一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法
【专利摘要】本发明一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法，特点之一，将气敏传感器阵列及其气敏传感器阵列恒温工作室、多通道发酵尾气精密自动进样系统、计算机控制与分析系统集成在一个测试箱内；特点之二是，多个二位二通电磁阀实现多路发酵尾气之间、发酵尾气、洁净空气与环境空气之间和6000毫升/分钟与500毫升/分钟流量之间的自动切换。特点之三是，实现对多达5个生物发酵过程即5个发酵罐的同时在线检测与分析；特点之四是，嗅觉模拟仪器内部设置精密节流阀和稳压阀，对气体具有稳压和稳流能力；特点之五是，嗅觉模拟仪器与多个发酵罐之间即插即用，操作简便，多生物发酵过程实现检测与分析过程自动化、网络化和可视化。
【专利说明】一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法
【技术领域】
[0001]本发明一一种多通道嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一涉及计算机、精密测量、自动控制、精密机械、生物发酵、生物反应器、分析化学、应用数学领域，主要解决嗅觉模拟仪器集成化、小型化与自动化、多生物发酵过程在线检测、远程可视化与在线分析问题。
【背景技术】
[0002]生物发酵过程在线检测、控制与优化的目的是以较经济的方式获得高附加值产品。生物发酵过程影响因素错综复杂，是非线性随机过程。对发酵液溶解氧(DO)浓度、pH值、通气量、温度和发酵尾气成分与浓度(例如O2和CO2)等参数进行在线检测，可及时掌握微生物生长和代谢情况，改变控制策略(例如补料方式与时机)，调整外部环境，以优化菌体生长和产物合成过程。现在，氨基酸、啤酒、青霉素等发酵过程计算机控制与优化系统，包括温度、葡萄糖补料控制与优化系统，已获得实际应用。
[0003]发酵尾气在线检测与分析的重要性就犹如通过检测人呼出的气体判断其身体状况是否异常一样。尾气O2和CO2含量常用顺磁氧分析仪和红外CO2分析仪分别进行测量。随着计算机和传感器技术的发展，激光浊度计、生物传感器、高效液相色谱等方法可实现基质浓度、菌体活度与浓度、产物浓度等参数的在线检测，一些装置和仪器已商业化生产，但存在可靠性低、稳定性差等问题。
[0004]质谱仪是一种典型的发酵尾气分析仪器，有些质谱仪与计算机数据处理系统相连接可同时对多个发酵罐进行在线检测与分析，目前主要用于尾气02、CO2在线检测。质谱分析方法的主要缺点是，(I)仪器价格十分昂贵。例如，美国产MAX300-LG质谱仪售价100万元人民币以上，难以大规模推广应用；(2)对有机挥发成分和NH3、CO等无机气体灵敏度不高，难以真正实现多种成分在线检测与分析。
[0005]嗅觉模拟仪器利用性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，能快速进行气味定性定量分析，例如，确定呈味物质类别、强度、质量等级、真假、新鲜程度、调整产品配方和工艺，等等。应用对象包括:香料香精、茶、酒类物质香气质量评定，水果成熟度判定，肉制品新鲜程度确定，环境空气监测，战争毒气检测，疾病诊断，乃至细菌和血液气味分析，等等。事实上，绝对无气味的物质是不存在的。
[0006]随着材料科学和精密制造工艺的进步，以SnO2为代表的金属氧化物半导体型气敏传感器的灵敏度已达1.0X10_9V/V(1.0ppb)，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的前提下，用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。
[0007]嗅觉模拟仪器应用前景广阔，但目前能力还相当有限。与嗅觉模拟/电子鼻有关的文献与专利检索结果如下:(I)文献。1990年以前60多篇，现在已达4000余篇。(2)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。经对ISI和EI数据库查询，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。
[0008]嗅觉模拟仪器的核心一气敏传感器阵列对醇、烃、烯、酯、醛、酮等有机挥发气和NH3、02、CO等无机气体具有很高的灵敏度。SnO2半导体型气敏传感器对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，直接以O?IOV电压信号输出，不需要二次仪表放大，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众多成分在线检测，借助于计算机与数据分析方法，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DO、pH值、RQ等参数进行预测与优化。
[0009]很多生物发酵已实现规模化生产，无论是在实验室，还是在生产车间，常常是多个发酵罐同时运行。为了将嗅觉模拟方法应用于多个生物发酵过程在线检测与分析，需要解决的关键问题是:
[0010](i)、气敏传感器选择、更换与在线校正
[0011]生物发酵尾气成分主要为02和0)2。我们认为，这两种成分只反映了生物发酵过程变化的一个侧面，或者一个表象。事实上，众多微量成分的变化才更深刻、更完整地刻画了生物发酵过程，而在线检测与分析这一过程的基础是气敏传感器阵列组成单元的多样性。在商品化TGS气敏传感器种类逐渐减少的今天，同一类型气敏传感器的多样性这一发现既带来了挑战、也提供了机遇。不仅如此，长时间工作后，由于环境变化、“基线漂移”、“中毒”的等原因，气敏传感器在线校正与更换问题就出现了。
