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一种新的Arduino单片机控制厌氧生物反应器装填生物炭作为多孔滤料

摘 要

生物反应器是一种常用的设备，通常配备有几个内置的规格，用于生物处理研究的调查。每一次生物反应器测试可能需要不同类型的专业技术，如加热、搅拌、再循环，以及一些进一步的技术，如在线传感。尽管市场上有许多现成的装配式生物反应器，成本通常超过1000欧元，但对于许多学生、青年研究人员或小型私人研发公司来说，往往无法获得这些先进(但不灵活)的系统。在这项工作中，开发了一种新的低成本(asymp;100欧元)的填充层厌氧生物反应器，所有的方法细节，包括开源编码和3D设计文件，都以丰富的描述共享。通过初步试验，验证了该生物反应器系统在密封性、气体监测精度、温度控制和质量平衡(COD-eq)覆盖等方面的可靠性，均表现出良好的性能。

• 一种被称为“四足”式的一体模型生物反应器被开发出来，用于厌氧处理具有挑战性的基质，如热解液。
• 采用粗生物炭颗粒作为有机填料，通过增加附着生长厌氧混合微生物培养(MMC)的活性表面积来促进微生物的生物转化。
• 为了在实验室系统中在线监测沼气变化，开发了一种基于Arduino的开源数字燃气表。Arduino还被用作维持生物反应器脉冲式液体循环的数字控制器。

关键词：Arduino数字控制器，单板微控制器，数字燃气表，3D打印，生物炭过滤器，混合微生物培养，厌氧发酵，实验室规模发酵罐，定制反应器，廉价的生物反应器系统

1.方法详细信息

1.1背景

厌氧生物技术方法已经引起了人们的高度重视，其重要性与日俱增[1]。厌氧菌不仅可以对高污染的废流进行生物处理，而且它还创造了另一种可能性，即通过生物转化为几种最终产品，如沼气、生物燃料、商品化学品等，对输入材料进行重新定价[2]。填充层或滴流层生物反应器(TBRs)是进行厌氧生物处理的最好、最容易建造和最知名的工具之一，厌氧微生物的目标是固定在填充滤料上，而不是悬浮在泥浆中[3]。这种基于生物膜的生物反应器技术主要提供更高的转化率，因为基质材料和微生物之间发生了更好的相互作用[4]。与泥浆系统相比，这也提供了悬浮更少、更清澈的流出物[5]。沙子、石头、陶瓷和最近的一些聚合物材料通常被用作填料层介质[4,6]。然而，有人尝试使用非惰性材料，如热解衍生的生物炭，这些材料具有独特的多孔结构，具有很大的激发生物活性的潜力[7,11]。

生物炭在生物系统中的使用最近开始被视为提高厌氧微生物活性的一种非常有前途和有效的策略[12,13]。应用类木炭热解衍生生物炭材料，通过其独特的物理化学多孔结构，用于强化厌氧消化，据报道的一些主要优点是：有助于pH缓冲[14]，缓解了几种抑制现象，如氨和挥发性脂肪酸(VFA)抑制[15,17]，通过缩短滞后期提供了更快的启动期[7]，刺激了底物去除速度，从而产生了更好的产品(即沼气)产量[18]。尽管文献中有一些关于生物炭用于厌氧消化目的(即生物甲基化)的报道，但还没有发现将生物炭材料作为填料用于更具体的厌氧生物技术目的，如产酸发酵(VFA生产)、溶剂型生物反应(如生物乙醇合成)、气体物质的厌氧转化或非传统基质的生物利用(如含水的热解液)。

单板微控制器被称为易于使用和负担得起的数字控制器系统。Arduino是最广为人知的基于开源集成开发环境(IDE)的微控制器之一。凭借其具有成本竞争力的硬件工具和免费访问的软件，Arduino还可以作为一个非常有用的平台，对用于生化研究目的的特殊反应器进行数字控制。成本效益使这种微处理器的价格普遍可承受，即使是在实验室规模的生物反应器控制等相当复杂的任务中也是如此。Arduino在化学领域的主要应用是自动化生物反应器监测和数据记录领域(也称为“ChemDuino”)，而较少应用于控制生物反应器[19,20]。

为了研究非常规基质(如热解液、合成气)的厌氧转化，需要灵活、坚固和易于定制的生物反应器。这类生物反应器通常需要控制一些操作参数，如液气流量、温度和搅拌等，此外，还需要对生物化学反应进行实时监测(如沼气产率、pH监测等)。在大多数情况下也是相当大的。这项工作针对与此目的相关的两个主要方面：

1.填充层生物反应器组件，可获得令人满意的质量和化学需氧量(COD)平衡，适用于不同粗粒填料的研究。

2.简易的反应堆控制和产气实时监控系统。

本研究开发了一种基于Arduino的数字控制系统来控制实验室规模的厌氧生物反应器(也称为“四足”式)。此外，利用基于Arduino的电子系统，开发了一种具有3D打印夹持结构的新型数字燃气表，以方便和廉价地在线监测生物反应器系统中进行的生物反应所产生的气体量。

