生物需氧量傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)用作生物需氧量(BOD)傳感器之生物電化系統(tǒng)(BES)、并有用于測(cè)量BOD的BES傳感器的系統(tǒng)，以及使用所述傳感器和系統(tǒng)以測(cè)量BOD的方法。所公開(kāi)的傳感器是構(gòu)造廉價(jià)、耐久、響應(yīng)迅速并且動(dòng)態(tài)范圍大的。本發(fā)明包括生物需氧量(BOD)傳感器，其并有至少三個(gè)工作電極、至少一個(gè)反電極、稀釋液儲(chǔ)槽以及用于測(cè)量從所述工作電極流至所述反電極的電流或電壓的傳感器。所述BOD傳感器通常也將包括至少一種安置在所述工作電極附近的電活性微生物。
【專利說(shuō)明】生物需氧量傳感器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
[0002]本申請(qǐng)要求2011年6月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/496，608的權(quán)益，所述臨時(shí)申請(qǐng)以引用的方式整體并入本文。
發(fā)明領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及生物需氧量(BOD)傳感器。BOD傳感器可以用于(例如)監(jiān)測(cè)水中有機(jī)污染物。
[0004]背景
[0005]生物需氧量(BOD)是流體(通常是水)中需氧生物有機(jī)體所需用以分解存在的有機(jī)物質(zhì)的溶解氧量。BOD通常被表示為給定流體樣本在給定溫度下、在給定時(shí)間段上所需要的氧量。由于BOD涉及生物活性，因此所引用的BOD值并非很精確，但它給出了對(duì)流體中有機(jī)質(zhì)含量的良好指示。
[0006]BOD測(cè)量最常用于監(jiān)測(cè)水的有機(jī)質(zhì)含量，例如，廢水、工業(yè)過(guò)程水、農(nóng)業(yè)過(guò)程水、農(nóng)業(yè)徑流、地表水的有機(jī)質(zhì)含量。盡管水中的有機(jī)物可能來(lái)自多種“天然”來(lái)源，例如，水生植物或者落葉，但是水中的有機(jī)物最經(jīng)常源自動(dòng)物糞便或使用化學(xué)品的工業(yè)過(guò)程中的污染。有機(jī)污染還可以包括(例如)食品加工廢料、碳?xì)浠衔?、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品或殺蟲(chóng)劑。因此，測(cè)量水的BOD給出水清潔度和其可飲用性的一般含義。如揮發(fā)性脂肪酸(VFA)的一些有機(jī)化合物僅與動(dòng)物糞便相關(guān)聯(lián)并且發(fā)出可能存在危險(xiǎn)微生物(例如，霍亂)的信號(hào)。要求定期監(jiān)測(cè)水質(zhì)的大多數(shù)機(jī)構(gòu)會(huì)測(cè)量BOD以及懸浮固體和氨含量。
[0007]用于在廢水處理過(guò)程和工業(yè)中監(jiān)測(cè)BOD的當(dāng)前實(shí)踐要求BOD5測(cè)試，其以獲得結(jié)果所需的五天而命名。由于它的實(shí)施需要五天，因此在采集樣本與獲取BOD測(cè)量結(jié)果之間存在顯著延遲，從而使得不可能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。另外，BOD5測(cè)試的準(zhǔn)確度可疑并且具有非再現(xiàn)性，同時(shí)耗時(shí)耗力。參見(jiàn)DiLorenzo等，Water Research,43 (2009) 3145-3154，其以引用方式整體并入本文。
[0008]因此，人們極大地關(guān)注用于BOD監(jiān)測(cè)的改進(jìn)的實(shí)時(shí)傳感器。這些傳感器將通過(guò)允許開(kāi)發(fā)條件進(jìn)行更快速的調(diào)整、同時(shí)降低成本來(lái)大大益于綜合水管理方法。理想的傳感器是廉價(jià)、穩(wěn)健、準(zhǔn)確的，并且具有傳感器所有效的大范圍的樣本濃度。
[0009]概述
[0010]本發(fā)明提供改進(jìn)的BOD傳感器，所述BOD傳感器尤其適用于監(jiān)測(cè)工藝廢水、工業(yè)過(guò)程水以及農(nóng)業(yè)過(guò)程水的質(zhì)量。本發(fā)明包括:傳感器；包括所述傳感器的系統(tǒng)；使用所述傳感器來(lái)測(cè)量BOD的方法；以及與本發(fā)明的所述系統(tǒng)一起使用的稀釋液。所述傳感器優(yōu)于先前BOD傳感器之處在于它們廉價(jià)、穩(wěn)健、對(duì)BOD變化響應(yīng)迅速并且能夠檢測(cè)大范圍的B0D。
