本发明专利技术涉及电阻抗成像技术领域，具体地说是一种微生物发酵过程的实时监测系统，其特征在于：发酵罐的内壁设有直线移动装置，所述的直线移动装置的上部连接一圈电极，圈电极外层覆设有绝缘层，圈电极的接线端连接数据采集系统的一端，数据采集系统的另一端连接微机的一路信号端，直线移动装置的底端穿过发酵罐的底部后连接电机；电机的控制信号输入端连接微机的另一路信号端，发酵罐的液位传感器的信号端连接微机的又一信号端。本发明专利技术同现有技术相比，可对发酵罐内部发酵液进行实时和全方位监控，并能生成直观的二维和三维的发酵罐内图像，图像可分析出发酵罐内发酵过程的多种指标的参数值或变化值，并能及时报警，便于人们及早干预。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电阻抗成像
，具体地说是一种微生物发酵过程的实时监测系统。
技术介绍
微生物发酵是当前生物制药过程中的一项主要工序，在工业生产过程中微生物发酵是在大型的发酵罐中进行，且通常发酵时间从几天到几个星期不等。在发酵过程中要定期对发酵罐内液体进行检验分析以确保发酵过程正常和及时发现如发酵菌体生长不正常、发酵过程有杂菌污染等问题。现有技术采用在发酵罐内安装传感器来监测温度，溶氧率等参数并结合定期提取发酵液分析等方法对发酵过程进行监控。但是，一旦发现如杂菌污染等异常情况，通常为时已晚，很难采取有效措施补救。究其原因，主要是对一些重要参数，如基质浓度、发酵产物的浓度、温度等缺乏合适的有效的在线实时测量方法。 电阻抗断层成像技术是通过附着在物体表面的电极注入和采集电压信号并重建成断层图像从而掌握物体内部的信息。此技术已经初步用于医学成像等领域。此技术的基本原理是根据不同物质表现出不同的电学性质再通过二维或三维图像的形式表现出此不同。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足，通过可移动的圈电极并利用电阻抗断层成像技术通过微机控制来实现对发酵液的实时监测。为实现上述目的，设计一种微生物发酵过程的实时监测系统，包括发酵罐、圈电极、螺杆、电机、数据采集系统、嵌设有处理软件的微机、直线移动装置，其特征在于发酵罐的内壁设有直线移动装置，所述的直线移动装置的上部连接一圈电极，圈电极外层覆设有绝缘层，圈电极的接线端连接数据采集系统的一端，数据采集系统的另一端连接微机的一路信号端，直线移动装置的底端穿过发酵罐的底部后连接电机；电机的控制信号输入端连接微机的另一路信号端，发酵罐的液位传感器的信号端连接微机的又一信号端；微机内所嵌设的处理软件执行如下步骤a、开始；b、是否进行扫描；不扫描，则返回开始；确认扫描，则设定扫描区域；c、设定多频断层扫描的多个频率；d、在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描；e、扫描数据采集和图像重建生成二维和三维图像采集圈电极上的电压信号，并将电压信号转换成阻抗值后重建成二维和三维图像；f、图像处理分析二维或三维图像，并获取阻抗值计算生成相关发酵参数；g、参数分析、异常报警将所获取的发酵参数与正常发酵参数值进行比较，若超出正常范围则进行报警；h、是否生成参数图像，否，则进入“是否循环监测”步骤；是，则生成相应参数图像后再进入“是否循环监测”步骤；i、如果循环监测，则返回“在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描”步骤；如果不循环监测，则判断“是否变更扫描区域”；j、变更扫描区域，则返回“设定扫描区域”步骤；不变更扫描区域，则结束；所述的发酵参数，包括发酵罐内温度、基质体积、基质浓度、发酵产物的体积、发酵产物的浓度。所述的多个频率为施加在圈电极上的频率在100 Hz 5 MHz的10 μ A飞mA的微电流。所述的直线移动装置为沿发酵罐内壁圆周均布螺杆，螺杆为垂直放置，且每根螺杆的底端穿过发酵罐的底部后再连接设于发酵罐外的一个电机，螺杆的顶部由下至上垂直贯穿绝缘层并螺纹连接绝缘层。