一种微生物生化反应热图谱测试装置

摘要

本发明涉及微生物生化反应热图谱测试装置，在微量热仪炉体内设有量热通道和参比通道，量热通道和参比通道底部设有量热池和参比池；在量热池和参比池内设有由内套和外套组成的安瓿瓶，内套悬吊在外套内；在量热通道和参比通道内插入有气体导入、导出管，气体导入管位于气体导出管内并伸入安瓿瓶内套中，气体导出管与安瓿瓶内套连通，在量热通道和气体导出管之间以及参比通道和气体导出管之间设有密封机构。本发明对现有微量热仪进行改造，使其具有了导入气体、排放废气的功能，并向微生物提供生化反应所需溶解氧；同时具有搅拌测试样品和控制反应起点及加料的功能，因此能测试微生物生化反应热图谱。

权利要求

1.一种微生物生化反应热图谱测试装置，它包括微量热仪，微量热仪包括炉体(8)，在炉体(8)内设有量热通道(6)和参比通道(7)，量热通道(6)和参比通道的底部分别设有量热池(12)和参比池，其特征在于：在量热池(12)和参比池内分别设有安瓿瓶(13)，安瓿瓶(13)由内套(14)和外套(15)组成，内套(14)悬吊在外套(15)内，内套(14)具有易捅破的底部；在量热通道(6)和参比通道内均分别插入有气体导入管(16)和气体导出管(17)，气体导入管(16)位于气体导出管(17)内并伸入安瓿瓶内套(14)中且可上下移动，气体导出管(17)与安瓿瓶内套(14)连通，气体导出管的出气口(18)位于量热通道(6)和参比通道外，在量热通道(6)和气体导出管(17)之间以及参比通道和气体导出管之间分别设有密封机构(19)。

2.根据权利要求1所述的微生物生化反应热图谱测试装置，其特征在于：在量热通道(6)和气体导出管(17)之间以及参比通道和气体导出管之间分别设有若干阻热片(21)，阻热片(21)分别位于密封机构(19)和量热池(12)之间以及密封机构(19)和参比池之间。

3.根据权利要求2所述的微生物生化反应热图谱测试装置，其特征在于：在量热池(12)和参比池口部通过卡环(22)分别安装有带通孔的上端盖(23)，卡环(22)套在上端盖(23)上，卡环(22)内圆周嵌在上端盖(23)外壁环形槽中，卡环(22)外圆周嵌在量热池(12)和参比池内壁环形槽中，在量热通道(6)和参比通道内分别设有导气连杆(24)，导气连杆中心设有导气孔，导气连杆(24)位于阻热片(21)下方，导气连杆(24)下端与上端盖(23)连接，导气连杆(24)上端通过接头(25)与气体导出管(17)下端连接，气体导入管(16)从导气连杆(24)导气孔和上端盖(23)的通孔中穿过进入安瓿瓶内套(14)中。

4.根据权利要求3所述的微生物生化反应热图谱测试装置，其特征在于：所述气体导入管进气口(26)与供气系统连接，所述供气系统包括储气钢瓶(1)、气体三通(4)和抗压硅胶管(11)，储气钢瓶(1)通过管路与气体三通(4)进气端连接，在管路上设有减压阀(3)，气体三通(4)两出气端分别通过抗压硅胶管(11)与量热通道(6)和参比通道对应的气体导入管进气口(26)连接，在抗压硅胶管(11)上设有气体流量计(5)。

说明书

一种微生物生化反应热图谱测试装置

技术领域

[0001] 本发明涉及热力学技术领域，具体指一种采用微量热技术来测定微生物生化反应热图谱的装置。通过本装置获得的生化反应热图谱可以了解微生物在生化反应过程中的放热特征及其能量利用机制，可进行生化反应代谢途径和机理研究，进而应用于指导工程实践。

背景技术

[0002] 微生物的新陈代谢从广义上包括物质代谢和能量代谢两方面的内容：有机底物中的营养物质被生化反应器内的微生物摄入，部分合成为微生物细胞的结构材料，部分降解为CO2和H2O等废料并释出，表观上发生有机底物的降解、细胞增殖等现象，这是物质形态的变化过程；与之同步的是能量转化和迁移的过程，是底物中化学能向细胞的生物质能转化的过程，即微生物通过分解代谢作用将污染物中蕴含的化学能转化为细胞合成及维持生命所需的各类能量，释放出热能，并使有机物含能水平降低或向低能态物质转化的过程。传统的生物化学反应理论主要围绕基于元素的指标展开，即以研究物质形态的变化为主，而对底物中能量在微生物体内的转化、消耗和再生的热力学过程的研究不够。事实上能量和物质相互依存，生化反应器完全适合采用热力学手段进行研究，通过放热图谱研究了解微生物生化反应的放热特征及其能量利用机制，并将这种机制应用于指导反应器更新和过程优化。