[0011]本發(fā)明包括生物需氧量(BOD)傳感器，其并有至少三個(gè)工作電極、至少一個(gè)反電極、稀釋液儲(chǔ)槽以及用于測(cè)量從所述工作電極流至所述反電極的電流或電壓的傳感器。所述BOD傳感器通常也將包括至少一種安置在所述工作電極附近的電活性微生物。本發(fā)明的BOD傳感器可以另外包括接收將監(jiān)測(cè)BOD的樣本的混合腔室，其中所述樣本經(jīng)過(guò)稀釋以制成至少三個(gè)不同稀釋物，測(cè)量所有所述至少三個(gè)不同稀釋物的BOD。通過(guò)對(duì)至少三個(gè)樣本測(cè)量B0D，可能快速確定BOD值，同時(shí)仍然保持測(cè)量大范圍的BOD值的能力。在本發(fā)明的一些實(shí)施方案中，電壓來(lái)源可操作地連接在所述工作電極與所述反電極之間。
[0012]本發(fā)明包括用于確定樣本生物需氧量(BOD)的方法，所述方法包括:用稀釋液稀釋所述樣本以獲得所述樣本的至少三個(gè)不同稀釋物；使用生物電化系統(tǒng)(BES)測(cè)量所述至少三個(gè)不同稀釋物的每個(gè)的BOD以獲得至少三個(gè)BOD值；以及比較所述至少三個(gè)BOD值以確定所述樣本的B0D。測(cè)量程序通常將使來(lái)自BES的電流或電壓測(cè)量結(jié)果與BOD值相關(guān)聯(lián)，例如，通過(guò)參照BES的校準(zhǔn)曲線進(jìn)行所述關(guān)聯(lián)。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述方法在I小時(shí)內(nèi)完成。
[0013]本發(fā)明包括用于測(cè)定目標(biāo)有機(jī)化合物的存在的另一類型的傳感器。這種傳感器包括:第一電極和第二電極；可操作地連接至所述第一電極和第二電極上的電壓來(lái)源；可操作地連接至所述第一電極和第二電極并能測(cè)量所述第一電極與第二電極之間的電流的電流傳感器；以及產(chǎn)電細(xì)菌的培養(yǎng)物，其代謝式使用有機(jī)物質(zhì)作為電子供體的能力大致上限于目標(biāo)有機(jī)化合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，這種傳感器另外包括用于所述第一電極和第二電極的殼體，其中所述殼體限制所述第一電極或所述第二電極附近的有氧代謝。所述傳感器可使用如硫還原地桿菌(Geobacter sulfurreducens)的產(chǎn)電細(xì)菌。這種傳感器將極適用于測(cè)量如在城市廢水和厭氧消化器中所見(jiàn)的揮發(fā)性脂肪酸。
[0014]本發(fā)明另外包括使用一個(gè)或多個(gè)電極對(duì)的生物電化系統(tǒng)(BES)，所述生物電化系統(tǒng)能實(shí)時(shí)感測(cè)并且監(jiān)測(cè)B0D，包括VFA和其它復(fù)雜有機(jī)物。所述系統(tǒng)可將單電極對(duì)用作傳感器來(lái)操作，或者將多電極對(duì)用作傳感器陣列來(lái)操作。在使用多個(gè)BES的情況下，它們可以能夠使用通常用緩沖過(guò)的稀釋液制備的一系列稀釋物來(lái)鑒別實(shí)現(xiàn)亞飽和條件的最小稀釋度。這種方法使傳感器響應(yīng)時(shí)間最少，因?yàn)樗褂昧怂矔r(shí)電流作為信號(hào)。這種方法還會(huì)避免PH值和鹽度問(wèn)題，因?yàn)闃颖窘?jīng)過(guò)緩沖。此外，所述一系列稀釋物確保至少一個(gè)傳感器在大多數(shù)情況下不飽和并且所述傳感器將無(wú)需校準(zhǔn)即在較長(zhǎng)周期內(nèi)具有較大的準(zhǔn)確度。
[0015]本發(fā)明還包括一種用于測(cè)量流體需氧量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:生物電化系統(tǒng)(BES);連接至樣本的稀釋溶液混合系統(tǒng)；可操作地連接至所述BES的電流或電壓傳感器；以及控制電子器件，其可操作地連接至所述電流或電壓傳感器和緩沖液注射系統(tǒng)上，并且能從所述電流或電壓傳感器接收測(cè)量結(jié)果并使所述緩沖液混合系統(tǒng)以緩沖液接觸所述樣本。
[0016]附圖簡(jiǎn)述
[0017]圖1描繪示例微生物燃料電池。
[0018]圖2是本發(fā)明的生物需氧量傳感器的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。
[0019]圖3A描繪用于BOD傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。
[0020]圖3B描繪用于BOD傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。
[0021]圖4A描繪用于VFA傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。
[0022]圖4D描繪用于VFA傳感器的生物電化系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案。
[0023]圖5示出用于確定BOD傳感器的有效操作范圍的稀釋曲線。
[0024]圖6示出BOD與BOD傳感器的電流之間的關(guān)聯(lián)。
