專利名稱：一種微生物生化反應熱圖譜測試裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱力學技術領域，具體指一種采用微量熱技術來測定微生物 生化反應熱圖譜的裝置。通過本裝置獲得的生化反應熱圖譜可以了解微生物 在生化反應過程中的放熱特征及其能量利用機制，可進行生化反應代謝途徑 和機理研究，進而應用于指導工程實踐。
背景技術：
微生物的新陳代謝從廣義上包括物質(zhì)代謝和能量代謝兩方面的內(nèi)容有 機底物中的營養(yǎng)物質(zhì)被生化反應器內(nèi)的微生物攝入，部分合成為微生物細胞的結(jié)構(gòu)材料，部分降解為C02和H20等廢料并釋出，表觀上發(fā)生有機底物的 降解、細胞增殖等現(xiàn)象，這是物質(zhì)形態(tài)的變化過程；與之同步的是能量轉(zhuǎn)化 和遷移的過程，是底物中化學能向細胞的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的過程，即微生物通 過分解代謝作用將污染物中蘊含的化學能轉(zhuǎn)化為細胞合成及維持生命所需的 各類能量，釋放出熱能，并使有機物含能水平降低或向低能態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的過 程。傳統(tǒng)的生物化學反應理論主要圍繞基于元素的指標展開，即以研究物質(zhì) 形態(tài)的變化為主，而對底物中能量在微生物體內(nèi)的轉(zhuǎn)化、消耗和再生的熱力 學過程的研究不夠。事實上能量和物質(zhì)相互依存，生化反應器完全適合采用 熱力學手段進行研究，通過放熱圖譜研究了解微生物生化反應的放熱特征及 其能量利用機制，并將這種機制應用于指導反應器更新和過程優(yōu)化。生化反應器中，特別是用于水處理的生化過程，微生物濃度低、反應釋 放的熱量微小，普通熱分析方法和裝置很難進行精確研究，所以需要采用高 精度、高靈敏度、微量化的方法——微量熱法(Microcalorimetry)，并由此設計 了一些微量熱儀，如國產(chǎn)RD496-2000型微量熱儀屬于熱導式量熱計，具有相當?shù)撵`敏度和精度。微量熱系統(tǒng)一般采用孿生量熱腔結(jié)構(gòu)。熱量計由量熱本 體、恒溫系統(tǒng)、電能標定裝置和記錄儀組成。其基本原理是量熱腔與恒溫 塊之間，裝置多對熱電偶。當反應系統(tǒng)有熱量釋放出時，熱經(jīng)熱電偶傳遞給 環(huán)境(即恒溫塊)；同時熱電偶將量熱腔與恒溫塊之間的溫差轉(zhuǎn)換為電信號， 由記錄儀記錄下來。隨著反應過程的終止和熱量的傳出，反應系統(tǒng)的溫度與 環(huán)境的溫度逐漸平穩(wěn)，記錄儀給出的曲線又回到反應前的基線水平。由記錄 儀繪出的熱譜曲線峰面積的大小可求出反應的熱效應。但現(xiàn)有的微量熱儀主 要應用于化工領域，其結(jié)構(gòu)設計和功能均不能直接滿足微生物活性檢測的要 求，不能直接測試微生物生化反應熱圖譜并進而了解微生物在生化反應過程 中的放熱特征。發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有微生物生化反應量熱技術空白和普通微量熱儀不能直接測試微 生物生化反應熱圖譜而導致適用性不足的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種微 生物生化反應熱圖譜測試裝置，本裝置在現(xiàn)有微量熱儀基礎上改造而來，建 立微生物生化反應熱圖譜的測試方法并檢驗其可靠性。