[0003] 生化反应器中，特别是用于水处理的生化过程，微生物浓度低、反应释放的热量微小，普通热分析方法和装置很难进行精确研究，所以需要采用高精度、高灵敏度、微量化的方法——微量热法(Microcalorimetry)，并由此设计了一些微量热仪，如国产RD496-2000型微量热仪属于热导式量热计，具有相当的灵敏度和精度。微量热系统一般采用孪生量热腔结构。热量计由量热本体、恒温系统、电能标定装置和记录仪组成。其基本原理是：量热腔与恒温块之间，装置多对热电偶。当反应系统有热量释放出时，热经热电偶传递给环境(即恒温块)；同时热电偶将量热腔与恒温块之间的温差转换为电信号，由记录仪记录下来。随着反应过程的终止和热量的传出，反应系统的温度与环境的温度逐渐平稳，记录仪给出的曲线又回到反应前的基线水平。由记录仪绘出的热谱曲线峰面积的大小可求出反应的热效应。但现有的微量热仪主要应用于化工领域，其结构设计和功能均不能直接满足微生物活性检测的要求，不能直接测试微生物生化反应热图谱并进而了解微生物在生化反应过程中的放热特征。

发明内容

[0004] 针对现有微生物生化反应量热技术空白和普通微量热仪不能直接测试微生物生化反应热图谱而导致适用性不足的缺陷，本发明的目的是提供一种微生物生化反应热图谱测试装置，本装置在现有微量热仪基础上改造而来，建立微生物生化反应热图谱的测试方法并检验其可靠性。

[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种微生物生化反应热图谱测试装置，它包括微量热仪，微量热仪包括炉体，在炉体内设有量热通道和参比通道，量热通道和参比通道的底部设有量热池和参比池，其特征在于：在量热池和参比池内分别设有安瓿瓶，安瓿瓶由内套和外套组成，内套悬吊在外套内，内套具有易捅破的底部；在量热通道和参比通道内插入有气体导入管和气体导出管，气体导入管位于气体导出管内并伸入安瓿瓶内套中且可上下移动，气体导出管与安瓿瓶内套连通，气体导出管的出气口位于量热通道和参比通道外，在量热通道和气体导出管之间以及参比通道和气体导出管之间设有密封机构。

[0006] 进一步地，在量热通道和气体导出管之间以及参比通道和气体导出管之间设有若干阻热片，阻热片位于密封机构和量热池之间。

[0007] 在量热池和参比池口部通过卡环安装有带通孔的上端盖，卡环套在上端盖上，卡环内圆周嵌在上端盖外壁环形槽中，卡环外圆周嵌在量热池和参比池内壁环形槽中，在量热通道和参比通道内设有导气连杆，导气连杆中心设有导气孔，导气连杆位于阻热片下方，导气连杆下端与上端盖连接，导气连杆上端通过接头与气体导出管下端连接，气体导入管从导气连杆导气孔和上端盖的通孔中穿过进入安瓿瓶内套中。

[0008] 所述气体导入管进气口与供气系统连接，所述供气系统包括储气钢瓶、气体三通和抗压硅胶管，储气钢瓶通过管路与气体三通进气端连接，在管路上设有减压阀，气体三通两出气端分别通过抗压硅胶管与量热通道和参比通道对应的气体导入管进气口连接，在抗压硅胶管上设有气体流量计。

[0009] 相比现有技术，本发明具有如下优点：

[0010] (1)微生物生化反应热谱测试系统具有了导入气体、排放废气的功能，并向微生物提供生化反应所需要的溶解氧。装置通过加装供气系统和强化外部温度控制手段，可在恒温状态下将外部气体引入微量热仪内部的量热池，为微生物生化反应提供了曝气的基本条件，并基本消除了外部环境的干扰。因此，微生物生化反应热图谱测试可以作为开放体系进行内外部的气-固、气-液二相间的交换反应试验，弥补了现有微量热仪结构设计的不足。