[0025]詳述[0026]本發(fā)明提供用于測(cè)量流體(例如，水)的生物需氧量(BOD)的傳感器、系統(tǒng)以及方法。所述傳感器是迅速、廉價(jià)、穩(wěn)健的并對(duì)測(cè)量樣本中的BOD而言具有大動(dòng)態(tài)范圍。所述傳感器將允許針對(duì)包括廢水處理、工業(yè)過(guò)程水處理、農(nóng)業(yè)過(guò)程水處理和地表水監(jiān)測(cè)的多種應(yīng)用進(jìn)行實(shí)時(shí)BOD測(cè)量。
[0027]牛物電化系統(tǒng)(BES)
[0028]本發(fā)明的BOD傳感器基于如微生物燃料電池的生物電化系統(tǒng)(BES)。BES是一種新型裝置，其使用電活性微生物(通常可互換地稱作光電分子、產(chǎn)電微生物(electoogen)或產(chǎn)電菌群(exoelectrogen))以在燃料電池(陽(yáng)極、陰極、可穿透的屏障)或準(zhǔn)燃料電池(兩個(gè)電極)、架構(gòu)中產(chǎn)電。通常，電活性微生物需要營(yíng)養(yǎng)素或基質(zhì)(例如，化學(xué)物種)來(lái)完成某些代謝過(guò)程。在這種代謝過(guò)程中，電活性微生物將會(huì)將電子供至電路的電極或從電路接收電子，從而使電路內(nèi)的電位或電流發(fā)生可測(cè)量的變化。由于BES可以將各種范圍的有機(jī)物用作營(yíng)養(yǎng)素，因此BES輸出將會(huì)隨著B(niǎo)OD加載率以及有機(jī)營(yíng)養(yǎng)素的類型而變化。
[0029]本發(fā)明提供多個(gè)BES布置，所述多個(gè)BES布置能夠檢測(cè)并且測(cè)量包括VFA的總BOD或僅測(cè)量VFA，其通過(guò)測(cè)定電化學(xué)活性微生物群落的代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，在存在充當(dāng)催化劑的光電分子時(shí)，有機(jī)材料在一個(gè)電極(例如，陽(yáng)極)處氧化。在這種布置中，電子從陽(yáng)極流至第二電極(例如，陰極)，從而產(chǎn)生電流。所述電流可以直接測(cè)量，或它可以通過(guò)電阻測(cè)量為電位。
[0030]已經(jīng)使用微生物燃料電池(MFC)、即一種類型的BES來(lái)報(bào)道生物需氧量(BOD)的濃度。示例微生物燃料電池(MFC)在圖1中示出。MFC包括:兩個(gè)電極，即陽(yáng)極和陰極；電活性微生物；選擇性膜，例如，質(zhì)子可穿透膜；以及連接陽(yáng)極和陰極的電路。在MFC的陽(yáng)極側(cè)，微生物使用水來(lái)進(jìn)行有機(jī)物質(zhì)代謝以產(chǎn)生二氧化碳和質(zhì)子。在這個(gè)過(guò)程中，產(chǎn)生電子(e_)，所述電子被供至電極(例如，陽(yáng)極)。如圖1所示，所供給的電子可以通過(guò)電路行進(jìn)到達(dá)另一電極(例如，陰極)，其中將電子供至氧以產(chǎn)生水。然而，如在本領(lǐng)域中已知，可得使用多種物種的許多陰極布置。陰極例如可以暴露于空氣中。如圖1所示，質(zhì)子可以行進(jìn)通過(guò)半穿透膜以與流過(guò)電路的電子一起平衡電荷。
[0031]如圖1所示，由于存在由微生物代謝的營(yíng)養(yǎng)素(或基質(zhì))，因此MFC可以產(chǎn)生電流。令人驚訝的是，由于代謝，因此多種微生物都能將電子供至電極。營(yíng)養(yǎng)素可以是有機(jī)化合物(糖、碳水化合物、小的有機(jī)酸)或硝酸鹽，或者更外來(lái)的物質(zhì)。在下文中更詳細(xì)地討論特定微生物。在圖1所示的示例MFC中，當(dāng)存在有機(jī)物質(zhì)、并且條件正確時(shí)，電極之間產(chǎn)生電流。然而，通過(guò)在MFC暴露于具有不同水平的所需營(yíng)養(yǎng)素的不同流體培養(yǎng)基時(shí)測(cè)量電流或電位，可以利用相同代謝過(guò)程來(lái)產(chǎn)生傳感器?；蛘撸梢杂猛獠侩娫?未示出)和監(jiān)測(cè)以確定代謝活動(dòng)何時(shí)發(fā)生并因此與營(yíng)養(yǎng)素的存在相關(guān)聯(lián)的電位偏置圖1所示的電池布置。在一些實(shí)施方案中，無(wú)需選擇性膜就可執(zhí)行感測(cè)。
[0032]使用圖1中公開(kāi)的MFC在實(shí)際應(yīng)用上存在多個(gè)挑戰(zhàn)。確切地說(shuō)，對(duì)于在線工業(yè)應(yīng)用，MFC傳感器具有以下問(wèn)題:(I)無(wú)法提供短的響應(yīng)時(shí)間和大的動(dòng)態(tài)范圍兩者；(2)低再現(xiàn)性和穩(wěn)定性；以及(3)所測(cè)量的BOD隨著有機(jī)質(zhì)組成而有大的變化。參見(jiàn)Kim等，Biotechnology Letters, 25 (2003) 541-545，其以引用方式整體并入本文。