[0012](ii)、多通道发酵尾气顶空精密采样方法与装置
[0013]发酵尾气量多是有利条件。不利条件是，一个发酵过程往往持续数天乃至数十天，气敏传感器长时间接触尾气会产生“麻痹”乃至“中毒”现象；发酵现场环境空气往往不洁净；环境温湿度是变化的。因此，为了实现多发酵罐的同时在线检测，我们需要发明多路尾气顶空精密自动采样与切换装置，确保多次对多发酵罐尾气采样的重复性。
[0014](iii)、嗅觉模拟仪器集成化、小型化与自动化
[0015]嗅觉模拟仪器是发酵过程众多检测仪器中的一种。嗅觉模拟仪器应与发酵罐和其它外接设备连接方便，即插即用，操作方便，体积小，实现组成单元集成化与自动化。例如，气敏传感器阵列、自动进样系统、电源、控制单元、数据采集卡、计算机主机、显示器应集成到一个测试箱内，必要时可外接大屏幕显示器。
[0016](iv)、多发酵过程同时在线检测、状态预测与远程可视化
[0017]研制多通道气路自动切换与集成装置，采用Internet网卡将数据远程传输；为了既避免数据过大又达到多发酵过程无失真采样的目的，找出多通道最佳采样时间间隔，实现数据动态局部放大显示，包括单个气敏传感器响应可视化；气敏传感器阵列整体响应可视化；尾气o2、co2、nh3、乙醇、乳酸等成分可视化；底物、菌体与产物浓度的可视化。
[0018]本发明以氨基酸、抗生素、生物材料、工业酒精等产品发酵过程为应用背景，实现一种基于嗅觉模拟仪器的多生物发酵过程同时在线检测与分析方法。
【发明内容】
[0019]本发明是在现有发明专利《一种小型自动化机器嗅觉仪器与气味分析方法》(参见专利申请号:200710036260.4)、《一种嗅觉模拟仪器与多种气味定性定量分析方法》(参见专利申请号:201010115026.2)和《一种面向生物发酵过程的嗅觉模拟仪器与在线分析方法》(参见专利申请号:201110182955.X)的基础上，发明一种多通道集成嗅觉模拟仪器和方法，以解决多生物发酵过程同时在线检测与分析问题。
[0020]为了实现上述目的，本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一主要解决嗅觉模拟仪器的气敏传感器选择、更换与在线校正；多通道发酵尾气顶空精密采样与集成；嗅觉模拟仪器集成化、小型化与自动化；多发酵过程同时在线检测；状态预测与远程可视化问题。
[0021]多通道集成嗅觉模拟仪器包括气敏传感器阵列及其气敏传感器阵列恒温工作室；多通道发酵尾气精密自动采样系统；计算机控制与分析系统，这三者集成在一个测试箱内，实现对多生物发酵过程即多发酵罐的同时在线检测与分析。
[0022]气敏传感器阵列恒温工作室内固定着由TGS-8xx和TGS_2xxx两个类型、共16个气敏传感器组成的阵列，位于测试箱右上方。
[0023]多通道发酵尾气精密自动采样系统位于测试箱右下方，包括微型真空泵、稳压阀、第一至第八共 8 个二位二通电磁阀 1-2-1-1、1-2-1-2、1-2-1-3、1-2-1-4、1-2-1-5、1-2-2、1-2-3、1-2-9、第一节流阀1-2-8、第二节流阀1_2_4、流量计、8通管接头、发酵尾气进气管道、洁净空气/氧气进气管道、环境空气进气管道、废气排放管道。
[0024]计算机控制与分析系统包括计算机主板、16通道16位A/D数据采集卡、直流稳压电源、控制模块、硬盘、网卡与显卡、显示器，位于测试箱左侧。
[0025]气敏传感器阵列恒温工作室通过气体管道与多通道发酵尾气精密自动进样系统相连接；气敏传感器阵列恒温工作室和多通道发酵尾气精密自动进样系统通过电路与计算机控制与分析系统相连接。
[0026]发酵尾气顶空采样时，在多通道发酵尾气精密自动进样系统作用下，多个发酵罐的发酵尾气依次以500毫升/分钟的流量和规定的时间间隔进入气敏传感器阵列恒温工作室；在一个采样周期内，对一个发酵罐的发酵尾气顶空采样时间30秒，气敏传感器阵列因此产生敏感响应，经低通滤波预处理后，计算机控制与分析系统据此现场对生物发酵过程进行预测与优化；测试数据通过Internet网实现远程传输和远程可视化。
[0027]本发明的多通道集成嗅觉模拟仪器最多可同时检测5个发酵罐，即可同时对5种生物发酵过程进行在线分析。
[0028]从外观看，测试箱前右下方为玻璃转子流量计刻度屏，用于在线显示发酵尾气顶空采样流量；测试箱前左上方是3.5" X3.5"显示器，用于在线显示气敏传感器阵列多条响应曲线、在线显示气敏传感器阵列恒温工作室温度变化、在线显示各个发酵罐的预测结果；测试箱后部下方沿水平方向分布着8个进/排气孔；其中，5个发酵尾气口通过管道分别和5个1000毫升尾气瓶(商用玻璃样品瓶)分别与5个发酵罐相连接，即插即用；1个洁净空气/氧气进气孔与洁净空气/氧气瓶相连接；另有I个环境空气入口和I个废气排出Π ；
[0029]若某一时间段只测试一个发酵过程，即嗅觉模拟仪器只与一个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为300秒，包括(I)恢复，215秒，6000毫升/分钟环境空气；(2)精确标定，40秒,500毫升/分钟洁净空气/氧气，(3)平衡,5秒；(4)发酵尾气顶空米样，30秒,500晕升/分钟发酵尾气；(5)过渡，10秒,500晕升/分钟环境空气；
[0030]若某一时间段测试二个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与2个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为270秒，但两个发酵罐测量间隔为540秒，即前270秒检测第一个发酵罐，后270秒检测第二个发酵罐；与只测试一个发酵过程相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，185秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变；