[0011] (2)微生物生化反应热图谱测试具有了搅拌测试样品的功能。微生物样品需要与营养液互相混合、充分接触，反应才可以正常进行，而现有微热量热计本身并未在量热池中设计搅拌装置，本发明设计利用通入气流来实现搅拌功能：气体经过气体导入管末端的出气口形成小气泡，并进入量热池内部，在这里气泡上升、破碎，使得安瓿瓶中的微生物样品与配置的营养液一起处于搅动状态。

[0012] (3)微生物生化反应热图谱测试具有了控制反应起点和加料的功能。本发明通过控制安瓿瓶内外套两种物质混合的时间，达到控制微生物生化反应起点和加料的功能。

附图说明

[0013] 图1-本发明系统构成图；

[0014] 图2-图1局部放大图；

[0015] 图3-本发明安瓿瓶分解图。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明作进一步详述。

[0017] 参见图1和图2，从图上可以看出，本发明微生物生化反应热图谱测试装置，它包括微量热仪，微量热仪包括炉体8、测控箱9、电脑10和对应的测控系统主控软件。在炉体8内设有量热通道6和参比通道7，量热通道6和参比通道7的底部设有量热池12和参比池。量热池12和参比池内分别设有玻璃安瓿瓶13，安瓿瓶由内套14和外套15组成，内套
14悬吊在外套15内。内套最大容积2.5ml，外套最大容积约7ml，可根据试验需要分装两种不同液体状物质。内套具有易捅破的底部，因此底部极薄，实施例中安瓿瓶内套底部为半球形构造，这样应力集中更易捅破。图3为安瓿瓶分解图。

[0018] 在量热通道6和参比通道内插入有气体导入管16和气体导出管17，气体导入管16位于气体导出管17内并伸入安瓿瓶内套14中且可上下移动，气体导出管17与安瓿瓶内套14连通，气体导出管的出气口18位于量热通道6和参比通道外，在量热通道6和气体导出管17之间以及参比通道和气体导出管之间设有密封机构19。

[0019] 气体导入管的目的是将安瓿瓶内套捅破，使内外套的反应物结合进行反应，同时将反应所需气体通入安瓿瓶中，一方面提供反应所需条件，另一方面产生的气流起搅拌作用，以利于反应更好地进行。气体导出管的目的是将剩余气体和反应产生的废气通过出气口排放。本装置通过控制气体导入管的移动刺破安瓿瓶内套底部的时间，达到控制安瓿瓶内外套两种物质混合时间的目的，从而实现控制微生物生化反应起点和加料的功能。气体导入管上下移动的目的是将安瓿瓶内套捅破，因此气体导入管不能固定死。未捅破前气体导入管悬挂在导入管定位器20上，需要捅破时，将气体导入管16从导入管定位器20上取下，轻轻向下一捅即可将安瓿瓶内套14捅破。气体导入管16刻有间距5mm的刻度以便确定其移动的距离。

[0020] 参见图2，在量热通道6和气体导出管17之间以及参比通道和气体导出管之间设有若干阻热片21(图上为三个，等距离布置)，阻热片21位于密封机构19和量热池12(参比池)之间，以尽量使反应产生的热量不散失，确保结果准确。

[0021] 参见图2，在量热池12和参比池口部通过卡环22安装有带通孔的上端盖23，卡环22套在上端盖23上，卡环22内圆周嵌在上端盖23外壁环形槽中，卡环22外圆周嵌在量热池12和参比池内壁环形槽中。在量热通道6和参比通道内设有导气连杆24，导气连杆
24中心设有导气孔，导气连杆24位于阻热片21下方，导气连杆24下端与上端盖23螺纹连接，气体导出管17下端设有接头25，导气连杆24上端与接头25螺纹连接，通过接头25与气体导出管17下端连接，气体导出管也由此得以定位。气体导入管从导气连杆导气孔和上端盖的通孔中穿过进入安瓿瓶内套中。