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 一種微生物生化反應熱圖譜測試裝置，它 包括微量熱儀，微量熱儀包括爐體，在爐體內(nèi)設有量熱通道和參比通道，量 熱通道和參比通道的底部設有量熱池和參比池，其特征在于在量熱池和參 比池內(nèi)分別設有安瓿瓶，安瓿瓶由內(nèi)套和外套組成，內(nèi)套懸吊在外套內(nèi)，內(nèi) 套具有易捅破的底部；在量熱通道和參比通道內(nèi)插入有氣體導入管和氣體導 出管，氣體導入管位于氣體導出管內(nèi)并伸入安瓿瓶內(nèi)套中且可上下移動，氣 體導出管與安瓿瓶內(nèi)套連通，氣體導出管的出氣口位于量熱通道和參比通道 外，在量熱通道和氣體導出管之間以及參比通道和氣體導出管之間設有密封 機構(gòu)。進一步地，在量熱通道和氣體導出管之間以及參比通道和氣體導出管之 間設有若干阻熱片，阻熱片位于密封機構(gòu)和量熱池之間。5在量熱池和參比池口部通過卡環(huán)安裝有帶通孔的上端蓋，卡環(huán)套在上端 蓋上，卡環(huán)內(nèi)圓周嵌在上端蓋外壁環(huán)形槽中，卡環(huán)外圓周嵌在量熱池和參比 池內(nèi)壁環(huán)形槽中，在量熱通道和參比通道內(nèi)設有導氣連桿，導氣連桿中心設 有導氣孔，導氣連桿位于阻熱片下方，導氣連桿下端與上端蓋連接，導氣連 桿上端通過接頭與氣體導出管下端連接，氣體導入管從導氣連桿導氣孔和上 端蓋的通孔中穿過進入安瓿瓶內(nèi)套中。所述氣體導入管進氣口與供氣系統(tǒng)連接，所述供氣系統(tǒng)包括儲氣鋼瓶、 氣體三通和抗壓硅膠管，儲氣鋼瓶通過管路與氣體三通進氣端連接，在管路 上設有減壓閥，氣體三通兩出氣端分別通過抗壓硅膠管與量熱通道和參比通 道對應的氣體導入管進氣口連接，在抗壓硅膠管上設有氣體流量計。相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1) 微生物生化反應熱譜測試系統(tǒng)具有了導入氣體、排放廢氣的功能，并 向微生物提供生化反應所需要的溶解氧。裝置通過加裝供氣系統(tǒng)和強化外部 溫度控制手段，可在恒溫狀態(tài)下將外部氣體引入微量熱儀內(nèi)部的量熱池，為 微生物生化反應提供了曝氣的基本條件，并基本消除了外部環(huán)境的干擾。因 此，微生物生化反應熱圖譜測試可以作為開放體系進行內(nèi)外部的氣-固、氣-液二相間的交換反應試驗，彌補了現(xiàn)有微量熱儀結(jié)構(gòu)設計的不足。(2) 微生物生化反應熱圖譜測試具有了攪拌測試樣品的功能。微生物樣品 需要與營養(yǎng)液互相混合、充分接觸，反應才可以正常進行，而現(xiàn)有微熱量熱 計本身并未在量熱池中設計攪拌裝置，本發(fā)明設計利用通入氣流來實現(xiàn)攪拌 功能氣體經(jīng)過氣體導入管末端的出氣口形成小氣泡，并進入量熱池內(nèi)部， 在這里氣泡上升、破碎，使得安瓿瓶中的微生物樣品與配置的營養(yǎng)液一起處 于攪動狀態(tài)。(3) 微生物生化反應熱圖譜測試具有了控制反應起點和加料的功能。本發(fā) 明通過控制安瓿瓶內(nèi)外套兩種物質(zhì)混合的時間，達到控制微生物生化反應起 點和加料的功能。


圖1—本發(fā)明系統(tǒng)構(gòu)成圖； 圖2一圖l局部放大圖；圖3—本發(fā)明安瓿瓶分解圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳述。參見圖l和圖2，從圖上可以看出，本發(fā)明微生物生化反應熱圖譜測試裝 置，它包括微量熱儀，微量熱儀包括爐體8、測控箱9、電腦10和對應的測 控系統(tǒng)主控軟件。在爐體8內(nèi)設有量熱通道6和參比通道7，量熱通道6和參 比通道7的底部設有量熱池12和參比池。量熱池12和參比池內(nèi)分別設有玻 璃安瓿瓶13，安瓿瓶由內(nèi)套14和外套15組成，內(nèi)套14懸吊在外套15內(nèi)。 