施方案，气体流量测量装置包括封闭的湿空间隔室，该封闭的湿空间隔室包括彼此可附接和可拆卸的流动池室和流动池室盖，并且还包括将流动池室盖密封到流动池室的密封环。可选择地，流动池室和流动池室盖还可以永久地焊接在一起，而不使用任何密封环。

此外，气体流量测量装置还可以包括压力传感器和温度传感器。压力传感器和温度传感器可以被布置在装置中不同的位置处。此外，根据本实用新型，不同单元的设计，比如例如流动池的几何构型和容积测量分辨率可以变化。

根据又另一种实施方案，本实用新型涉及一种检测单元，该检测单元包括若干气体流量测量装置，其中所有气体流量测量装置各自包括一个气体隔室，该气体隔室容纳在一个封闭的湿空间隔室中，并且其中所有气体流量测量装置独立地串联连接。

根据本实用新型的气体流量测量装置在许多不同的技术应用中找到用途。一个实例是在体外分析测试中通过使用气体流量测量装置的气流的容积测量。根据本实用新型的体外分析可以用于许多不同的应用，例如在肠道微生物群评估(gut microbiota evaluation)中或在动物饲料的分析或人类食品/营养品的营养和分析中，人类食品/营养品为例如功能食品，比如用于包括病人、婴儿、老年人的特定人群的饮食以及用于运动的个体饮食治疗等。因此，根据本实用新型的一种实施方案，使用气体流量测量装置，通过确定消化率来进行评估动物饲料/营养品(animal feed/nutrition)或人类食品/营养品(human food/nutrition)的特定特性；或通过确定发酵能力/产量或细菌代谢活性、或例如经由直接或间接的气体排放的代谢中间体来进行评估酵母或细菌的代谢活性。

参考动物营养学，特定动物饲料的特定特性可以通过饲料消化得有多好和相关的消化率动力学来确定。瘤胃发酵与气体产量(gas production) 之间存在密切的相关性。这对于除反刍动物以外的单胃动物例如猪和家禽也是如此。气体产量测量方法已经被报道并用于确定饲料的消化率，所述方法集中于基于压力的测压测量。这相对于本实用新型是明显的区别，本实用新型是容积测量。

根据本实用新型的气体流量测量装置在动物营养学领域中具有若干其他的切入点，比如在动物饲料部门(animal feed sector)中用于优化饲料，包括筛选饲料样品或添加剂(例如酶、抗生素、二羧酸等)，之后进行体内测试。

参考人类营养学，可以提及以下内容。肠道微生物群是直接影响人类健康和疾病的高度特殊的器官。消化的食品对人类结肠微生物群的代谢活力和物种组成具有影响。比如根据本实用新型提供的体外技术，对于基于劳动密集型的化学分析或微生物分析或昂贵的分析方法比如HPLC的现今所使用的体内技术呈现出非常有趣的备选方案。根据本实用新型的体外平台中的气体测量可以用于食品的营养评估(饮食，食品咨询(food advice)，食品添加剂/补充剂、婴儿营养品、临床营养品等的生产者)，但还可以用于医学、保健和临床分析领域中。肠道微生物群的变化可能与特定的膳食模式和疾病有关。由微生物群产生的气体类物质影响肠道的状态，并且从而影响人类对象的健康状态。这种气体类物质可以用作生物标志物，以评价胃肠功能和与胃肠道相关的疾病的治疗。

此外，根据本实用新型的又另一种实施方案，气流或气体样品的容积测量可以作为动物饲料的反刍动物饲料评估进行，所述饲料评估涉及动力学信息、消化率和/或可代谢的能量含量。

与本实用新型相关的其他感兴趣的领域是不同的发酵应用。一个这样的感兴趣的领域是，通过经由直接或间接的气体排放(gas emission)确定发酵能力/产量或代谢中间体来评估酵母或细菌的代谢活性。另一个这样的感兴趣的领域是，评估溶解的有机物质或不溶性生物质的有氧呼吸。这样的测试包括但不限于水和废水的生物需氧量(BOD)分析、不溶性有机物质的可堆肥性分析(compostability analysis)和用于生物修复的土壤样品的有氧呼吸测量。在以上提及的情况下，需要连续地供给氧气或空气，并且可以使用本实用新型以及另外的二氧化碳吸附步骤在原位或非原位测量氧气或空气的消耗速率或摄取速率。在这样的布置下，经由细菌或细胞代谢产生的二氧化碳气体可以使用合适的吸附溶液比如碱性溶液(NaOH或KOH) 化学地吸附。氧气或空气的消耗速率或摄取速率实际上使用本实用新型来监测所有重要的动力学信息，以用于数据分析。以上提及的优点适用于当与常规的手动方法或现今所使用的复杂化学和气体组成分析解决方案进行比较时的这些情况。

此外，参考本实用新型的另一个感兴趣的应用是例如生物乙醇发酵。用于个人消耗的酒和乙醇发酵(wine and ethanol fermentation)以及特定的酵母菌株开发(yeast stains development)也是根据本实用新型的方法发挥作用的领域。

此外，利用细菌的应用也是与本实用新型有关的。例如，可以在使用细菌或酵母的发酵工艺中产生的乳酸，是具有范围广泛的应用(聚合物、食品和饮料、个人护理、药物)的构建单元化学品(building block chemical)，并且作为聚乳酸用于包装和纺织品工业中。此处，二氧化碳在乳酸的发酵生产期间的产量也可以用作测量结果，以确定产生微生物的活性、研究动力学并且监测这样的过程。此外，上文提及的优点还适用于当与现今所使用的测压方法进行比较时的这种情况。