所述的根据获取阻抗值计算生成相关发酵参数，包括如下计算公式 公式(I) R=R0+aT ；公式(2) : Λ T= Λ R/a ； 公式(3) =R1-Rh=Ii1P1V1 ；公式(4):Rh= k2 P 2V2+ k3 P 3V3 ；公式(5) =V^V3=V-V1 ；公式(6) C2 = N2/ N '公式(7) C3 = V3/ V ； 公式中R表示从二维图像或三维图像上显示的像素所获取的阻抗值，Rtl表示在参考温度下发酵液的参考阻抗值，a表示发酵液的温度系数，T表示发酵罐内温度，AT表示温度变化值，Δ R表示发酵液阻抗变化值成和Rh分别表示发射I 5kHz低频电流所获得的阻抗值和发射IMHz 5 MHz高频电流所获得的阻抗值，Ic1为该发酵液中正常菌落电阻系数，P!为该发酵液中正常菌落电阻率，V1为菌落体积、V2为基质体积，V3为发酵产物体积；v为发酵罐中发酵液总体积，由发酵罐所附带的液位传感器所获得；k2表示发酵液内正常基质的电阻系数、P2表示发酵液内正常基质的电阻率、k3表示发酵液内正常发酵产物的电阻系数、P3表示发酵液内正常发酵产物的电阻率、C2表示发酵液内基质的体积浓度，C3表示发酵液内发酵产物的体积浓度。圈电极的接线端连接数据采集系统中的前置放大电路的一端，前置放大电路的另一端再依次连接前置滤波电路、数据采集卡的一端、信号处理电路的一端；所述的信号处理电路采用后置放大电路连接后置滤波电路组成。数据采集系统采用数据采集卡中的数字控制通路与微机的端口进行通讯连接。所述的处理软件为LabVIEW软件。数据采集系统中的数据采集卡采用PXI数据采集卡。本专利技术同现有技术相比，可对发酵罐内部发酵液进行实时和全方位监控，并能生成直观的二维和三维的发酵罐内图像，图像可分析出发酵罐内发酵过程的多种指标的参数值或变化值，并能及时报警，便于人们及早干预。附图说明图I为本专利技术实施例中的原理连接框图。图2为本专利技术中发酵罐的示意图。图3为本专利技术中发酵罐的水平剖示图。图4为本专利技术中的处理流程框图。图5为实施例中正常和非正常菌落的阻抗频谱值的曲线示意图，其中曲线中的实线表示正常菌落的阻抗频谱值，在实线上下两侧与实线相似弧度的点划线表示为正常阻抗频谱值的范围，而其中虚线表示非正常阻抗频谱值。具体实施例方式现结合附图对本专利技术作进一步地说明。实施例 本专利技术应用电阻抗断层成像技术对发酵罐内液体也即发酵液进行实时监测和成像，通过图像可对基质体积/浓度、发酵产物的体积/浓度进行实时观察和测量，从而对发酵过程进行有效控制并及时发现菌污染等问题及早进行干预。参见图I 图4，在发酵罐3的内壁设有直线移动装置，所述直线移动装置的上部连接一圈电极2，圈电极2外层覆设有绝缘层，以防止发酵罐带电，本例中绝缘层随形于圈电极呈圆环状，圈电极2的接线端连接数据采集系统4的一端，数据采集系统4的另一端连接微机6的一路信号端，直线移动装置的底端穿过发酵罐的底部后连接电机5 ;电机5的控制信号输入端连接微机6的另一路信号端，发酵罐3的液位传感器的信号端连接微机6的又一信号端；微机内所嵌设的处理软件执行如下步骤a、开始；b、是否进行扫描；不扫描，则返回开始；确认扫描，则设定扫描区域；c、设定多频断层扫描的多个频率；d、在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描；e、扫描数据采集和图像重建生成二维和三维图像采集圈电极上的电压信号，并将电压信号转换成阻抗值后重建成二维和三维图像；f、图像处理分析二维或三维图像，并获取阻抗值计算生成相关发酵参数；g、参数分析、异常报警将所获取的发酵参数与正常值进行比较，若超出正常范围则进行报警；h、是否生成参数图像，否，则进入“是否循环监测”步骤；是，则生成相应参数图像后再进入“是否循环监测”步骤；i、如果循环监测，则返回“在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描”步骤；如果不循环监测，则判断“是否变更扫描区域”；j、变更扫描区域，则返回“设定扫描区域”步骤；不变更扫描区域，则结束；所述的发酵参数，包括发酵罐内温度、基质体积、基质浓度、发酵产物的体积、发酵产物的浓度。