[0033]所公開(kāi)的本發(fā)明已經(jīng)大致上解決了上文所指出的問(wèn)題。也就是說(shuō)，本發(fā)明的傳感器、系統(tǒng)和方法提供一種具有迅速響應(yīng)和大的動(dòng)態(tài)范圍的BOD傳感器，其中值是可再現(xiàn)的并穩(wěn)定的。如圖2中所公開(kāi)，本發(fā)明是通過(guò)提供多個(gè)并聯(lián)BES傳感器來(lái)解決響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題，所述多個(gè)并聯(lián)BES傳感器各自監(jiān)測(cè)樣本的分別稀釋過(guò)的流的BOD。
[0034]圖2呈現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，然而，組件的替代性布置(例如，電池?cái)?shù)量、電測(cè)量類型)將對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)。如圖2所示，傳感器系統(tǒng)包括多個(gè)BES電池、緩沖液槽(稀釋液儲(chǔ)槽)、泵(例如，蠕動(dòng)泵)、電阻箱和萬(wàn)用表或能測(cè)量電壓和/或電流的其它傳感器。在一個(gè)實(shí)施方案中，每個(gè)BES電池大致上相同。在測(cè)量期間，每個(gè)電池接收一些量的樣本，并且在每個(gè)電池中測(cè)量電流或電壓以確定BOD值。在一些實(shí)施方案中，一個(gè)電池將接收未稀釋的樣本，而其余電池將接收可替代地稀釋過(guò)的樣本。可如下制備稀釋物:使稀釋液(緩沖液)以恒定速率連續(xù)地流入每個(gè)電池中并且計(jì)量樣本的量以產(chǎn)生樣本的替代濃度?；蛘?，稀釋物可通過(guò)將不同量的稀釋液與相同量的樣本混合(接觸)來(lái)產(chǎn)生?；蛘?，可以連續(xù)稀釋第一稀釋物以產(chǎn)生一系列稀釋過(guò)的樣本。
[0035]稀釋液可以是與微生物和電極都相容的任何流體。稀釋液將優(yōu)選地具有比樣本(例如，由具有足夠高鹽度的緩沖鹽溶液組成的稀釋液)大的離子強(qiáng)度(導(dǎo)電性)。稀釋液通常將用弱酸或弱堿緩沖并且含有合適反離子以在樣本性質(zhì)波動(dòng)時(shí)維持緩沖條件。在一個(gè)實(shí)施方案中，稀釋液的導(dǎo)電性是至少約20毫西門(mén)子，例如，至少約50毫西門(mén)子，例如，至少約100暈西門(mén)子，例如，至少約200暈西門(mén)子，例如，至少約500暈西門(mén)子。稀釋液還可含有保持微生物最佳地起作用所需的營(yíng)養(yǎng)素，例如，糖、氨基酸、電解質(zhì)、氮源、磷源、硫源。
[0036]由本發(fā)明的系統(tǒng)分析的樣本可以來(lái)自如在背景部分中概述的多個(gè)過(guò)程中的任何過(guò)程。另外，整個(gè)樣本可以在其引入本發(fā)明的系統(tǒng)之前進(jìn)行稀釋，在所述系統(tǒng)中，它將經(jīng)受進(jìn)一步的稀釋。盡管圖2公開(kāi)了泵，但是另外可能的是，泵由操作人員的行動(dòng)所替代，所述操作人員制備樣本的獨(dú)立稀釋物并將樣本引入多個(gè)電池，從而確定B0D。
[0037]如在下文更詳細(xì)地討論，每個(gè)BES電池將在操作之前進(jìn)行校準(zhǔn)，以使給定電流或電壓可與給定BOD水平相關(guān)聯(lián)。BES響應(yīng)可以通過(guò)更改電池大小/形狀、電極大小/形狀、流動(dòng)速率或電池的微生物密度而進(jìn)行修改。因此，可能調(diào)整每個(gè)BES電池以實(shí)現(xiàn)電流(或電位)可與BOD水平相關(guān)聯(lián)的有益線性范圍。另外，由于針對(duì)給定BOD水平來(lái)調(diào)整每個(gè)電池以實(shí)現(xiàn)更好性能，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍可以通過(guò)包括并聯(lián)操作的具有不同性質(zhì)的多個(gè)電池來(lái)變大。由于每個(gè)電池將以線性模式操作，因此響應(yīng)性將也是高的。也就是說(shuō)，BOD水平的變化將快速導(dǎo)致至少一個(gè)BES的所測(cè)量的電流(或電位)的變化，從而允許快速識(shí)別BOD的變化。因此，傳感器將允許實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)B0D。
