用电化学活性细菌通过传感器信号模式分析方法同时测量水中有机物浓度和毒性的集成系统技术方案

本发明专利技术提供利用电化学活性细菌通过传感器信号模式分析方法能够同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统。该系统包括：包括第一和第二传感器的传感器单元，第一和第二传感器使用分别利用由不锈钢材料制成的钢丝绒的微生物燃料电池传感器；试剂单元，设置为向第一和第二传感器供应蒸馏水、培养液和生化需氧量标准溶液中的至少一种；和控制器，设置为分析传感器单元测量的数据，并使用第一传感器产生电流值的累积值和第二传感器产生电流值的变化量计算生化需氧量，还使用第一和第二传感器中产生电流值的变化量来计算毒性。

An integrated system for simultaneous measurement of organic concentration and toxicity in water by electrochemical active bacteria through sensor signal mode analysis

【技术实现步骤摘要】
用电化学活性细菌通过传感器信号模式分析方法同时测量水中有机物浓度和毒性的集成系统
本专利技术涉及一种利用电化学活性细菌通过应用传感器信号模式分析方法能够同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，更具体地，涉及一种用于同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，其中，使用生物电化学传感器，并且应用使用电化学活性细菌的传感器信号模式分析方法，以便同时测量水中的有机物浓度和是否存在的有毒物质。
技术介绍
生物电化学微生物燃料电池是用于将在微生物代谢过程中产生的生化能转化为电能的装置。即，由于发现了在微生物的有机物代谢过程中，能够将微生物细胞内的电子在没有任何介质的情况下传递到外部的微生物，因此使用具有电化学活性的这种微生物已经建立了无介质的微生物燃料电池(MFC)系统。基于由MFC中富集培养的电化学活性微生物产生的电流值与水中的有机物浓度成比例的原理，上述MFC系统可以应用于生化需氧量(BOD)计。MFC系统也可以应用于生物监测装置。已知有毒物质会抑制正常微生物的代谢。因此，当有毒物质流入MFC的负极时，其影响电化学活性微生物的电子传递机制，从而导致电流急剧下降。生物监测装置可以通过分析微生物燃料电池传感器的电流产生模式，快速且容易地检测水中有毒物质的流入。为了水质的综合管理，需要连续测量一些项目，如化学需氧量(COD)、总氮(TN)、总磷(TP)、悬浮固体(SS)、生物监测等。在BOD计的情况下，需要使用溶解氧(DO)电极、和微生物燃料电池型装置等。对于生物监测装置，存在对于有毒物质的不同生物监测装置，其使用鱼类、水蚤、藻类、发光微生物、硝化微生物、和MFC等。BOD计和生物监测装置是独立操作的，因此引起效率低下的问题。作为现有技术，有一种在韩国专利公开公布第10-2003-0089527号(2003年11月22日公布)中公开的连续使用微生物燃料电池监测废水bod的方法，以及在日本专利公开公布第2005-140757号(2005年6月2日公布)中公开的近似bod5测量方法、近似bod5测量装置、使用该装置的水质监测装置，以及废水处理系统。然而，这些技术仍然存在上述问题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种利用电化学活性细菌通过应用传感器信号模式分析方法同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，从而进行水质的综合管理。根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，所述集成系统包括：传感器单元，其包括第一传感器和第二传感器，第一传感器和第二传感器使用分别使用由不锈钢材料制成的钢丝绒的微生物燃料电池(MFC)传感器；试剂单元，其设置为向所述传感器单元的第一传感器和第二传感器供应蒸馏水、培养液和生化需氧量(BOD)标准溶液中的至少一种；以及控制器，其设置为分析由所述传感器单元测量的数据，其中，所述控制器使用在第一传感器中产生的电流值的累积值和在第二传感器中产生的电流值的变化量来计算生化需氧量(BOD)，并且还使用在第一传感器和第二传感器中产生的电流值的变化量来计算毒性，在第一传感器中产生的电流值是通过将有机物标准溶液和待测样品注入到第一传感器中而产生的电流值，并且在第二传感器中产生的电流值是通过将待测样品和微生物培养液的混合物注入到第二传感器中而产生的电流值。所述控制器可以通过将在第一传感器中产生的电流值的累积值乘以通过在第二传感器中产生的电流值的变化量上加1而获得的值来计算生化需氧量(BOD)，并且所述控制器可以通过确定在第一传感器中产生的电流值的变化量和在第二传感器中产生的电流值的变化量的平均值来计算毒性。当将有机物标准溶液注入到第一传感器并且所述注入的有机物标准溶液的浓度的标准偏差为5％以下，而将待测样品注入到第一传感器并且由所述注入的待测样品产生的电流值的标准偏差为5％以下时，所述控制器可以计算由第一传感器产生的电流值的累积值。当将所述待测样品和微生物培养液的混合物注入到第二传感器并且所述注入的混合物的毒性超出预定的毒性范围时，停止供应所述待测样品，并且当所述微生物培养液注入到第二传感器时，所述控制器可以计算在第二传感器中产生的电流值的变化量。根据本专利技术，可以由使用两个传感器测量的电流值的变化量和毒性来计算BOD和TOX值，从而使用综合毒性处理数据。此外，由于使用由不锈钢金属制成的钢丝绒作为传感器，因此传感器不易生锈并且具有优异的导电性。此外，传感器盘绕为束状形式，以具有宽的表面积和在其中形成的自流路径，从而获得将样品顺利地替换到载体内的效果。附图说明通过以下结合附图的详细描述，将更清楚地理解本专利技术的上述和其他目的、特征和其他优点，其中：图1是示出根据本专利技术的一个实施方式的集成系统中基于钢丝绒的微生物燃料电池(MFC)传感器的视图；图2是示出根据本专利技术的一个实施方式的用于同时测量有机物和生物监测结果的集成系统的流动通道的视图；图3是示出根据本专利技术的一个实施方式的用于同时测量有机物和生物监测结果的集成系统的流程图的视图；图4是表示根据本专利技术的一个实施方式的集成系统中根据有机物浓度的传感器电流值变化的图；图5是表示当有毒物质流入根据本专利技术的一个实施方式的集成系统中时传感器电流值的变化的图；图6是用于描述根据本专利技术的一个实施方式的集成系统的数据处理方法的流程图；和图7是用于描述根据本专利技术的一个实施方式的集成系统中由两个传感器测量的毒性计算的实例的视图。具体实施方式将参考附图更详细地描述本专利技术的优选实施方式。图1是示出根据本专利技术的一个实施方式的集成系统中基于钢丝绒的微生物燃料电池(MFC)传感器的视图。本专利技术提供一种利用电化学活性细菌通过应用传感器信号模式分析方法能够同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，其中，由钢丝绒制成的微生物燃料电池(MFC)用作传感器，以同时测量水中的有机物浓度和生物信息。作为MFC中的负极(“阴极”)的电极材料使用的物质可以分为非含碳物质和含碳物质。非含碳物质可以包括例如不锈钢、铂、钛、金等，其优点在于高导电性、宽电位范围，和可用于各种传感和检测应用。然而，这些还涉及与接种的微生物的结合能力弱的缺点。另一方面，含碳物质是具有对微生物亲和力高以及表面积宽的环保物质，其通常用作MFC传感器的电极材料。现有的生物电化学MFC使用易于粘附微生物的石墨毡电极作为阴极材料。然而，这些MFC存在诸如与集电器的粘附性、传感器的再现性不足以及样品不能渗透到毡织物内等问题。为了解决上述问题，本专利技术使用由钢丝绒制成的MFC。参考图1，图中所示的钢丝绒传感器可以使用不易生锈的不锈钢金属材料来制造。此外，钢丝绒传感器具有优异的导电性，可以团聚为束状形式，以具有宽的表面积和在其中形成的自流路径，从而将样品顺利地替换到载体内。此外，本实施方式可以使用两个钢丝绒传感器。图2是示出根据本专利技术的一个实施方式的用于同时测量有机物和生物监测结果的集成系统的流动通道的视图。...