1.2生物反应器的设计与建造

四足式生物反应器系统的示意图如图1所示。简而言之，生物反应器系统由三个部分组成：

1.装有加热系统的玻璃瓶部分：使用标准的半升实验室类型的玻璃瓶(即杜兰瓶、pyrex玻璃瓶)倒置使用。

2. 带液体循环泵的四孔异形帽：底部有四个端口，可用于气体注入、气体取样、液体取样/注入和液体循环。这顶奇特的帽子叫做“四足”式的灵感来源是因为它的外观。玻璃口、四个螺丝口和周围的螺帽都是用硅氧烷O形环隔膜制作而成的，每个螺帽都是防水材料。尽管如此，由于生物液体是从内部填充的，这就避免了气体从底部泄漏的风险。这样，未溶解的气体分子就会停留在玻璃瓶顶部的顶部空间，也就是玻璃瓶的底部，那里不会有泄漏的危险。

3.沼气储存与定量数字气表系统：采用自行研制的基于Arduino的数字气表，在线监测系统产气量和消耗量的变化。数字燃气表的详细说明将在相关小节中说明。

组装了两个相同的四足式生物反应器，但填料不同(图4)。第一种是粗生物炭填充材料，将被称为“生物炭填充四足”式或活性生物反应器。后者是“惰性层四足”式(也是控制生物反应器)，其中玻璃珠是唯一的包装材料。惰性层控制生物反应器被设计用来从厌氧生物转化效率的角度评价投加生物炭的效果。用作包装材料的生物炭是由“Romagna Carbone S.N.C.”公司提供的一种商用炭。（意大利），这种生物炭来自果园的修剪生物质(苹果、葡萄、梨、桃)，在500摄氏度下缓慢热解，停留时间为3小时，在直径2.2米的窑炉中，可容纳约2吨原料[21]。

在厌氧培养反应器中，特别是当涉及严格的厌氧菌时，保证整个系统的完美密封是非常重要的，以避免气体的交叉污染。这主要有两个原因，一是厌氧微生物对氧气暴露非常敏感，二是为了获得良好的系统质量和COD平衡。初步试验表明，小型反应器的主要实验问题是漏气，即在没有明显改变气量的情况下，空气进入反应器。在没有特殊设备和使用标准厌氧消化试验方法的情况下，在近38mL·dminus;1的氧气中发现并估计了主要(但可能不仅仅是)氧(O₂)渗透到硅软管中造成的COD损失。这种现象，即使对于可生物降解基质的短期厌氧消化是可以接受的，但对于具有挑战性的基质的长期研究是不可接受的，因为在长期研究中，长时间的滞后阶段可能会增加研究的时间，从而增加总的COD损失。为了解决氧气渗透问题，组装了几个模拟的四足式生物反应器结构，填充了氢或氦(最具穿透性的气体)，并通过随时间推移对顶空进行气体分析来测试气体泄漏。这样的测试提供了一些将泄漏降至最低的关键提示。

首先，“四足”式生物反应器的设计是将所有的接头和密封件都浸入水中。这样可以很容易地检测到任何泄漏的接头，而且由于气体在液体中的溶解度很低，因此可以最大限度地减少气体恰好通过密封接头的渗透。除了接头，外部软管、连接器和取样阀被发现是由于气体渗透和相对较大的表面积(给定较小的反应器体积)造成的微小泄漏的一个大来源，因此进行了改进，以获得一个完美的气密系统。为此：

• 所有外部设备都通过快速连接的气动接头连接，这种接头在工业气密系统中应用广泛。所有的气动连接适配器和取样阀都表现出良好的阻隔性能。
• 管材采用叠层软管，其制造方法是将铝箔包裹在聚酰胺软管(PA12)上，使用有机硅作为层粘结剂和最终涂层(图2)。

图1. 实验装置示意图：(a) 生物炭填充型四足瓶，(b) 惰性层四足瓶。

图2. “四足”式生物反应器改装后的气动软管截面图。

1.2.1液体再循环和取样

保证填充柱式生物反应器的均匀性和保持生物滤料的湿润是一个重要的操作步骤，这也是附着生长微生物的关键问题。此外，为了使生物膜与气体接触，填充柱孔不应永久充满液体。考虑到填料柱的水力传导性是可变的，生物液体在滤料上方溢出也是需要避免的另一个临界点。为此，“四足”式生物反应器采用了可调脉冲循环水系统。基于Arduino的脚本允许潜水式迷你泵工作时间可调，流量为240升/小时。因此，避免采购具有特定流量的泵有些困难，而这又取决于填充介质的水力传导性。在补充资料中详细提供了水循环系统的数字控制代码和泵的电气连接方案，并对所使用的每个部件进行了进一步的说明和当前的市场价格。

迷你泵通过相同的多层方法连接到软管上。首先将软管安装到泵上，然后在两个部件上涂上硅胶层进行密封。为了防止任何醋酸污染(通常出现在硅胶浆料中)，该系统在水中工作了一整晚。然后，醋酸盐污染的洗涤水全部排出。