[0038]盡管未在圖2中示出，但是本發(fā)明的系統(tǒng)可以包括將從萬(wàn)用表接收例如每個(gè)BES電池的值的處理器。處理器將來(lái)自萬(wàn)用表的值與之前對(duì)每個(gè)BES電池測(cè)量的BOD與電流/電位之間的相關(guān)性進(jìn)行比較，并且對(duì)BOD值賦值。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理器可簡(jiǎn)單地將計(jì)算出的BOD值輸出至例如顯示器。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理器將確定所測(cè)量的電流/電位是否在線性范圍外(例如，低于測(cè)量閾值或者飽和)并輸出所述電池的空值(例如，NV、Err、N/A等)。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理器將僅輸出所具有的電流/電位測(cè)量結(jié)果在線性范圍內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)電池的BOD值。在一個(gè)實(shí)施方案中，處理器將對(duì)所具有的電流/電位測(cè)量結(jié)果在線性范圍內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)電池的測(cè)量值求平均值，并且隨后將平均值輸出。處理器還可以使用一個(gè)或多個(gè)電池的變化速率信息來(lái)確定BOD水平已經(jīng)發(fā)生變化，并且因此重新開(kāi)始測(cè)量算法。[0039]盡管圖2中顯示的是萬(wàn)用表，但技術(shù)人員將能夠使用多個(gè)電流或電位(例如，電壓)傳感器中的任何傳感器來(lái)測(cè)量BES電池電性質(zhì)的變化。例如，傳感器可包括電壓計(jì)、電流計(jì)、靜電計(jì)、電阻計(jì)或電位計(jì)。也構(gòu)想出測(cè)量電流或電位的非傳統(tǒng)的方法，例如，測(cè)量響應(yīng)于電流增大的電阻系統(tǒng)的溫度變化，或者測(cè)量從系統(tǒng)接收電流的LED亮度。
[0040]在圖2所不的實(shí)施方案中，傳感器陣列系統(tǒng)含有五個(gè)相同電池。各個(gè)電池共享公共緩沖溶液供應(yīng)槽，但含有它自己的陽(yáng)極和陰極腔室。電流與每個(gè)電池的BOD的線性關(guān)系將在五個(gè)電池并聯(lián)工作之前證實(shí)并且確認(rèn)。每個(gè)電池的供料將為具有固定流動(dòng)速率的緩沖溶液與具有不同流動(dòng)速率的樣本的混合物以制成各種稀釋物。緩沖溶液與樣本的混合物將被連續(xù)泵送至每個(gè)電池中。泵送至每個(gè)電池中的樣本量將由流動(dòng)速率控制，控制方式為使每個(gè)電池將含有由預(yù)定量的緩沖液稀釋的樣本。例如，在五電極對(duì)系統(tǒng)中，用于電池1、2、3、
4、5的流動(dòng)速率的比可為1: 0.5: 0.25: 0.125: 0.075，因此可將樣本分別稀釋至1、
2、4、8、16倍。連續(xù)稀釋的益處是可以鑒別最小稀釋比率以提高準(zhǔn)確度。
[0041]盡管圖2示出了具有它們自己的電極的獨(dú)立電池，但預(yù)期可使用替代性電極布置。例如,兩個(gè)或更多個(gè)BES電池可以共享公共電極，例如公共陰極。電極可由多種材料(金屬、塑料等)中的任何材料構(gòu)造。在一些實(shí)施方案中，陽(yáng)極包括碳纖維、例如碳絲，并且陰極包括不銹鋼、例如不銹鋼絲線。電極能以任何形狀制成，例如、箔形、桿形、方形、鈕形等。在一個(gè)實(shí)施方案中，電極是由網(wǎng)狀材料(例如，開(kāi)孔網(wǎng)(篩狀)材料)制成，從而允許流體通過(guò)電極。
[0042]圖3A和圖3B中示出BES電池的特定設(shè)計(jì)。圖3A和圖3B兩者都包括具有內(nèi)部陽(yáng)極的流電池室。樣本或稀釋過(guò)的樣本將會(huì)流入一個(gè)端口并從另一端口流出。如圖3A和圖3B所示，陽(yáng)極將由碳纖維網(wǎng)構(gòu)造。圖3A中的電池使用空氣陰極，而圖3B中的電池具有流電池陽(yáng)極和陰極，這與傳統(tǒng)微生物燃料電池設(shè)計(jì)類似。在圖3A和圖3B兩者中，半穿透膜存在于陽(yáng)極與陰極之間，然而，在圖3A中，膜在外部(暴露于空氣中)，而圖3B中，膜在內(nèi)部并且介于兩個(gè)流電池之間。圖3B中的電池可以用含氧流體(例如，含氧水)進(jìn)行操作，或可通過(guò)例如用泵、壓縮空氣或者一側(cè)的弱真空使空氣通過(guò)電池而將其用作空氣陰極。
[0043]施加電流
[0044]在本發(fā)明的一方面，將電流施加于系統(tǒng)。另一方面，沒(méi)有將電流未施加于系統(tǒng)。優(yōu)選施加電位為約0.8V。系統(tǒng)可由單電極對(duì)或并聯(lián)操作的多電極對(duì)陣列組成。當(dāng)將電流施加至系統(tǒng)時(shí)，能在缺氧環(huán)境中較有效地操作。在氧存在量最小化時(shí)，目標(biāo)物質(zhì)氧化、尤其是BOD中所用的電子將會(huì)存放在電極上。這可改進(jìn)所產(chǎn)生的信號(hào)的準(zhǔn)確度。類似原理適用其它可能具有競(jìng)爭(zhēng)性的電子受體(如硝酸鹽)，并且因此，它們各別濃度的最小化將會(huì)改進(jìn)信號(hào)的響應(yīng)性。例如，在進(jìn)入傳感器前的脫氮和/或氮化步驟可以是有利的。
