本发明专利技术一种面向生物发酵过程的嗅觉模拟仪器与在线分析方法，其特点是，嗅觉模拟仪器由测试箱和计算机组成；气敏传感器阵列置于恒温箱内，恒温过程只加热，不制冷；在计算机控制下，由微型真空泵、电磁阀、流量计、节流阀和尾气瓶实现发酵尾气精密自动采样，以实现生物发酵过程的在线检测；用模块化时变神经网络和模块化非时变神经网络组成级联模型，实现生物发酵过程的在线分析，包括：发酵过程正常与否判断；尾气O2、NH3、CO2、醇类、酸类、酯类等成分识别与浓度估计；发酵液溶解氧、pH值、呼吸商预测；底物、菌体、产物浓度估计；补料量、通气量、搅拌速度优化；实现生物发酵过程实时动态显示和Internet网远程监控。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术-，涉及计算机、 精密测量、自动控制、精密机械、生物反应器、发酵工程、分析化学领域。本专利技术主要解决气敏传感器阵列工作室精密恒温、发酵尾气精密自动采样、嗅觉模拟仪器设计及其与发酵罐的连接和通讯、生物发酵过程在线检测和远程传输与可视化、生物发酵过程状态预测、控制与优化问题。
技术介绍
现代发酵工程是基因工程、酶工程、细胞工程实现产业化的桥梁，基于计算机和现代控制理论的生物发酵过程在线检测、控制与优化技术是提高目标产物浓度、生产效率和原料转化率的发酵工程关键技术。生物发酵过程优化控制的理想目标是通过过程最优化以期达到生产能力最大化。 生物发酵过程影响因素错综复杂，实验数据重复性较差，难以用确定的数学模型来描述，是一个非线性随机动态过程。诚然，发酵过程的数据存储和显示是重要的，然而，更为重要的是发酵过程的在线检测、实时动态控制、预测与优化。例如，在深入理解影响谷氨酸发酵主要因素的基础上，结合经验方程，我们可以建立谷氨酸发酵过程的各类数学模型，以描述发酵过程菌体生长和产物生成规律，设计完整的过程检测和控制系统，根据直接或间接测试的发酵液和发酵尾气数据，对溶解氧(DO)浓度、pH值、通气量、发酵温度、罐压、尾气O2和 CO2浓度、补料方式与时机等参数进行检测和预测，综合分析微生物生长和代谢情况，及时改变控制策略，调整外部环境，以利于菌体生长和产物合成过程的优化。发酵过程在线检测、控制与优化的目的是以较为经济的方式利用微生物获得高附加值的产品。优良菌种选育与改良、培养基和补料工艺优化、生产条件控制与优化是达到这一目标的一个方面；近年来，人们更多地将目标集中在生物发酵过程技术参数在线检测、建模和自动化控制、生物发酵过程仪器化等更高的层次和方面。其中，面向酵母菌、氨基酸、柠檬酸、啤酒、青霉素发酵过程的计算机控制与优化系统，尤其是发酵过程温度、葡萄糖流加补料控制与优化系统已获得实际应用，取得了良好的经济效益。在酵母菌培养中，人们通过控制流加速率来保持培养基中合适的葡萄糖浓度，达到了提高酵母菌体产量的效果。在青霉素发酵中，一些研究者构建了流加补料工艺的计算机控制系统，取得了较好的效果。华东理工大学张嗣良教授提出基于细胞代谢流的生物反应工程分析与控制方法，专利技术了发酵过程多水平、多参数优化控制技术，设计了一种新概念生物反应器，通过物料流检测和过程优化与放大，大幅度提高了青霉素、红霉素、金霉素、肌苷、鸟苷、重组人血清白蛋白等产品的发酵水平。生物发酵过程的好坏完全取决于良好生产环境的创造、控制和优化，主要是发酵过程各种参数的在线检测与调整。目前，生物发酵过程主要检测和控制参数包括DO值、pH 值、温度、搅拌速率、空气流量、罐压、液位、黏度、溶解CO2、补料速度、补料量、尾气O2、尾气 CO2、呼吸商(RQ)、菌体浓度等。其中，DO值和pH值这2个参数可能是最重要和最广泛使用的。理论分析指出，通过控制酸碱或碳源物质的流加速率和流加量可以调节PH值；而溶解氧的调节主要通过改变通气量、搅拌速度、罐压、通气成分(纯氧或富氧)、碳与氮(主要是葡萄糖和氨水)补加量等参数来实现。发酵尾气在线检测与分析十分重要。尾气&和(X)2含量常用顺磁氧分析仪和红外 CO2分析仪分别进行测量。随着计算机技术和传感器技术的快速发展，激光浊度计、流动注射式分析仪、生物传感器、高效液相色谱等可实现对基质浓度、菌体活度与浓度、产物浓度等参数的在线检测，一些装置和仪器已实现商业化生产，但存在无法耐受高温、高压、可靠性低、稳定性差等问题，目前仅应用于实验室和中试规模。质谱仪是一种典型的尾气分析仪器，近年来广泛用于快速测量尾气多种组分。从原理上，质谱仪能够在线检测尾气02、CO2和其他一些成分。配有毛细管和膜装置的质谱仪与计算机数据处理系统相连接，通过对多种气体的在线检测，可同时对多个发酵罐进行在线检测与分析。质谱分析方法主要缺点是，(1)仪器价格十分昂贵。例如，美国产MAX300-LG 质谱仪单价100万元以上，难以大规模推广；( 对挥发性成分灵敏度不够高，难以实现多种成分同时在线分析。事实上，质谱仪目前主要用于尾气A和(X)2的在线检测。