內(nèi)套最大容積2.5ml，外套最大容積約7ml，可根據(jù)試驗需要分裝兩種不同液 體狀物質(zhì)。內(nèi)套具有易捅破的底部，因此底部極薄，實施例中安瓿瓶內(nèi)套底 部為半球形構(gòu)造，這樣應力集中更易捅破。圖3為安瓿瓶分解圖。在量熱通道6和參比通道內(nèi)插入有氣體導入管16和氣體導出管17,氣體 導入管16位于氣體導出管17內(nèi)并伸入安瓿瓶內(nèi)套14中且可上下移動，氣體 導出管17與安瓿瓶內(nèi)套14連通，氣體導出管的出氣口 18位于量熱通道6和 參比通道外，在量熱通道6和氣體導出管17之間以及參比通道和氣體導出管 之間設有密封機構(gòu)19。氣體導入管的目的是將安瓿瓶內(nèi)套捅破，使內(nèi)外套的反應物結(jié)合進行反 應，同時將反應所需氣體通入安瓿瓶中， 一方面提供反應所需條件，另一方 面產(chǎn)生的氣流起攪拌作用，以利于反應更好地進行。氣體導出管的目的是將 剩余氣體和反應產(chǎn)生的廢氣通過出氣口排放。本裝置通過控制氣體導入管的 移動刺破安瓿瓶內(nèi)套底部的時間，達到控制安瓿瓶內(nèi)外套兩種物質(zhì)混合時間 的目的，從而實現(xiàn)控制微生物生化反應起點和加料的功能。氣體導入管上下 移動的目的是將安瓿瓶內(nèi)套捅破，因此氣體導入管不能固定死。未捅破前氣7體導入管懸掛在導入管定位器20上，需要捅破時，將氣體導入管16從導入 管定位器20上取下，輕輕向下一捅即可將安瓿瓶內(nèi)套14捅破。氣體導入管 16刻有間距5mm的刻度以便確定其移動的距離。
參見圖2，在量熱通道6和氣體導出管17之間以及參比通道和氣體導出 管之間設有若干阻熱片21 (圖上為三個，等距離布置)，阻熱片21位于密封 機構(gòu)19和量熱池12 (參比池)之間，以盡量使反應產(chǎn)生的熱量不散失，確保 結(jié)果準確。
參見圖2，在量熱池12和參比池口部通過卡環(huán)22安裝有帶通孔的上端蓋 23，卡環(huán)22套在上端蓋23上，卡環(huán)22內(nèi)圓周嵌在上端蓋23外壁環(huán)形槽中， 卡環(huán)22外圓周嵌在量熱池12和參比池內(nèi)壁環(huán)形槽中。在量熱通道6和參比 通道內(nèi)設有導氣連桿24，導氣連桿24中心設有導氣孔，導氣連桿24位于阻 熱片21下方，導氣連桿24下端與上端蓋23螺紋連接，氣體導出管17下端 設有接頭25，導氣連桿24上端與接頭25螺紋連接，通過接頭25與氣體導出 管17下端連接，氣體導出管也由此得以定位。氣體導入管從導氣連桿導氣孔 和上端蓋的通孔中穿過進入安瓿瓶內(nèi)套中。
供氣系統(tǒng)與氣體導入管進氣口 26連接。參見圖l，供氣系統(tǒng)包括儲氣鋼 瓶l、氣體三通4和抗壓硅膠管11，儲氣鋼瓶l的出口設有開關2，儲氣鋼瓶 1通過管路與氣體三通4進氣端連接，在管路上設有減壓閥3，氣體三通4兩 出氣端分別通過抗壓硅膠管11與量熱通道6和參比通道對應的氣體導入管進 氣口 26連接，在抗壓硅膠管11上設有氣體流量計5?；旌蠚怏w(含10%氧氣 及90%氬氣)從鋼瓶1流出，經(jīng)過氣瓶開關2和減壓閥3減壓至試驗要求壓 力，再由氣體三通4分接至兩個由抗壓硅膠管11構(gòu)成的氣體平行支路，最后 進入氣體導入管16，氣體流量由氣體流量計控制。其中，減壓閥壓力調(diào)節(jié)范 圍為0.02 0.25Mpa;氣體流量計流量調(diào)節(jié)范圍為4mL/min 40mL/min。為了保 持兩管路的管道阻力相同，兩平行支路的管道長度相同并且所有管路在試驗 中均保持自然垂放狀態(tài);所有連接部位均采用生膠帶纏繞并輔以AB膠粘合的 連接方法，保證結(jié)合部能承受一定壓力，同時不出現(xiàn)氣體泄漏現(xiàn)象。本供氣系統(tǒng)利用通入的混合氣體不僅對活性污泥的生化反應起到了攪拌作用，而且 也提供了反應進行所需要的氧氣。