【技术保护点】
1.一种用于同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，所述集成系统包括：/n传感器单元，其包括第一传感器和第二传感器，第一传感器和第二传感器使用分别利用由不锈钢材料制成的钢丝绒的微生物燃料电池(MFC)传感器；/n试剂单元，其设置为向所述传感器单元的第一传感器和第二传感器供应蒸馏水、培养液和生化需氧量(BOD)标准溶液中的至少一种；以及/n控制器，其设置为分析由所述传感器单元测量的数据，/n其中，所述控制器使用在第一传感器中产生的电流值的累积值和在第二传感器中产生的电流值的变化量来计算生化需氧量(BOD)，并且还使用在第一传感器和第二传感器中产生的电流值的变化量来计算毒性，/n在第一传感器中产生的电流值是通过将有机物标准溶液和待测样品注入到第一传感器中而产生的电流值，并且/n在第二传感器中产生的电流值是通过将待测样品和微生物培养液的混合物注入到第二传感器中而产生的电流值。/n

【技术特征摘要】
20181005 KR 10-2018-01192851.一种用于同时测量水中的有机物浓度和毒性的集成系统，所述集成系统包括：
传感器单元，其包括第一传感器和第二传感器，第一传感器和第二传感器使用分别利用由不锈钢材料制成的钢丝绒的微生物燃料电池(MFC)传感器；
试剂单元，其设置为向所述传感器单元的第一传感器和第二传感器供应蒸馏水、培养液和生化需氧量(BOD)标准溶液中的至少一种；以及
控制器，其设置为分析由所述传感器单元测量的数据，
其中，所述控制器使用在第一传感器中产生的电流值的累积值和在第二传感器中产生的电流值的变化量来计算生化需氧量(BOD)，并且还使用在第一传感器和第二传感器中产生的电流值的变化量来计算毒性，
在第一传感器中产生的电流值是通过将有机物标准溶液和待测样品注入到第一传感器中而产生的电流值，并且
在第二传感器中产生的电流值是通过将待测样品和微生物培养液的混合物注入到第二传感器中而产生的电...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴炳宣，韩雪姬，玄文湜，
申请(专利权)人：科奥比株式会社，
类型：发明
国别省市：韩国;KR