滤层顶部的喷水系统是使用改进型塑料巴斯德吸管建造的(图1)。加液器作为循环系统的末端部件。先将对端(尖端)切断，去掉缩针部分，然后连接到软管上，用钢丝绳固定。在移液管灌装器上，用热焊针作对称分布，打出相同的孔(asymp;2.0 mm)，使液体均匀分布到各个方向。调整了孔的大小，以迫使液体扩散到整个填充层上，并避免被夹带的颗粒堵塞。

使用一次性塑料注射器，通过装有快速连接气动阀门的“液体取样/注射口”进行生物液体取样。液口恰好放在水泵的前面，以支持混合均匀的代表性液体取样。

1.2.2数字燃气表和气体取样

为了对四足式系统中的气体量进行实时监测，设计并制造了一种“数字燃气表”。简而言之，该装置使用超声波传感器与柔性气囊顶部之间的距离(与气囊中的气体量成反比)来确定气囊中的总可用气量。气囊在充气时会膨胀，缩短了气囊顶层与传感器之间的距离。

定制的数字燃气表系统包括一个HC-SR04^TM超声波传感器、一个Arduino板和一个1升容量的Supel^TM 30,226-U气囊，该气囊固定在一个3D打印的固定结构上，该结构专门为传感器和气囊的完美匹配开发。可从补充材料下载三维设计文件(.stl)和Arduino原理图。气囊背面面向超声波传感器(图3)。为了改善超声反射性能，在气囊顶部粘贴了一块矩形刚性塑料片(图3,b)。

在整个实验过程中，气体取样都是使用“气体取样口”的快速连接阀门进行的，使用的是一次性刻度注射器，它允许提取已知数量的气体样本。在每次气体取样之前，使用取样注射器将顶空气体和燃气表气体混合。这样的操作使得气囊和反应器顶部空间之间的均匀性更好，提供了来自生物反应器系统的非常有代表性的气体样本。

图3. (a) 用HC-SR04^TM超声波传感器组装的3D打印PLA结构。(b) 数字燃气表的最终结构，带有一个Supel^TM 30,226-U气囊和一个矩形塑料片(黄色)以使表面均匀(右)。

1.2.3 Arduino数字控制器

采用Arduino Mega微控制器控制数字燃气表和液体回流。该方法利用Arduino对数字燃气表进行监控，实现对液体回流的控制。数字燃气表上的超声波传感器不断读取距离值并将其发送给Arduino。然后，单片机通过外部软件(如“Programino software”)直接将距离值转换成体积数据，并将读数数据记录并保存在“.txt”文件中。开发的Arduino示意图提供了每次读取体积之间的固定时间，因此知道初始时间，就有可能监控气体体积变化的时间。

1.2.4温度控制系统

设计了加热和温度控制系统，以使生物反应器在所需的中温温度范围(34-38°C)下运行。加热系统包括放置在生物反应器瓶壁上的两个弹性电阻垫，固定在液体循环软管上的热电偶，以及根据测量的温度值为电阻提供电力的数字恒温器。该数字恒温器具有0.1°C的灵敏度级别，用于调整设定的温度级别。其他信息中介绍了加热系统的每个组件及其电路图。此外，一个折叠的保温套(由铝箔制成)被放置在玻璃瓶的整个墙壁上，以保持填充层反应器中温度条件的恒定和均匀分布(图5c)。

图4. (a) 包装材料：湿粗生物炭颗粒(上)、直径4.0 mm的小玻璃珠(中)、直径7.8 mm的大玻璃珠(下)。(b) 生物炭填充型的四足瓶，由小珠和大珠支撑。(c) 仅以大玻璃珠作为填充材料的惰性层四足瓶。

1.3实验装置

如前所述，两个相同的四足式生物反应器填充了不同的填料(图4)。表1提供了组装的四足式生物反应器的所有设置细节。惰性层控制反应器中装满了480g(干重)的外径为8 mm的大玻璃微珠(图4，底部)，相当于asymp;305(plusmn;15)mL的净滤层体积。活性生物反应器中填充了粗大的生物炭颗粒，并将其支撑在两层不同大小的玻璃微珠上。为了防止生物炭颗粒夹带到回流中，将325g直径为4 mm的小玻璃珠放置在生物炭下方，将200g大玻璃珠(外径为8 mm)放置在生物碳下方。多层玻璃微珠滤料作为上部生物炭滤料的保持器，相当于205mL左右的净占用体积，其余的滤层体积被粗大的生物炭颗粒占据。

四足式生物反应器的组装是在一种限制程序下进行的，该程序允许将生物反应器设置在可能的最佳配置中，以便气体和液体再循环。首先，在半升大小的瓶子的中心部分插入气囊管接头和带有改进的巴斯德吸管的液体再循环管，以保持瓶子的竖直。此后，生物炭颗粒、小玻璃珠和大玻璃珠被添加到生物炭填充的四足瓶中。对于控制反应器，

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