利用本裝置進行微生物生化反應熱圖譜測試的一個實施例
開啟空調(diào)，設定低于微量熱儀(實施例中微量熱儀型號為RD496-2000型) 爐體8溫度0.5"C的室溫并長期不間斷控溫，待室內(nèi)溫度徹底穩(wěn)定后啟動 CK2000測控箱9的開關，開啟電腦10，打開CK2000測控系統(tǒng)主控軟件，設 定儀器控制溫度T (盡量與爐體8溫度相近)及儀器靈敏度S，并選擇量熱通 道、量程和偏移量。試驗前微量熱儀至少控溫預熱24小時。這些操作和要求 跟現(xiàn)有微量熱儀的操作和要求一樣。CK2000測控箱、電腦和CK2000測控系 統(tǒng)主控軟件為微量熱儀自帶部分，本發(fā)明只是利用現(xiàn)有微量熱儀進行結(jié)構(gòu)設 計而實現(xiàn)微生物生化反應這種特定熱圖譜的測試。
取樣與預處理從運行中的生化反應器內(nèi)取新鮮微生物樣品80mL，分置 于兩個容積為40mL的離心管中，在高速離心機中以3500r/min的轉(zhuǎn)速離心4 分鐘，去除上清液，用蒸餾水將濃縮的微生物樣品定容至5mL。經(jīng)過離心預 處理后的微生物樣品主要去除了污泥顆粒間的空隙水和毛細水，含水率約為 80%~85%，污泥中微生物處于營養(yǎng)物質(zhì)匱乏的狀態(tài)，有利于迅速形成反應前 基線。
從預處理后的微生物樣品用玻璃移液管取1.5mL用于微量熱測試。測試 中將1.5mL微生物樣品和lmL配置的營養(yǎng)液分別置于玻璃安瓿瓶的外套15 和內(nèi)套14中，整體裝入量熱池12，與導氣連桿24組裝，放入RD496-2000 型微熱量熱計的量熱通道6;參比池的玻璃安瓿瓶的外套和內(nèi)套中分別裝入 1.5mL和lmL的蒸餾水，裝入?yún)⒈韧ǖ?，其它結(jié)構(gòu)完全同量熱通道。
打開氣體鋼瓶開關2，通入含10%氧氣及90%氬氣的混合氣體。調(diào)節(jié)減 壓閥3使通氣壓力達0.06Mpa，調(diào)節(jié)氣體流量計5使通氣流量達6mL/min，使 測試系統(tǒng)整體逐漸達到熱平衡狀態(tài)，并形成至少2000秒以上時間的反應前基 線。
將氣體導入管16從定位器20上取下，緩慢、勻速推動氣體導入管16，
9捅破玻璃安瓿瓶內(nèi)套14底部，內(nèi)套中的營養(yǎng)液滑落入外套15，借助氣體導入 管16的刻度將氣體導入管出氣口定位至距量熱池底部約2mm處，保證氣泡 的攪動能使微生物樣品與營養(yǎng)液充分接觸、混合，此時反應開始發(fā)生，儀器 同步記錄熱圖譜變化曲線，測量數(shù)據(jù)自動保存。
反應結(jié)束后，熱圖譜再次形成2000秒以上的基線，取出量熱池12內(nèi)總 共2.5mL的混合液，反復沖洗安瓿瓶內(nèi)外套。關閉氣體鋼瓶開關2，關閉 CK2000測控箱9開關，打開電腦IO上的CK2000歷史記錄處理軟件，將主 控軟件實時測得的電壓數(shù)據(jù)還原成熱圖譜，即功率一時間曲線，并針對不同 的反應選擇合適的參數(shù)(含量程、靈敏度S、闕值等)解讀圖譜。
微生物生化反應熱圖譜測試系統(tǒng)靈敏度S值的確定采用靜態(tài)標定方法， 即定義靈敏度S為每單位熱量產(chǎn)生的熱電勢對時間的積分值，并通過焦耳校 應標定(即電標定)來確定靈敏度S的值。靜態(tài)標定還可采用標準物質(zhì)進行 標定，但該方法誤差較大(20%左右)，故電標定方法更適用于微生物生化反 應熱譜測試系統(tǒng)。通過電標定方法確定微量熱儀的靈敏度S值為 61.37pV/mW。