[0031]若某一时间段测试三个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与3个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为240秒，但三个发酵罐测量间隔为720秒，即O?240秒检测第一个发酵罐，241?480秒检测第二个发酵罐，481?720秒检测第三个发酵罐；与只测试一个发酵过程相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，155秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变；
[0032]若某一时间段测试四个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与四个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为210秒，但四个发酵罐测量间隔为840秒，即O?210秒检测第一个发酵罐，211?420秒检测第二个发酵罐，421?630秒检测第三个发酵罐，631?840秒检测第四个发酵罐；与只测试一个发酵过程相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，125秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变；
[0033]若某一时间段测试五个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与五个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为180秒，但五个发酵罐测量间隔为900秒，即O?180秒检测第一个发酵罐，181?360秒检测第二个发酵罐，361?540秒检测第三个发酵罐，541?720秒检测第四个发酵罐，721?900秒检测第五个发酵罐；与只测试一个发酵过程相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，95秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变。
[0034]用第一二位二通电磁阀1-2-1-1、第二二位二通电磁阀1-2-1-2、第三二位二通电磁阀1-2-1-3、第四二位二通电磁阀1-2-1-4、第五二位二通电磁阀1-2-1-5共5个二位二通电磁阀实现5个发酵罐之间的切换；测量某一个发酵罐意味着对应的二位二通电磁阀导通，其余4个二位二通电磁阀断开；这5个二位二通电磁阀与控制洁净空气/氧气通断的第六二位二通电磁阀1-2-2、控制环境空气通断的第七二位二通电磁阀1-2-3和控制气体流量大小的第八二位二通电磁阀1-2-9 —起,实现发酵尾气、洁净空气/氧气、环境空气三种气体之间和6000晕升/分钟、500晕升/分钟两种流量之间的切换。
[0035]发酵罐与气敏传感器阵列恒温工作室之间的稳压阀使得流经气敏传感器阵列恒温工作室的气体压力始终为常压，即0.1MPa0
[0036]测试数据通过网卡传到Internet网上，实现远程传输、远程可视化和远程监控；通过显卡和3.5" X3.5"显示器在线显示气敏传感器响应曲线和气敏传感器阵列恒温工作室温度变化；测试箱自带的3.5" X3.5"显示器和用户自备的大屏幕显示器可择一而用。
[0037]每一个数据采样周期，从发酵尾气顶空采样开始起至发酵尾气顶空采样结束止，共30秒，计算机控制与分析系统临时记录16个气敏传感器的电压响应曲线；发酵尾气顶空采样结束后，从临时记录的16条电压响应曲线提取稳态电压响应最大值、平均斜率和积分值作为响应分量；在一次测量中，从16个气敏传感器得到48个响应分量。
[0038]计算机控制与分析系统在线显示16条电压响应曲线；在16条稳态电压响应最大值曲线中，任一条的当前值超过5.0V，则发出报警提示；若多条稳态电压响应最大值曲线的当前值超过7.0V，则发出生物发酵过程严重不正常、可能染菌的预警。
[0039]用户可根据多通道集成嗅觉模拟仪器，利用Internet网远程对多个发酵过程进行显示、跟踪和监控。
[0040]一个完整的发酵尾气采样与分析过程包括如下步骤:
[0041](I)、环境空气初步恢复
[0042]第七二位二通电磁阀1-2-3和第八二位二通电磁阀1-2-9接通，其余二位二通电磁阀断开，在微型真空泵1-2-7的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量依次流过第七二位二通电磁阀1-2-3、8通管接头1-2-5、稳压阀1-2-6、气敏传感器阵列1_1_1及气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2、微型真空泵1-2-7、第八二位二通电磁阀1-2-9，最后排出到大气中。
[0043](2)、洁净空气/氧气精确标定
[0044]在第六二位二通电磁阀1-2-2接通，其余二位二通电磁阀均断开，洁净空气/氧气以500毫升/分钟的流量从洁净空气/氧气瓶IV依次流过第二节流阀1-2-4、第六二位二通电磁阀1-2-2、8通管接头1-2-5、稳压阀1-2-6、气敏传感器阵列1_1_1、微型真空泵1_2_7、第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，然后排出到大气中，历时40秒；在此过程中，气敏传感器阵列1-1-1得以精确标定。
[0045](3)、平衡