嗅觉模拟方法与仪器利用性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，能快速对气味质量进行定性定量分析，引起人们高度重视。例如，我们可以依据嗅觉模拟仪器对气味的测量数据来确定呈香物质类别、强度、质量等级、真假、新鲜程度、控制生产过程、调整产品配方和工艺，等等。2000年之前，嗅觉模拟研究主要集中在简单成分气体识别与浓度估计上； 今天，研究对象拓展到复杂气味整体特征定性定量分析上，例如，香料香精、茶、酒的质量评定；水果成熟度判定；水产品和肉制品新鲜程度确定；环境空气与水污染监测；战争毒气检测测；疾病诊断；乃至细菌和血液气味；等等。时至今日，我们能找出绝对没有气味的物质吗？随着材料科学和精密制造工艺的进步，以SnA为代表的金属氧化物半导体型气敏传感器的灵敏度已达1. OX 10_9V/V (l.Oppb)，常用范围为1. 0 lOOOOppm。嗅觉模拟研究的一个发展趋势是，在单个气敏器件具有必要灵敏度和选择性的前提下，用响应范围较宽且性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，着重利用数据分析方法来提高仪器的选择性，用内部工作条件的精密控制来实现仪器的重复性与长期稳定性，并依据气敏传感器阵列对气体产生的多维响应信号得到气体类别、强度、关键成分浓度等分析结果。这些研究内容涉及精密机械、精密测量与控制、计算机、应用数学、分析化学、以及发酵工程等具体应用领域， 具有重要的理论意义和实用价值。嗅觉模拟仪器应用前景广阔，但目前的能力还相当有限。嗅觉模拟有关文献与专利检索结果如下(1)文献。1990年以前只有60多篇，到2000年为500多篇，现在已达4000 余篇，说明嗅觉模拟研究近几年广泛展开。( 专利。100多项国际专利和20几项国内专利大多是近几年申请或授权的，显示国内外已开始重视嗅觉模拟领域知识产权保护。(3)技术标准。通过对IHS国际标准数据库进行检索，未发现与嗅觉模拟有关的产品技术标准。浙江大学、大连理工大学、华中科技大学等国内单位近几年开展了这方面的研究。然而，截止到现在，国内发表的嗅觉模拟相关论文300余篇，其中发表在国际知名杂志上不到100篇。 上述结果说明，嗅觉模拟理论与应用研究亟待深入。经对ISI和EI两个数据库查询，尚未发现嗅觉模拟方法应用于发酵过程在线检测与分析的文献。嗅觉模拟仪器的核心-气敏传感器阵列对醇、酯、酸、醛、酮、烃、烯等有机挥发气和CO、NH3、O2等无机气体具有很高的灵敏度。SnA半导体型气敏传感器对被测气体，例如发酵尾气，从开始接触到达到稳定状态的响应时间小于10秒，不需要二次仪表放大，直接以0 IOV或0 5V电压信号输出，这对生物发酵过程在线检测来说是很有吸引力的。嗅觉模拟方法通过对发酵尾气中02、NH3, CO2和众多微量有机成分的在线检测，借助于计算机和数据分析方法，来确定发酵尾气成分与浓度，进而对底物浓度、菌体活度与浓度、产物浓度和发酵液DO、pH值、RQ等参数进行预测与优化。外因是变化的条件，内因是变化的根据。依据发酵动力学原理对发酵过程进行控制和优化，必须掌握微生物生长状态、基质和氧本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种嗅觉模拟仪器，包括测试箱和计算机，其特征在于：所述的测试箱内设恒温箱、微型真空泵、二位三通电磁阀１０３、二位二通电磁阀１０５，二位二通电磁阀１０７、二位二通电磁阀１０５、流量计、直流稳压电源、驱动与控制电路、节流阀１０６、节流阀１１０；所述的恒温箱包括气敏传感器阵列、气敏传感器阵列环形工作室、电阻加热丝、温度传感器、风扇、隔热层；所述的气敏传感器阵列包括性能彼此重叠的１６个气敏传感器；所述的计算机包括计算机主机、显示器和插在计算机主机内的数据采集卡；所述的测试箱与计算机通过电缆相连接；所述的测试箱通过气路分别与发酵罐和洁净空气瓶相连接，测试箱与发酵罐的气路中间设置一个容量为１５００～２０００毫升的尾气瓶以积蓄发酵尾气；洁净空气使气敏传感器阵列在对发酵尾气进行测量前处于基准状态；尾气采样时，在微型真空泵的抽吸作用下，积蓄在尾气瓶内的发酵尾气以６００毫升／分钟及以上的流量流经气敏传感器阵列，气敏传感器阵列由此产生敏感响应即１６路模拟电压信号；数据采集卡将这１６路模拟电压信号转化成１６路数字信号，嗅觉模拟仪器据此对生物发酵过程进行在线分析、预测与优化。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：高大启，王吉，刘芳君，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：31
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