本例中，处理软件可选用LabVIEW软件，本例中二维本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微生物发酵过程的实时监测系统，包括发酵罐、圈电极、螺杆、电机、数据采集系统、嵌设有处理软件的微机、直线移动装置，其特征在于：发酵罐（3）的内壁设有直线移动装置，所述的直线移动装置的上部连接一圈电极（2），圈电极（2）外层覆设有绝缘层，圈电极（2）的接线端连接数据采集系统（4）的一端，数据采集系统（4）的另一端连接微机（6）的一路信号端，直线移动装置的底端穿过发酵罐的底部后连接电机（5）；电机（5）的控制信号输入端连接微机（6）的另一路信号端，发酵罐的液位传感器的信号端连接微机（6）的又一信号端；微机内所嵌设的处理软件执行如下步骤：a、开始；b、是否进行扫描；不扫描，则返回开始；确认扫描，则设定扫描区域；c、设定多频断层扫描的多个频率；d、在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描；e、扫描数据采集和图像重建生成二维和三维图像：采集圈电极上的电压信号，并将电压信号转换成阻抗值后重建成二维和三维图像；f、图像处理：分析二维或三维图像，并获取阻抗值计算生成相关发酵参数；g、参数分析、异常报警：将所获取的发酵参数与正常发酵参数值进行比较，若超出正常范围则进行报警；h、是否生成参数图像，否，则进入？“是否循环监测”步骤；是，则生成相应参数图像后再进入“是否循环监测”步骤；i、如果循环监测，则返回“在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描”步骤；如果不循环监测，则判断“是否变更扫描区域”；j、变更扫描区域，则返回“设定扫描区域”步骤；不变更扫描区域，则结束；所述的发酵参数，包括发酵罐内温度、基质体积、基质浓度、发酵产物的体积、发酵产物的浓度。...
【技术特征摘要】
1.一种微生物发酵过程的实时监测系统，包括发酵罐、圈电极、螺杆、电机、数据采集系统、嵌设有处理软件的微机、直线移动装置，其特征在于发酵罐(3)的内壁设有直线移动装置，所述的直线移动装置的上部连接一圈电极(2)，圈电极(2)外层覆设有绝缘层，圈电极(2)的接线端连接数据采集系统(4)的一端，数据采集系统(4)的另一端连接微机(6)的一路信号端，直线移动装置的底端穿过发酵罐的底部后连接电机(5);电机(5)的控制信号输入端连接微机(6)的另一路信号端，发酵罐的液位传感器的信号端连接微机(6)的又一信号端；微机内所嵌设的处理软件执行如下步骤a、开始；b、是否进行扫描；不扫描，则返回开始；确认扫描，则设定扫描区域；c、设定多频断层扫描的多个频率；d、在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描；e、扫描数据采集和图像重建生成二维和三维图像采集圈电极上的电压信号，并将电压信号转换成阻抗值后重建成二维和三维图像；f、图像处理分析二维或三维图像，并获取阻抗值计算生成相关发酵参数；g、参数分析、异常报警将所获取的发酵参数与正常发酵参数值进行比较，若超出正常范围则进行报警；h、是否生成参数图像，否，则进入“是否循环监测”步骤；是，则生成相应参数图像后再进入“是否循环监测”步骤；i、如果循环监测，则返回“在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描”步骤；如果不循环监测，则判断“是否变更扫描区域”;j、变更扫描区域，则返回“设定扫描区域”步骤；不变更扫描区域，则结束；所述的发酵参数，包括发酵罐内温度、基质体积、基质浓度、发酵产物的体积、发酵产物的浓度。2.如权利要求I所述的一种微生物发酵过程的实时监测系统，其特征在于所述的多个频率为施加在圈电极(2)上的频率在100 Hz 5 MHz的10 μ A飞mA的微电流。3.如权利要求I所述的一种微生物发酵过程的实时监测系统，其特征在于所述的直线移动装置为沿发酵罐内壁圆周均布螺杆(I )，螺杆为垂直放置，且每根螺杆的底端穿过发酵罐的底部后再连接设于发酵罐外的一个电机(5)，螺杆(I)的顶部由下至上垂直贯穿...
【专利技术属性】
技术研发人员：乔国锋，
申请(专利权)人：上海杰穆实业有限公司，
类型：发明
国别省市：
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