[0046]在5秒钟的平衡期内，所有8个二位二通电磁阀均断开，气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2内的气体处于静止状态。
[0047](4)、发酵尾气顶空采样
[0048]只有与待检测发酵罐I1-1 (i=l, 2，3,4,5)相对应的二位二通电磁阀I_2_l_i接通，其余二位二通电磁阀均断开，微型真空泵1-2-7将对应尾气瓶ΙΙΙ-1中的发酵尾气以500毫升/分钟的流量吸入气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2，使之迅速掠过气敏传感器阵列1-1-1的敏感膜表面，然后经过第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，从废气排出口排出到大气中；当采样时间达到30秒时，发酵尾气顶空采样过程结束。
[0049](5)、过渡
[0050]发酵尾气顶空采样过程结束后，气敏传感器阵列1-1-1进入历时10秒的顶空挥发气与环境空气交替的过渡期；第七二位二通电磁阀1-2-3仍接通，其余二位二通电磁阀均断开，微型真空泵1-2-7以500毫升/分钟的流量将环境空气吸入气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2。
[0051](6)、发酵罐切换
[0052]在步骤(4)发酵尾气顶空采样期间，只有与待检测发酵罐I1-1相对应的二位二通电磁阀1-2-l-1接通，其余与不检测测发酵罐相对应的二位二通电磁阀断开；这时，控制洁净空气/氧气通断的第六二位二通电磁阀1-2-2、控制环境空气/无菌空气通断的第七二位二通电磁阀1-2-3、控制6000毫升/分钟与500毫升/分钟气体流量转换的第八二位二通电磁阀1-2-9均断开。
[0053](7)、发酵过程在线分析与预测
[0054]在发酵尾气流经气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2的过程中，气敏传感器阵列1-1-1对发酵尾气产生敏感响应，这些敏感响应通过用于信号传输与控制电缆传递到计算机控制与分析系统1-3 ;计算机控制与分析系统1-3通过数据采集卡得到一个3X 16维的响应向量，经滤波、降维等预处理后，计算机控制与分析系统1-3在发酵尾气顶空采样过程结束10秒之内给出发酵过程正常与否、染菌与否等预警，尾气02、C02、NH3等成分预测；溶解氧(DO)、呼吸商(RQ)等参数估计；底物、菌体与产物浓度估计以及菌体活度分析，并将测试数据与分析结果实时显示和通过Internet网远程传送。
[0055](8)、重复步骤(I)?(7)，实现对多个发酵罐的连续多次采样；一个完整的采样周期持续5?15分钟。
[0056]多个生物发酵过程的在线检测与分析由嗅觉模拟仪器自动完成。
【专利附图】
【附图说明】
[0057]图1是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器外观和组成单元示意图。
[0058]图2是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器背面(后面)示意图。
[0059]图3是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器正面示意图。
[0060]图4是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器在生物发酵过程测试现场位置示意图。
[0061]图5是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器气路示意图。
[0062]图6是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器对一个发酵罐(例如第I个)检测时的气路示意图。
[0063]图7是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一气敏传感器阵列及其气敏传感器阵列环形工作腔示意图。
[0064]图8是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器对投保菌素C的一次发酵过程测试结果示意图。
【具体实施方式】
[0065]下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0066]图1是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器I外观和组成单元示意图。仪器外观呈长方体，从正面可以看到
3.5" X3.5"液晶显示屏1-3-1和流量计1-2-10。组成单元包括气敏传感器阵列恒温工作室1-1、多通道发酵尾气精密自动进样系统1-2和计算机控制与分析系统1-3 ;其中，气敏传感器阵列恒温工作室1-ι位于嗅觉模拟仪器I (以下简称测试箱)右上方，内部固定着气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2和由16个TGS-8XX、TGS-2XXX型气敏传感器组成的气敏传感器阵列1-1-1 ;多通道发酵尾气精密自动进样系统1-2位于测试箱右下方；计算机控制与分析系统1-3位于测试箱左侧，包括主板、数据采集卡、直流稳压电源、控制模块、硬盘、网卡和显卡。[0067]现在可用的气敏传感器包括TGS813、TGS816、TGS821、TGS822、TGS826、TGS830、TGS831、TGS832、TGS880、TGS2600、TGS2602、TGS2603、TGS2610、TGS2611、TGS2620、TGS2442。TGS2444。