[0022] 供气系统与气体导入管进气口26连接。参见图1，供气系统包括储气钢瓶1、气体三通4和抗压硅胶管11，储气钢瓶1的出口设有开关2，储气钢瓶1通过管路与气体三通4进气端连接，在管路上设有减压阀3，气体三通4两出气端分别通过抗压硅胶管11与量热通道6和参比通道对应的气体导入管进气口26连接，在抗压硅胶管11上设有气体流量计5。混合气体(含10％氧气及90％氩气)从钢瓶1流出，经过气瓶开关2和减压阀3减压至试验要求压力，再由气体三通4分接至两个由抗压硅胶管11构成的气体平行支路，最后进入气体导入管16，气体流量由气体流量计控制。其中，减压阀压力调节范围为0.02～0.25Mpa；
气体流量计流量调节范围为4mL/min～40mL/min。为了保持两管路的管道阻力相同，两平行支路的管道长度相同并且所有管路在试验中均保持自然垂放状态；所有连接部位均采用生胶带缠绕并辅以AB胶粘合的连接方法，保证结合部能承受一定压力，同时不出现气体泄漏现象。本供气系统利用通入的混合气体不仅对活性污泥的生化反应起到了搅拌作用，而且也提供了反应进行所需要的氧气。

[0023] 利用本装置进行微生物生化反应热图谱测试的一个实施例：

[0024] 开启空调，设定低于微量热仪(实施例中微量热仪型号为RD496-2000型)炉体8温度0.5℃的室温并长期不间断控温，待室内温度彻底稳定后启动CK2000测控箱9的开关，开启电脑10，打开CK2000测控系统主控软件，设定仪器控制温度T(尽量与炉体8温度相近)及仪器灵敏度S，并选择量热通道、量程和偏移量。试验前微量热仪至少控温预热24小时。这些操作和要求跟现有微量热仪的操作和要求一样。CK2000测控箱、电脑和CK2000测控系统主控软件为微量热仪自带部分，本发明只是利用现有微量热仪进行结构设计而实现微生物生化反应这种特定热图谱的测试。

[0025] 取样与预处理：从运行中的生化反应器内取新鲜微生物样品80mL，分置于两个容积为40mL的离心管中，在高速离心机中以3500r/min的转速离心4分钟，去除上清液，用蒸馏水将浓缩的微生物样品定容至5mL。经过离心预处理后的微生物样品主要去除了污泥颗粒间的空隙水和毛细水，含水率约为80％～85％，污泥中微生物处于营养物质匮乏的状态，有利于迅速形成反应前基线。

[0026] 从预处理后的微生物样品用玻璃移液管取1.5mL用于微量热测试。测试中将1.5mL微生物样品和1mL配置的营养液分别置于玻璃安瓿瓶的外套15和内套14中，整体装入量热池12，与导气连杆24组装，放入RD496-2000型微热量热计的量热通道6；参比池的玻璃安瓿瓶的外套和内套中分别装入1.5mL和1mL的蒸馏水，装入参比通道7，其它结构完全同量热通道。

[0027] 打开气体钢瓶开关2，通入含10％氧气及90％氩气的混合气体。调节减压阀3使通气压力达0.06Mpa，调节气体流量计5使通气流量达6mL/min，使测试系统整体逐渐达到热平衡状态，并形成至少2000秒以上时间的反应前基线。

[0028] 将气体导入管16从定位器20上取下，缓慢、匀速推动气体导入管16，捅破玻璃安瓿瓶内套14底部，内套中的营养液滑落入外套15，借助气体导入管16的刻度将气体导入管出气口定位至距量热池底部约2mm处，保证气泡的搅动能使微生物样品与营养液充分接触、混合，此时反应开始发生，仪器同步记录热图谱变化曲线，测量数据自动保存。

[0029] 反应结束后，热图谱再次形成2000秒以上的基线，取出量热池12内总共2.5mL的混合液，反复冲洗安瓿瓶内外套。关闭气体钢瓶开关2，关闭CK2000测控箱9开关，打开电脑10上的CK2000历史记录处理软件，将主控软件实时测得的电压数据还原成热图谱，即功率-时间曲线，并针对不同的反应选择合适的参数(含量程、灵敏度S、阙值等)解读图谱。

[0030] 微生物生化反应热图谱测试系统灵敏度S值的确定采用静态标定方法，即定义灵敏度S为每单位热量产生的热电势对时间的积分值，并通过焦耳校应标定(即电标定)来确定灵敏度S的值。静态标定还可采用标准物质进行标定，但该方法误差较大(20％左右)，故电标定方法更适用于微生物生化反应热谱测试系统。通过电标定方法确定微量热仪的灵敏度S值为61.37μV/mW。