【技术实现步骤摘要】
一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制装置及方法
本专利技术属于生物发酵过程监测及控制优化领域,更具体的,涉及一种利用电化学传感器实现对发酵过程醇类浓度的在线检测,进而对生物发酵过程进行优化调控的测控装置及方法。
技术介绍
在微生物发酵过程中,为了控制工艺条件,提高发酵产物的产量与质量,对发酵微生物的生长规律要有充分的了解,及时掌握菌体的生长状况,因而,准确、快速、实时检测发酵生产阶段情况具有十分重要的意义。醇类(甲醇、乙醇等)通常作为一类发酵过程中需要在线监测的外加诱导物或代谢产物,直接影响着发酵产物的质量和产量。微生物发酵过程中的生长周期分为四个阶段,分别为调整期、对数生长期、平衡期、衰亡期。而醇类代谢产物浓度间接反映微生物发酵过程中菌体浓度的增长趋势,当醇类代谢产物浓度稳定上升时,发酵液中的菌体增长情况主要呈现指数增长趋势,发酵的生长周期处于对数生长期。当从醇类代谢产物浓度达到最高时,发酵液中的菌体增长保持相对稳定,发酵的生长周期处于平稳期。醇类代谢产物浓度开始下降时,发酵液中菌体增长趋势下降,发酵的生长周期处于衰亡期。目前的发酵过程检测大多数采用离线取样分析的手段,依据离线采样检测得到菌体浓度、湿重、营养液含量,进行分析当前发酵生产状况,这样得到的信息是滞后性的。现有的离线检测方法耗时费力,基于此类传统的检测方法,发酵的效率和质量得不到有效的保证,无法做到发酵过程的在线实时优化控制。当发酵罐中的醇类液体浓度与挥发的醇类气体浓度形成气液平衡,通过对挥发的气相醇类浓度的检测可以实现对发酵液中醇类浓度的检测。目前应用于醇类浓度检测的主要为基于 ...
【技术保护点】
1.一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制装置,其特征在于:包括气体采样模块、气体在线检测模块和反馈控制补料模块;所述气体采样模块中,发酵罐上端出气口通过管道与浮子流量计L1下端连接,浮子流量计L1上端通过管道与气室连接,空气泵进口通过管道与干燥器出口连接,空气泵出口通过管道与浮子流量计L2下端连接,浮子流量计L2上端通过管道与气室连接;所述气体在线检测模块中,采样泵A进气口通过管道与气室出气口连接,采样泵A出气口通过管道与电化学气体传感器进气口连接,电化学气体传感器出气口通过管道与采样泵B进气口连接,电化学传感器模拟量信号输出端经过信号调理电路完成信号转换进行实时显示;所述反馈控制补料模块中,信号调理和数据采集板信号采集端与电化学气体传感器模拟信号输出端连接,信号调理和数据采集板输出端与反馈控制器连接,反馈控制器信号输出端与蠕动泵信号输入端连接。
【技术特征摘要】
1.一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制装置,其特征在于:包括气体采样模块、气体在线检测模块和反馈控制补料模块;所述气体采样模块中,发酵罐上端出气口通过管道与浮子流量计L1下端连接,浮子流量计L1上端通过管道与气室连接,空气泵进口通过管道与干燥器出口连接,空气泵出口通过管道与浮子流量计L2下端连接,浮子流量计L2上端通过管道与气室连接;所述气体在线检测模块中,采样泵A进气口通过管道与气室出气口连接,采样泵A出气口通过管道与电化学气体传感器进气口连接,电化学气体传感器出气口通过管道与采样泵B进气口连接,电化学传感器模拟量信号输出端经过信号调理电路完成信号转换进行实时显示;所述反馈控制补料模块中,信号调理和数据采集板信号采集端与电化学气体传感器模拟信号输出端连接,信号调理和数据采集板输出端与反馈控制器连接,反馈控制器信号输出端与蠕动泵信号输入端连接。2.利用权利要求1所述装置进行的反馈控制方法,其特征在于:首先进行醇类气体采样,然后进行传感器及信号调理电路的设计,再对采集的醇类气体浓度进行标定和显示,最后根据实时检测的醇类气体浓度值利用蠕动泵进行发酵补料控制,实现发酵过程的在线反馈控制。3.根据权利要求2所述的一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制方法,其特征在于:对于醇类气体的采样是对发酵罐上层挥发的醇类气体进行采样,然后使用浮子流量计控制发酵罐上层挥发的醇类气体流量和空气流量的比例,在气室中充分混合,在使用气体采样泵控制混合气体流速,以确保气体以稳定的流速流经电化学传感器;在提取发酵罐上层挥发的醇类气体时,微生物发酵罐中有溶液搅拌器,溶液搅拌器的作用是使微生物发酵中各种物质均匀反应,同时加快化学反应的速度,也使得微生物发酵罐中的溶液各种物质均匀分布,醇类气体浓度与醇类溶液浓度更容易形成气液平衡,从而提高检测精度。4.根据权利要求2所述的一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制方法,其特征在于:为实现醇类气体浓度的在线检测,采用电化学气体传感器进行醇类气体浓度的实时检测,电化学气体传感器通过与流经的待测气体反应,将传感器检测的不同气体浓度值转换为不同的响应电流信号,再利用电流电压转换模块,按照固定的电压电流比将响应电流转换为电压信号;所采用的电化学气体传感器利用发酵罐中挥发的醇类气体在传感器中发生氧化或者还原产生电荷的原理测量发酵过程代谢产生的醇类气体浓度,浓度为0ppm时输出电压350mv,模拟输出量为电压,浓度越高电压越高;在信号调理电路方面,其输出的电流信号为μA级,被测信号很小且共模干扰很高,选择差分运放检测电路具有高增益、高共模抑制比和高输入阻抗的电路特点,能够对信号进行有效的放大和去除干扰;电流电压转换模块电路结构采用对称结构,外围电阻采用高精密电阻,使得漂移、噪声、失调电压和失调电流相互抵消,以提高电路的测量精度和灵敏度。5.根据权利要求2所述的一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程反馈补料控制方法,其特征在于:得到模拟量输出电压信号之后,需要进行电化学气体传感器电压信号值与微生物发酵中醇类气体浓度值之间的准确关系的标定,通过测量传感器在不同的醇类气体浓度下的电压值,作出传感器输出电压值随醇类气体浓度的变化曲线,依据五点标定法得到线性拟合结果,而线性拟合方法采用最小二乘原理,选出一条最能反映电压值与醇类气体浓度之间关系规律的直线,从而减小测量误差,提高检测精度;信号调理和数据采集板完成电化学传感器的模拟量输出电压值的采集,并将采集的模拟量输出电压值以...
【专利技术属性】
技术研发人员:赵利强,张亚举,王峥,郭栋,王建林,于涛,
申请(专利权)人:北京化工大学,
类型:发明
国别省市:北京,11
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