[0068]图2是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器I背面示意图。这里，5个发酵尾气口、洁净空气/氧气口、环境空气/无菌空气口、废气排出口、电源插座、外接显示器插座、Internet接口、鼠标插座、键盘插座和2个USB插座可以看到。
[0069]图3是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器正面示意图，3.5" X3.5"液晶显示屏1-3-1和流量计1-2-10可见。
[0070]图4是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器I在生物发酵过程测试现场的位置示意图。包括，5个发酵罐11-1、11-2、
11-3、11-4、11-5,5 个 1000 毫升尾气瓶 111-1、111-2、111-3、111-4、II1-5 (用户自备)、和洁净空气/氧气瓶IV (用户自备)。嗅觉模拟仪器I与5个尾气瓶、嗅觉模拟仪器I与洁净空气/氧气瓶IV、5个尾气瓶与5个发酵罐均通过管道相连接。为避免污染，气体管道最好是3mm不锈钢管，同时也便于弯折。1000毫升尾气瓶ΙΙΙ-1、ΙΙΙ-2、ΙΙΙ-3、ΙΙΙ-4、ΙΙΙ-5是商用玻璃烧瓶，作用是收集发酵尾气，以保证嗅觉模拟仪器I的多通道发酵尾气精密自动进样系统1-2能在发酵尾气顶空采样的30秒时间内抽吸到足够的发酵尾气。
[0071]本发明的多通道集成嗅觉模拟仪器I最多可接5个发酵罐ΙΙ-1、ΙΙ-2、ΙΙ-3、ΙΙ-4、
11-5，也就是说，可同时对5个生物发酵过程进行在线检测与分析。本发明推荐同时检测I?2个发酵罐，主要考虑因素是气敏传感器恢复时间长度和发酵罐检测周期。
[0072]当对发酵过程作精密测量时，本发明推荐使用洁净空气和无菌空气；一般检测且环境污染不严重时，使用环境空气即可；为节省费用，可用氧气代替洁净空气。
[0073]如前所述，同时测量1、2、3、4、5个发酵罐时，气敏传感器恢复时间长度依次是215秒、185秒、155秒、125秒、95秒，而一个发酵罐的检测周期依次是5分钟、9分钟、12分钟、14分钟和15分钟。本发明认为，尽管发酵尾气气味强度不很强，但气敏传感器恢复时间长度不应小于90秒，一个发酵罐的检测周期不应大于15分钟。否则的话，气敏传感器的基线易发生漂移，发酵过程的变化不能及时被检测到。
[0074]图5是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器气路示意图。包括，8个二位二通电磁阀(即第一 1-2-1-1、第二 1-2-1-2、第二 1-2-1-3、第四 1-2-1-4、第五 1-2-1-5、第六 1-2-2、第七 1-2-3、第八 1-2-9),8 通管接头1-2-5，稳压阀1-2-6，气敏传感器阵列1-1-1及其气敏传感器阵列恒温工作室1-1-2，微型真空泵1-2-7，第一节流阀1-2-8，第二节流阀1-2-4、流量计1_2_10。
[0075]5 个二位二通电磁阀 Ι-2-1-1、Ι-2-1-2、Ι-2-1-3、Ι-2-1-4、Ι-2-1-5 分别控制 5 个发酵罐11-1、11-2、11-3、11-4、I1-5发酵尾气的通与断，第六二位二通电磁阀1_2_2控制洁净空气/氧气的通与断，第七二位二通电磁阀1-2-3控制环境空气/无菌空气的通与断，二位二通电磁阀1-2-9实施6000晕升/分钟到500晕升/分钟气体流量之间的转换。
[0076]稳压阀1-2-6的作用是，保护气敏传感器阵列环形工作腔以免因为气压过高而被发酵尾气或无菌空气或洁净空气/氧气冲破。微型真空泵1-2-7和第一节流阀1-2-8的作用是保证多次发酵尾气顶空采样时的发酵尾气流量的一致性。[0077]图6是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器对发酵罐I1-1发酵尾气顶空采样时气路示意图。这时，控制发酵罐I1-1的第一二位二通电磁阀1-2-1-1处于导通状态，其余二位二通电磁阀均处于断开状态。发酵罐I1-1的发酵尾气依次流过尾气瓶II1-1、8通管接头1-2-5、稳压阀1_2_6，气敏传感器阵列1-1-1及其气敏传感器阵列恒温工作室1-1-2，微型真空泵1-2-7、第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，最后排出到大气中。
[0078]图7是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一气敏传感器阵列1-1-1及其气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2示意图。图7(a)是气敏传感器阵列1-1-1分布情况和气敏传感器阵列环形工作腔底座1-1-2-1图。由此图可以看出，气敏传感器阵列1-1-1的16个气敏传感器呈环形分布，气敏传感器阵列环形工作腔底座1-1-2-1上有一个进气孔和一个出气孔。16个气敏传感器和进气孔、出气孔一起呈20°环形等角度分布。图7(b)是气敏传感器阵列环形工作腔盖1-1-2-2图，一个隔板1-1-2-3将进气孔和出气孔隔开。图7(c)是气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2的断面图，包括底座1-1-2-1、盖1-1-2-2、气敏传感器阵列1-1-1以及7芯陶瓷插座1、胶粘剂、O型密封圈、螺钉。当发酵尾气绕气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2流动时，气敏传感器阵列1-1-1产生敏感响应。