[0045]在一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明包括兩個(gè)生物電極，在所述電極之間施加有電壓(從而形成了陽(yáng)極和陰極)。并不需要膜來(lái)將電極對(duì)分開(kāi)。在固定的施加電壓下，系統(tǒng)中的電流將會(huì)隨著溶液中的復(fù)合有機(jī)化合物(如VFA)的濃度而變化。在這個(gè)實(shí)施方案中，陽(yáng)極將氧化醋酸鹽和揮發(fā)性脂肪酸(VFA)。陰極可以將如CO2的其它物質(zhì)還原成甲烷。
[0046]在圖4A和圖4B中示出用作VFA傳感器的BES電池的示例實(shí)施方案(例如沒(méi)有膜)。電池可為兩個(gè)大致并聯(lián)的電極(圖4B)，或者電池可以包括管道，所述電極安置在所述管道內(nèi)(圖4A)。當(dāng)布置在流管末端時(shí)，圖4A中描繪的電池提供以下附加益處:大致上允許所有氧都在到達(dá)電極之前耗盡。因此，提供缺氧環(huán)境，其中較大比例的在有機(jī)物的代謝氧化期間所形成的電子將存放到電極。
[0047]在第二實(shí)施方案中，可以使用控制陰極，從而僅將生物陽(yáng)極留作為活性劑。如果耗盡，那么可再次填充或者替換這個(gè)控制陰極。
[0048]細(xì)菌
[0049]可將大量電活性微生物并入BSE中以實(shí)現(xiàn)所需的響應(yīng)和敏感性。一般來(lái)說(shuō)，電活性微生物是選自下屬的物種:芽孢桿菌屬(Bacillus)、地桿菌屬(Geobacter)、希瓦氏菌屬(Shewanella)、梭狀菌屬(Clostridia)、假單細(xì)胞菌屬(Pseudomonas)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫單胞菌屬(Desulfuromonas)、脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus)、紅育菌屬(Rhodoferax)或埃希氏菌屬(Escherichia)。微生物物種的組合也可用于本發(fā)明的系統(tǒng)、傳感器和方法。通過(guò)選擇電活性微生物的所需特性或者鼓勵(lì)自然選擇優(yōu)勢(shì)微生物，可以開(kāi)發(fā)對(duì)某些化學(xué)物質(zhì)(例如，VFA)特定的BES。另外，最適于如有機(jī)化合物的水解、發(fā)酵或者氧化的某些過(guò)程條件的微生物可以用于棲息于BES中。因此，穩(wěn)健的化學(xué)傳感器將會(huì)具有各種微生物，它們各自在代謝特定化合物或化合物集中起到作用。例如，已經(jīng)示出硫還原地桿菌對(duì)VFA進(jìn)行活性代謝，尤其是在可接收過(guò)程中產(chǎn)生的電子的金屬的存在下。
[0050]本發(fā)明涵蓋在一個(gè)或多個(gè)電池中具有電活性微生物的混合培養(yǎng)物或具有多個(gè)電池，其中每個(gè)電池具有獨(dú)立或不同的微生物群落的BES?？梢允褂镁哂须姵仃嚵?各自具有獨(dú)立微生物群落)的傳感器，例如以對(duì)樣本執(zhí)行多重分析，例如同時(shí)測(cè)量BOD和其它物質(zhì)(例如，硝酸鹽)，或以分別測(cè)量BOD和它的組分部分，例如VFA和碳?xì)浠衔铩?br> [0051]控制特定件
[0052]為了檢測(cè)并監(jiān)測(cè)VFA和其它特定有機(jī)物，本發(fā)明可使用以其受限的代謝多樣性為特征的產(chǎn)電微生物群落的純培養(yǎng)物或大致上純培養(yǎng)物。在過(guò)程條件取決于特定副產(chǎn)品的產(chǎn)生的情況下或在用戶有義務(wù)來(lái)報(bào)道超過(guò)BOD測(cè)量結(jié)果的物質(zhì)水平的情況下，這些控制器將是有用的。受限的代謝多樣性使得產(chǎn)電菌群能夠僅使用目標(biāo)用作電子供體的物質(zhì)。優(yōu)選的微生物群落將能僅使用醋酸鹽或氫作為電子供體，如硫還原地桿菌分離菌。硫還原地桿菌的代謝不靈活性類似于通常使用醋酸鹽或氫作為電子供體并使用二氧化碳作為碳源的其它產(chǎn)甲烷的微生物物種的代謝不靈活性。因此，硫還原地桿菌可以成為用于特定物質(zhì)(例如，VFA)的傳感器的基礎(chǔ)，如在下文所討論。當(dāng)然，還可使用其它物種或混合產(chǎn)電群落來(lái)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，所述其它物種或混合產(chǎn)電群落已經(jīng)最優(yōu)化以使每個(gè)組分物種的代謝特征指示廢料流中存在的揮發(fā)性脂肪酸的相對(duì)濃度。