此外，用于脱氮(nitrogen removal)的Anammox工艺已经得到越来越多的关注。需要进行Anammox细菌活性分析来研究此特定菌群的生长和富集。根据本实用新型的方法可以用作分批测试平台以进行这样的细菌活性测试，而不需要非常费力且耗时的离线化学分析。

此外，本实用新型还在其他应用中找到用途。一个实例是温室气体排放控制，其可以用于许多不同的领域，比如废物/废水管理、动物养殖、农业等。关于动物养殖，根据本实用新型的体外分析方法可以用作开发和评估动物饲料的解决方案，该解决方案可以减少来自动物呼吸和粪便两者的温室气体排放。来自牛呼吸的甲烷看起来对温室气体排放贡献最大，并且这必须被改变，以便满足动物养殖部门的温室气体减排目标。关于动物废物处理，根据本实用新型的方法或系统可以用作分批平台，以用于各种分批发酵测试，该分批发酵测试遵循模拟来自粪便储存和废物处理的温室气体排放的特定方案。

应当进一步地说明，根据本实用新型的装置当然可以用于沼气和生物甲烷生产的任何领域，以用于基于所生产的气体分析这些过程。

根据本实用新型的方法提供了用于在许多不同应用中连续地监测气体产量的简单工艺，该方法不产生过压。由于根据该方法进行容积测量并且可以针对环境条件对数据进行归一化，所以测量是非常稳健的(robust) 并且给出高品质的结果。如所提及的，根据本实用新型的方法不太容易受实验变化影响，并且误差也如测压方法的情况一样。

此外，本装置可以用于分析上文公开的领域内的若干气体组分。根据一个具体实施方案，进行根据本实用新型的方法的测量，以便将至少一种气体组分和总气体区分。没有迹象表明，仅仅甲烷和二氧化碳将在以上讨论的过程中产生。例如，还可以产生比如氢气或硫化氢或氮气的气体，并且具有多于两种气体化合物的气体混合物也可以是被分析的所产生的混合物，所述多于两种气体化合物来自包括二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、氢气(H₂)、氮气(N₂)、氧气(O₂)和硫化氢(H₂S)等的可能的气体的清单。根据本实用新型，可以采用总气体容积测量和单独的气体组分分析两者。

总而言之，与现今用于本领域中的流量测量装置相关的一个重要差异是，使用根据本实用新型的容积测量，而不是测压测量。根据本实用新型的系统不使用过压或欠压(under-pressure)的事实呈现若干优点，例如高的准确度和精确度，并且不需要以测压原理由压力传感器检测过压和欠压的增大(over and under pressure build up)。根据本实用新型的系统允许使用者无论何时需要准确和精确的测量结果时都测量低气体容积和流量。根据本实用新型的系统提供了可以用于研究和工业应用两者的自动平台，例如在动物或人类营养研究、废水处理、堆肥、生物修复、乙醇发酵、制氢、温室气体排放以及更多的应用中，如上文所讨论的。

附图说明

图1示出了适合用于根据本实用新型的系统的气体流量测量装置；

图2a、图2b和图2c示出了气体流量测量装置；

图3示出了根据本实用新型的一种可能的方法的示意性框图，其中该方法的步骤呈现于框中；

图4表明在35天时期内的温度和压力的变化；

图5a和图5b表明气体容积归一化的重要性，即误差将在人们在界定的条件下不提供气体容积时引入；以及

图6是根据本实用新型的使用反刍动物流体的对于淀粉和草的体外消化率测试的实施例。

具体实施方式

图1示出了适合用于根据本实用新型的系统的气体流量测量装置。图 2a和图2b也示出了气体流量测量装置，然而在这种情况下所有部件是完全分开的。值得注意的是，这种情况下的气体流量测量装置具有封闭的隔室。如可以看出的，气体流量测量装置10包括布置在封闭的湿空间隔室2 中的气体隔室1。此外，实际的气体隔室1具有预先界定的内部几何物理容积和有效容积。此外，气体隔室1具有一个气体累积端和一个提升端，并且具有枢转元件，该枢转元件使得气体隔室能够向上枢转以释放容纳在其中的气体，并且然后向下再次枢转到其初始位置。

此外，装置10包括具有气体入口端口4和气泡出口5的气体管3。此外，封闭的湿空间隔室2包括彼此可附接和可拆卸的流动池室2a和流动池室盖2b，以及还包括密封环6。在图2c中，示出了本实用新型的又另一种实施方案。根据此实施方案，不需要密封环，并且反而是通过直接焊接进行密封。这暗示着流动池室2a和流动池室盖2b永久地焊接在一起。

在图2a-2c中还描绘了流动池架7。

图3示出了根据本实用新型的一种可能的方法的示意性框图，其中该方法的步骤呈现于框中。在这种情况下，所呈现的方法可以用作用于评估例如动物饲料的体外测试平台。

图4-6示出了当评估根据本实用新型的方法时的不同试验的图。图4 表明在35天时期内的温度和压力的变化。该图的目的是表明用于气体容积测量的实时温度和压力补偿的重要性。

图5a和图5b表明气体容积归一化的重要性，即误差将在人们在界定的条件下不提供气体容积时引入。因此，重要的是，陈述气体容积可以在什么条件下在不同的实验室或文献中彼此进行比较。在根据本实用新型的此实施方案中使用的仪器可以进行用于气体容积测量的实时温度和压力补偿，并且所有数据在标准条件(0℃、1个大气压和零含水量)下提供。

此外，图6是根据本实用新型的使用反刍动物流体的对于淀粉和草的体外消化率测试的实施例。消化率动力学是清楚可见的。