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權利要求
1、一種微生物生化反應熱圖譜測試裝置，它包括微量熱儀，微量熱儀包括爐體(8)，在爐體(8)內(nèi)設有量熱通道(6)和參比通道(7)，量熱通道(6)和參比通道的底部設有量熱池(12)和參比池，其特征在于在量熱池(12)和參比池內(nèi)分別設有安瓿瓶(13)，安瓿瓶(13)由內(nèi)套(14)和外套(15)組成，內(nèi)套(14)懸吊在外套(15)內(nèi)，內(nèi)套(14)具有易捅破的底部；在量熱通道(6)和參比通道內(nèi)插入有氣體導入管(16)和氣體導出管(17)，氣體導入管(16)位于氣體導出管(17)內(nèi)并伸入安瓿瓶內(nèi)套(14)中且可上下移動，氣體導出管(17)與安瓿瓶內(nèi)套(14)連通，氣體導出管的出氣口(18)位于量熱通道(6)和參比通道外，在量熱通道(6)和氣體導出管(17)之間以及參比通道和氣體導出管之間設有密封機構(gòu)(19)。
2、 根據(jù)權利要求1所述的微生物生化反應熱圖譜測試裝置，其特征在 于在量熱通道(6)和氣體導出管(17)之間以及參比通道和氣體導出管之 間設有若干阻熱片(21)，阻熱片(21)位于密封機構(gòu)(19)和量熱池(12) 之間。
3、 根據(jù)權利要求1或2所述的微生物生化反應熱圖譜測試裝置，其特 征在于在量熱池(12)和參比池口部通過卡環(huán)(22)安裝有帶通孔的上端 蓋(23)，卡環(huán)(22)套在上端蓋(23)上，卡環(huán)(22)內(nèi)圓周嵌在上端蓋(23) 外壁環(huán)形槽中，卡環(huán)(22)外圓周嵌在量熱池(12)和參比池內(nèi)壁環(huán)形槽中， 在量熱通道(6)和參比通道內(nèi)設有導氣連桿(24)，導氣連桿中心設有導氣 孔，導氣連桿(24)位于阻熱片(21)下方，導氣連桿(24)下端與上端蓋(23)連接，導氣連桿(24)上端通過接頭(25)與氣體導出管(17)下端 連接，氣體導入管(16)從導氣連桿(24)導氣孔和上端蓋(23)的通孔中 穿過進入安瓿瓶內(nèi)套(14)中。
4、 根據(jù)權利要求3所述的微生物生化反應熱圖譜測試裝置，其特征在于所述氣體導入管進氣口 (26)與供氣系統(tǒng)連接，所述供氣系統(tǒng)包括儲氣 鋼瓶(1)、氣體三通(4)和抗壓硅膠管(11)，儲氣鋼瓶(1)通過管路與氣 體三通(4)進氣端連接，在管路上設有減壓閥(3)，氣體三通(4)兩出氣 端分別通過抗壓硅膠管(11)與量熱通道(6)和參比通道對應的氣體導入管 進氣口 (26)連接，在抗壓硅膠管(11)上設有氣體流量計(5)。
全文摘要
本發(fā)明涉及微生物生化反應熱圖譜測試裝置，在微量熱儀爐體內(nèi)設有量熱通道和參比通道，量熱通道和參比通道底部設有量熱池和參比池；在量熱池和參比池內(nèi)設有由內(nèi)套和外套組成的安瓿瓶，內(nèi)套懸吊在外套內(nèi)；在量熱通道和參比通道內(nèi)插入有氣體導入、導出管，氣體導入管位于氣體導出管內(nèi)并伸入安瓿瓶內(nèi)套中，氣體導出管與安瓿瓶內(nèi)套連通，在量熱通道和氣體導出管之間以及參比通道和氣體導出管之間設有密封機構(gòu)。本發(fā)明對現(xiàn)有微量熱儀進行改造，使其具有了導入氣體、排放廢氣的功能，并向微生物提供生化反應所需溶解氧；同時具有攪拌測試樣品和控制反應起點及加料的功能，因此能測試微生物生化反應熱圖譜。
文檔編號G01N25/48GK101650324SQ200910104669
公開日2010年2月17日 申請日期2009年8月21日 優(yōu)先權日2009年8月21日
發(fā)明者江 胡, 瑩 范, 郭勁松, 陳紅梅, 旭 高 申請人:重慶大學