[0053]采用如硫還原地桿菌的特定微生物群落的傳感器可以得到校準(zhǔn)并且用于控制特定過(guò)程，例如，厭氧消化器。信號(hào)可與厭氧消化活動(dòng)模擬模型進(jìn)行比較。這個(gè)模型可以包括隨著各種參數(shù)(例如，溫度、PH值、鹽度)而變化的預(yù)期VFA濃度以及特定失效模式兩者。生物電化信號(hào)還可用于過(guò)程控制系統(tǒng)，從而最優(yōu)化系統(tǒng)性能并在早期階段突顯潛在的系統(tǒng)不平衡性。醋酸和另外VFA的高濃度或低濃度(指示系統(tǒng)不平衡性)將會(huì)快速檢測(cè)出來(lái)，并且將會(huì)調(diào)整系統(tǒng)控制器以消除反應(yīng)器不穩(wěn)定性的威脅。生物電化系統(tǒng)可以部署在流入物/流出物端口處以及整個(gè)厭氧反應(yīng)器自身的內(nèi)部。每個(gè)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)還可用于預(yù)測(cè)最佳系統(tǒng)參數(shù)，包括消化器的水力停留時(shí)間、化學(xué)需氧量加載率、溫度或PH值。
[0054]BOD的校準(zhǔn)和測(cè)量[0055]無(wú)論BOD檢測(cè)系統(tǒng)的布置或用于棲息于傳感器中的細(xì)菌的培養(yǎng)物如何，電池都將必須在成為BOD傳感器的基礎(chǔ)之前進(jìn)行校準(zhǔn)或以其它方式表征。如圖5和圖6所示，將測(cè)量電池所產(chǎn)生的電流并將其與在所述電池的稀釋水平下以各種BOD水平產(chǎn)生的電流的已知值進(jìn)行比較。首先，如圖5所示，將確定用于所述電池的準(zhǔn)確BOD分析的最小稀釋比率。換句話說(shuō)，在小于最小稀釋比率的稀釋比率下，電池可以飽和，并且相應(yīng)電流測(cè)量結(jié)果的精確度小于線性區(qū)域中的例如在大于最小稀釋比率的稀釋度下的電流測(cè)量結(jié)果。
[0056]確定最小稀釋比率之后，可以如下校準(zhǔn)電池:將電池暴露于多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化BOD樣本并測(cè)量電流以構(gòu)建相關(guān)性，例如，如圖6所示。盡管圖6將BOD與電流相關(guān)聯(lián)，但也可能將BOD與例如具有已知值的電阻上的電位相關(guān)聯(lián)。圖6所示的相關(guān)性可以被編程到用于本發(fā)明的系統(tǒng)的處理器中，或者操作人員可以使用相關(guān)性解釋來(lái)自萬(wàn)用表測(cè)量結(jié)果的BOD值。相關(guān)性系可表現(xiàn)為數(shù)學(xué)相關(guān)性，或可將它準(zhǔn)備在“查閱”表中，在所述表中，假定點(diǎn)間的值在校準(zhǔn)點(diǎn)間的值之間是近似線性的。
[0057]在對(duì)每個(gè)電池校準(zhǔn)對(duì)應(yīng)電流等的BOD值之后，可將電池并入本發(fā)明的系統(tǒng)中。由于可將每個(gè)電池容易地鑒別為在它的關(guān)聯(lián)(線性)范圍中、或飽和、或低于閾值操作，因此，可以快速并準(zhǔn)確地收集有意義的測(cè)量結(jié)果，所述測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)在它的關(guān)聯(lián)范圍中操作的傳感器。這將允許更寬范圍的BOD值，所述BOD值可以得到準(zhǔn)確測(cè)量并將允許對(duì)于測(cè)量的更迅速的響應(yīng)時(shí)間。
[0058]以引用的方式并入
[0059]本公開(kāi)中已經(jīng)參考并且引用如專利、專利申請(qǐng)、專利公開(kāi)、期刊、書(shū)籍、論文、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的其它文獻(xiàn)。出于所有目的，所有這些文獻(xiàn)都以引用的方式整體并入本文。
_0] 等效方案
[0061]在不脫離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，本發(fā)明能以其它具體形式來(lái)實(shí)施。因此，前述實(shí)施方案在所有方面都應(yīng)被視為說(shuō)明性的，而非是對(duì)本文中描述的本發(fā)明的限制。因此，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求書(shū)而非前述描述指示，并且在權(quán)利要求書(shū)的等效物的含義和范圍內(nèi)的所有變化因此都意圖涵蓋于其中。
【權(quán)利要求】
1.一種生物需氧量(BOD)傳感器，所述傳感器包括: 至少三個(gè)工作電極； 至少一個(gè)反電極； 稀釋液儲(chǔ)槽；以及 用于測(cè)量從所述工作電極流至所述反電極的電流或電壓的傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的BOD傳感器，其進(jìn)一步包括至少一種安置在所述工作電極附近的電活性微生物。
3.如權(quán)利要求1所述的BOD傳感器，其進(jìn)一步包括至少三個(gè)混合腔室。
4.如權(quán)利要求3所述的BOD傳感器，其中每個(gè)混合腔室都以流體方式連接至工作電極和所述儲(chǔ)槽，并且每個(gè)混合腔室都能夠接收樣本，使所述樣本與稀釋液接觸以產(chǎn)生稀釋過(guò)的樣本，并將所述稀釋過(guò)的樣本引入工作電極。