[0079]图8是本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一嗅觉模拟仪器对投保菌素C的一次发酵过程测试结果示意图。由于气敏传感器阵列由16个气敏传感器组成，所以，共有16条响应曲线。在每个5?15分钟的采样周期内，只取各个气敏传感器的稳态电压响应最大值。图中，第一个尖峰表不溶氧异常，第二个峰表不系统可能染菌，最终在发酵进行到60小时因为染菌而放罐，即人为中止发酵过程。这个例子说明，嗅觉模拟仪器在发酵至25小时时就发现发酵过程出现异常，比人提前约35小时发现，从而可根据该检测与分析结果来改变工艺或提前终止发酵，以降低损失，提高生产率。
[0080]本发明的一个完整的发酵尾气采样与分析过程包括如下步骤:
[0081](I)、环境空气初步恢复。第七二位二通电磁阀1-2-3和第八二位二通电磁阀1-2-9接通，其余二位二通电磁阀断开，在微型真空泵1-2-7的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量依次流过第七二位二通电磁阀1-2-3、8通管接头1-2-5、稳压阀1-2-6、气敏传感器阵列1-1-1及气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2、微型真空泵1-2-7、第八二位二通电磁阀1-2-9，最后排出到大气中。
[0082](2)、洁净空气/氧气精确标定。在第六二位二通电磁阀1-2-2接通，其余二位二通电磁阀均断开，洁净空气/氧气以500毫升/分钟的流量从洁净空气/氧气瓶IV依次流过第二节流阀1-2-4、第六二位二通电磁阀1-2-2、8通管接头1-2-5、稳压阀1_2_6、气敏传感器阵列1-1-1、微型真空泵1-2-7、第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，然后排出到大气中，历时40秒；在此过程中，气敏传感器阵列1-1-1得以精确标定。
[0083](3)、平衡。在5秒钟的平衡期内，所有8个二位二通电磁阀均断开，气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2内的气体处于静止状态。
[0084](4)、发酵尾气顶空采样。只有与待检测发酵罐I1-1 (i=l，2，3，4，5)相对应的二位二通电磁阀1-2-l-1接通，其余二位二通电磁阀均断开，微型真空泵1-2-7将对应尾气瓶ΙΙΙ-1中的发酵尾气以500毫升/分钟的流量吸入气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2，使之迅速掠过气敏传感器阵列1-1-1的敏感膜表面，然后经过第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，从废气排出口排出到大气中；当采样时间达到30秒时，发酵尾气顶空采样过程结束。
[0085](5)、过渡。发酵尾气顶空采样过程结束后，气敏传感器阵列1-1-1进入历时10秒的顶空挥发气与环境空气交替的过渡期；第七二位二通电磁阀1-2-3仍接通，其余二位二通电磁阀均断开，微型真空泵1-2-7以500毫升/分钟的流量将环境空气吸入气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2。
[0086](6)、发酵罐切换。在步骤(4)发酵尾气顶空采样期间，只有与待检测发酵罐I1-1相对应的二位二通电磁阀1-2-l-1接通，其余与不检测测发酵罐相对应的二位二通电磁阀断开。这时，控制洁净空气/氧气通断的第六二位二通电磁阀1-2-2、控制环境空气/无菌空气通断的第七二位二通电磁阀1-2-3、控制6000毫升/分钟与500毫升/分钟气体流量转换的第八二位二通电磁阀1-2-9均断开。
[0087](7)、发酵过程在线分析与预测。在发酵尾气流经气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2的过程中，气敏传感器阵列1-1-1对发酵尾气产生敏感响应，这些敏感响应通过用于信号传输与控制电缆传递到计算机控制与分析系统1-3 ;计算机控制与分析系统1-3通过数据采集卡得到一个3X 16维的响应向量，经滤波、降维等预处理后，计算机控制与分析系统1-3在发酵尾气顶空采样过程结束10秒之内给出发酵过程正常与否、染菌与否等预警，尾气02、C02、NH3等成分预测；溶解氧(D0)、呼吸商(RQ)等参数估计；底物、菌体与产物浓度估计以及菌体活度分析，并将测试数据与分析结果实时显示和通过Internet网远程传送。
[0088](8)、重复步骤⑴?(7)，实现对多个发酵罐的连续多次采样。一个完整的采样周期持续5?15分钟。从气敏传感器恢复和一个发酵罐检测周期这两个因素考虑，本发明推荐用一台嗅觉模拟仪器同时在线检测与分析二个生物发酵过程。
[0089]多个生物发酵过程的在线检测与分析由嗅觉模拟仪器自动完成。
【权利要求】
1.一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法，其特征是，包括气敏传感器阵列及其气敏传感器阵列恒温工作室；多通道发酵尾气精密自动进样系统；计算机控制与分析系统，这三者集成在一个测试箱内，实现对多生物发酵过程即多发酵罐的同时在线检测与分析； 所述的气敏传感器阵列恒温工作室内固定着由16个气敏传感器组成的气敏传感器阵列，位于测试箱右上方； 所述的多通道发酵尾气精密自动进样系统位于测试箱右下方，包括微型真空泵、稳压阀、第一至第八共 8 个二位二通电磁阀 1-2-1-1、1-2-1-2、1-2-1-3、1-2-1-4、1-2-1-5、1-2-2、1-2-3、1-2-9、第一节流阀1_2_8、第二节流阀1_2_4、流量计、8通管接头、发酵尾气进气管道、洁净空气/氧气进气管道、环境空气进气管道、废气排放管道； 所述的计算机控制与分析系统包括计算机主板、16通道16位A/D数据采集卡、直流稳压电源、控制模块、硬盘、网卡与显卡、显示器，位于测试箱左侧； 气敏传感器阵列恒温工作室通过气体管道与多通道发酵尾气精密自动进样系统相连接；气敏传感器阵列恒温工作室和多通道发酵尾气精密自动进样系统通过电路与计算机控制与分析系统相连接； 发酵尾气顶空采样时，在多通道发酵尾气精密自动进样系统作用下，多个发酵罐的发酵尾气依次以500毫升/分钟的流量和规定的时间间隔进入气敏传感器阵列恒温工作室；在一个采样周期内，对一个发酵罐的发酵尾气顶空采样时间30秒，气敏传感器阵列因此产生敏感响应，经低通滤波预处理后，计算机控制与分析系统据此现场对生物发酵过程进行预测与优化；测试数据通过Internet网实现远程传输和远程可视化； 所述的多通道集成嗅觉模拟仪器最多可同时检测5个发酵罐，可同时对5种生物发酵过程进行在线检测与分析。`