5.如權(quán)利要求4所述的BOD傳感器，其中每個(gè)工作電極都安置在獨(dú)立混合腔室內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的BOD傳感器，其中至少兩個(gè)工作電極連接至同一反電極。
7.如權(quán)利要求1所述的BOD傳感器，其中每個(gè)工作電極都連接至不同的反電極。
8.如權(quán)利要求2所述 的BOD傳感器，其中所述至少一種電活性微生物是選自下屬的物種:芽孢桿菌屬(Bacillus)、地桿菌屬(Geobacter)、希瓦氏菌屬(Shewanella)、梭狀菌屬(Clostridia)、假單細(xì)胞菌屬(Pseudomonas)、脫硫弧菌屬(Desulfovibrio)、脫硫單胞菌屬(Desulfuromonas)、脫硫球莖菌屬(Desulfobulbus)、紅育菌屬(Rhodoferax)或埃希氏菌屬(Escherichia)或其組合。
9.如權(quán)利要求1所述的BOD傳感器，其進(jìn)一步包括可操作地連接至用于測(cè)量所述電流或電壓的所述傳感器的處理器，所述處理器能接收電流或電壓值并且確定生物需氧量值。
10.如權(quán)利要求9所述的BOD傳感器，其進(jìn)一步包括用于顯示所述生物需氧量值的顯示器。
11.如權(quán)利要求1所述的BOD傳感器，其進(jìn)一步包括可操作地連接至所述至少三個(gè)工作電極和所述至少一個(gè)反電極上的電壓來(lái)源。
12.一種用于確定樣本生物需氧量(BOD)的方法，所述方法包括: 用稀釋液稀釋所述樣本以獲得所述樣本的至少三個(gè)不同稀釋物； 使用生物電化系統(tǒng)測(cè)量所述至少三個(gè)不同稀釋物的每個(gè)的所述BOD以獲得至少三個(gè)BOD值；以及 比較所述至少三個(gè)BOD值以確定所述樣本的B0D。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中測(cè)量所述至少三個(gè)不同稀釋物的每個(gè)的所述BOD包括將電流或電壓測(cè)量結(jié)果與BOD值相關(guān)聯(lián)。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中獲得所述樣本的至少五個(gè)不同稀釋物并且測(cè)量其BOD。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述方法在I小時(shí)內(nèi)完成。
16.—種用于確定目標(biāo)有機(jī)化合物的存在的傳感器,所述傳感器包括: 第一電極和第二電極； 可操作地連接至所述第一電極和第二電極的電壓來(lái)源； 可操作地連接至所述第一電極和第二電極并能測(cè)量所述第一電極與第二電極之間的電流的電流傳感器；以及 產(chǎn)電細(xì)菌的培養(yǎng)物，其代謝式使用有機(jī)物質(zhì)作為電子供體的能力大致上限于所述目標(biāo)有機(jī)化合物。
17.如權(quán)利要求16所述的傳感器，其進(jìn)一步包括用于所述第一電極和第二電極的殼體，其中所述殼體限制所述第一電極或所述第二電極附近的有氧代謝。
18.如權(quán)利要求16所述的傳感器,其中所述培養(yǎng)物包含硫還原地桿菌(Geobactersulfurreducens)。
19.如權(quán)利要求16所述的傳感器，其中所述目標(biāo)有機(jī)化合物包含揮發(fā)性脂肪酸。
20.如權(quán)利要求16所述的傳感器，其進(jìn)一步包括可操作地連接至所述電流傳感器、能接收電流值并確定生物需氧量值的處理器。
21.如權(quán)利要求20所述的傳感器，其中所述處理器可操作地連接至厭氧消化器控制系統(tǒng)并能響應(yīng)所述電流的變化而引發(fā)所述厭氧消化器的操作中的變化。
22.—種與需氧量傳感器一起使用的稀釋液，所述稀釋液包含: 水； 弱酸或弱堿；以及 營(yíng)養(yǎng)素。
23.如權(quán)利要求22所述的稀釋液，其中所述稀釋液的導(dǎo)電性大于將測(cè)試的培養(yǎng)基的導(dǎo)電性。
24.如權(quán)利要求23所述的稀釋液，其中所述稀釋液的導(dǎo)電性為所述將測(cè)試的培養(yǎng)基的導(dǎo)電性的至少兩倍大。
25.一種用于測(cè)量流體需氧量的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 生物電化系統(tǒng)； 連接至樣本的稀釋溶液混合系統(tǒng)； 可操作地連接至所述生物電化系統(tǒng)的電流或電壓傳感器；以及 控制電子器件，其可操作地連接至所述電流或電壓傳感器和所述緩沖液注射系統(tǒng)上，并且能從所述電流或電壓傳感器 接收測(cè)量結(jié)果并使所述緩沖液混合系統(tǒng)以緩沖液接觸所述樣本。
【文檔編號(hào)】H01M8/16GK103843184SQ201280034071
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月14日
【發(fā)明者】黃真, 派翠克·凱利, 馬修·西爾弗, 賈斯汀·巴克 申請(qǐng)人:凱博瑞創(chuàng)新公司