2.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器，其特征是，从外观看，测试箱前右下方为玻璃转子流量计刻度屏，用于在线显示发酵尾气顶空采样流量；测试箱前左上方是3.5" X3.5"显示器，用于在线显示气敏传感器阵列多条响应曲线、在线显示气敏传感器阵列恒温工作室温度变化、在线显示各个发酵罐的预测结果；测试箱后部下方沿水平方向分布着8个进/排气孔；其中，5个发酵尾气口通过管道分别和5个1000毫升尾气瓶(商用玻璃样品瓶)分别与5个发酵罐相连接，即插即用；1个洁净空气/氧气进气孔与洁净空气/氧气瓶相连接；另有I个环境空气入口和I个废气排出口。
3.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器，其特征是， (i)、若某一时间段只测试一个发酵过程，即嗅觉模拟仪器只与I个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为300秒，包括(I)环境空气初步恢复，215秒，6000毫升/分钟环境空气；(2)精确标定，40秒，500毫升/分钟洁净空气/氧气，(3)平衡，5秒；(4)发酵尾气顶空米样，30秒,500晕升/分钟发酵尾气；(5)过渡，10秒,500晕升/分钟环境空气；(?)、若某一时间段测试二个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与2个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为270秒，但2个发酵罐测量间隔为540秒，即前270秒检测第一个发酵罐，后270秒检测第二个发酵罐；与(i)相比，这里的时间间隔变化只是:(1)环境空气初步恢复，185秒,6000晕升/分钟环境空气,其余时间间隔保持不变； (iii)、若某一时间段测试三个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与3个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为240秒，但3个发酵罐测量间隔为720秒，即O-240秒检测第一个发酵罐，241-480秒检测第二个发酵罐，481-720秒检测第三个发酵罐；与(丨)相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，155秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变； (iv)、若某一时间段测试四个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与4个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为210秒，但4个发酵罐测量间隔为840秒，即O-210秒检测第一个发酵罐，211-420秒检测第二个发酵罐，421-630秒检测第三个发酵罐，631-840秒检测第四个发酵罐；与(i)相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，125秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变； (v)、若某一时间段测试五个发酵过程，即嗅觉模拟仪器与5个发酵罐相连接，则气体种类和流量变化周期为180秒，但5个发酵罐测量间隔为900秒，即O-180秒检测第一个发酵罐，181-360秒检测第二个发酵罐，361-540秒检测第三个发酵罐，541-720秒检测第四个发酵罐，721-900秒检测第五个发酵罐；与(1)相比，这里的时间间隔变化只是:(I)环境空气初步恢复，95秒，6000毫升/分钟环境空气，其余时间间隔保持不变。
4.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器，其特征是，用第一二位二通电磁阀1_2_1_1、第二二位二通电磁阀1-2_1_2、第二二位二通电磁阀1-2_1_3、第四二位二通电磁阀1-2-1-4、第五二位二通电磁阀1-2-1-5共5个二位二通电磁阀实现5个发酵罐之间的切换；测量某一个发酵罐意味着对应的那个二位二通电磁阀导通，其余4个二位二通电磁阀断开；这5个二位二通电磁阀与控制环境空气通断的第六二位二通电磁阀1-2-2、控制洁净空气/氧气通断的第七二位二通电磁阀1-2-3和控制气体流 量大小的第八二位二通电磁阀1-2-9 —起，实现发酵尾气、洁净空气/氧气、环境空气三种气体之间和6000毫升/分钟、500晕升/分钟两种流量之间的切换。
5.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器，其特征是，发酵罐与气敏传感器阵列恒温工作室之间的稳压阀使得流经气敏传感器阵列恒温工作室的气体压力始终为常压，即 0.1MPa0
6.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法，其特征是，测试数据通过网卡传到Internet网上，实现远程传输、远程可视化和远程监控；通过显卡和3.5" X3.5"显示器在线显示16条气敏传感器电压响应曲线和气敏传感器阵列恒温工作室温度变化；测试箱自带的3.5" X3.5"显示器和用户自备的大屏幕显示器可择一而用。
7.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法，其特征是，每一个数据采样周期，从发酵尾气顶空采样开始起至发酵尾气顶空采样结束止，共30秒，计算机控制与分析系统临时记录16个气敏传感器的电压响应曲线；发酵尾气顶空采样结束后，从临时记录的16条电压响应曲线提取稳态电压响应最大值、平均斜率和积分值作为响应分量；在一次测量中，从16个气敏传感器得到48个响应分量。
8.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法，其特征是，计算机控制与分析系统在线显示16条电压响应曲线；在16条稳态电压响应最大值曲线中，任一条的当前值超过5.0V，则发出报警提示；若多条稳态电压响应最大值曲线的当前值超过7.0V，则发出生物发酵过程严重不正常、可能染菌的预警。
9.根据权利要求1所述的多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法，其特征是，用户可根据多通道集成嗅觉模拟仪器，利用Internet网远程对多个发酵过程进行显示、跟踪和监控。
10.本发明一一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法一一个完整的发酵尾气采样与分析过程包括如下步骤: (1)、环境空气初步恢复 第七二位二通电磁阀1-2-3和第八二位二通电磁阀1-2-9接通，其余二位二通电磁阀断开，在微型真空泵1-2-7的抽吸作用下，环境空气以6000毫升/分钟的流量依次流过第七二位二通电磁阀1-2_3、8通管接头1-2-5、稳压阀1-2-6、气敏传感器阵列1_1_1及气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2、微型真空泵1-2-7、第八二位二通电磁阀1-2-9，最后排出到大气中； (2)、洁净空气/氧气精确标定 在第六二位二通电磁阀1-2-2接通，其余二位二通电磁阀均断开，洁净空气/氧气以500毫升/分钟的流量从洁净空气/氧气瓶IV依次流过第二节流阀1-2-4、第六二位二通电磁阀1-2_2、8通管接头1-2-5、稳压阀1-2-6、气敏传感器阵列1_1_1、微型真空泵1_2_7、第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，然后排出到大气中，历时40秒；在此过程中，气敏传感器阵列1-1-1得以精确标定； ⑶、平衡 在5秒钟的平衡期内，所有8个二位二通电磁阀均断开，气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2内的气体处于静止状态； (4)、发酵尾气顶空采样 只有与待检测发酵罐Π-1 (i=l, 2，3，4，5)相对应的二位二通电磁阀1-2-l-1接通，其余二位二通电磁阀均断开，微型真空泵1-2-7将对应尾气瓶ΙΙΙ-1中的发酵尾气以500毫升/分钟的流量吸入气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2，使之迅速掠过气敏传感器阵列1-1-1的敏感膜表面，然后经过第一节流阀1-2-8、流量计1-2-10，从废气排出口排出到大气中；当采样时间达到30秒时，发酵尾气顶空采样过程结束； (5)、过渡 发酵尾气顶空采样过程结束后，气敏传感器阵列1-1-1进入历时10秒的顶空挥发气与环境空气交替的过渡期；第七二位二通电磁阀1-2-3仍接通，其余二位二通电磁阀均断开，微型真空泵1-2-7以500毫升/分钟的流量将环境空气吸入气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2 ； (6)、发酵过程在线分析与预测 在发酵尾气流经气敏传感器阵列环形工作腔1-1-2的过程中，气敏传感器阵列1-1-1对发酵尾气产生敏感响应，这些敏感响应通过用于信号传输与控制电缆传递到计算机控制与分析系统1-3 ;计算机控制与分析系统1-3通过数据采集卡得到一个3X 16维的响应向量，经滤波、降维等预处理后，计算机控制与分析系统1-3在发酵尾气顶空采样过程结束10秒之内给出发酵过程正常与否、染菌与否等预警，尾气02、CO2, NH3等成分预测；溶解氧、呼吸商等参数估计；底物、菌体与产物浓度估计以及菌体活度分析，并将测试数据与分析结果实时显示和通过Internet网远程传送(7)、发酵罐切换 在步骤(4)发酵尾气顶空采样期间，只有与待检测发酵罐ΙΙ-1相对应的二位二通电磁阀1-2-l-1接通，其余与不检测测发酵罐相对应的二位二通电磁阀断开；这时，控制洁净空气/氧气通断的第六二位二通电磁阀1-2-2、控制环境空气/无菌空气通断的第七二位二通电磁阀1-2-3、控制6000晕升/分钟与500晕升/分钟气体流量转换的第八二位二通电磁阀1-2-9均断开； (8)、重复步骤(I)-(7)，实现对多个发酵罐的连续多次采样；一个完整的采样周期持续5-15分 钟。
【文档编号】G01N27/60GK103454335SQ201310405315
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2013年9月9日
【发明者】高大启, 王吉, 朱昌明 申请人:华东理工大学