发酵罐尾气在线分析仪的制作方法

本发明涉及一种自动发酵设备及工艺控制在线检测装置，具体来说涉及一种发酵罐尾气在线分析仪。

背景技术：

代谢（metalsolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量的过程。合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的，无论是好氧微生物还是厌氧微生物都会产生CO₂，所以微生物呼出气体中CO₂ 含量的改变可反映菌体代谢的变化，在发酵代谢调控中有着非常重要的意义。除此之外，好氧微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

微生物在生长代谢过程中，O₂的消耗、CO₂的产生可以比较容易检测，但大多数微生物发酵后产生有臭味的气体，这些带臭味的气体大多数是一些挥发性的醛类、酸类、醇类、酯类、胺类、硫醇类、酚类、噻唑、吲哚和呋喃类杂环化合物类等。一般简单的发酵气味由几十种上述化合物组成，复杂的发酵气味由几百种上述化合物组成。浓度不同呈现的主体气味不同，比如低浓度的吲哚呈现出香气，高浓度的吲哚呈现出粪便的臭气。用目前市场上用的环境气体分析仪（一般只能测定氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、甲醛、二氧化硫等8~10种）或汽车尾气分析仪（测排气中一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物成份）是无法进行检测的。

实验室研究用的发酵罐有用气质联用仪（GC-MS）测定发酵尾气成分的报导，但气质联用仪价格昂贵，且需要专门的进样装置，其检测过程复杂、时间较长，不能用于工业发酵生产在线检测中。目前，发酵工业自动控制水平低，例如谷氨酸发酵，多数生产厂基本的检测控制参数有：在线检测发酵液温度、罐内压力、通风量、排气流量、连续流加氨水流量等。离线检测发酵液的酸度、菌体浓度、糖浓度、谷氨酸浓度。根据这些参数值进行人工控制，可以生产，但是过程不稳定，情况不太明又不及时，生产只是一般水平。有些厂自动控制发酵液温度、罐内压力、进罐空气流量，使这些参数稳定，提高了生产水平。有些厂增加在线检测参数，应用电子计算机，都取得可喜的成果，但要实现最优化控制还有一段距离。微生物发酵生成产物的同时都要产生CO₂和挥发性气味成分，产生CO₂的量和挥发性气味成分的量与细胞代谢密切相关，因此，在线连续检测记录发酵排气中的成分及浓度是很重要和很有意义的。通过检测可以对发酵过程进行代谢调控，做到对发酵过程“情况明、过程稳、生产优”。

近年来，电子鼻技术逐渐应用到发酵过程的快速检测上。电子鼻技术有快速、无损的优点，但研究多局限于利用金属氧化物传感器等传统传感器检测发酵，难以区分相似物质，且对环境中湿度的变化敏感，容易引起检测结果的偏差，对硫醇、胺等气体灵敏度低，而这些气体往往是发酵腐败的特征气体，金属氧化物气体传感器与反应物之间主要是依靠范德华吸引力，这种分子作用力是分子间的极弱作用力，灵敏度较差，而且金属氧化物气体传感器在温度高，长时间工作后，响应基准值容易发生偏移。

红外线传感器和新型气敏材料制成的气体传感阵列监测技术不但利用了分子间的范德华力等弱力，而且引入了金属键、极性键，具有较强的化学反应，而且受空气湿度的影响小。新型气敏材料制成的气体传感阵列监测中使用的气敏材料具有分子识别性功能，这种方法灵敏度高，可以区分化学性质极其相似的物质，克服了常见传感器难区分相似物质的缺点，能检测出发酵过程中气体的微量变化，从而比较准确地监测发酵过程中状态和内部成分的变化。通过尾气数据获取的微生物生理代谢参数，对发酵过程进行了工艺优化。

微生物发酵从形态上分液体发酵和固态发酵，液体发酵绝大多数为单菌种纯种发酵，固态发酵既可以是单菌种纯种发酵，又可以是多菌种混合发酵。其发酵尾气特点有所不同，固态发酵尾气湿度大，尾气中可能带有粉尘、菌体孢子等固态微粒；液体发酵尾气湿度也大，但尾气中不会有固态微粒。

技术实现要素：

本发明主要针对发酵罐尾气成分复杂、湿度高，普通的尾气检测分析仪和电子鼻很难实现实时监测，提出基于多种红外线传感器和新型气敏材料制成的气体传感器构成阵列相结合的发酵过程在线尾气检测分析仪。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：发酵罐尾气在线分析仪，包括外壳，外壳上设有显示屏，外壳上设有进气口和出气口，进气口和出气口之间连接通气管，外壳内设有检测系统、电路控制系统，外壳外分别连接采样系统和上位机系统，检测系统设在通气管上，采样系统连接检测系统，检测系统连接电路控制系统，电路控制系统连接上位机系统，采样系统采集的发酵罐尾气通过检测系统测定得到各种气体的电信号，电信号由电路控制系统处理后发送到上位机系统。

所述采样系统包括多个尾气进样管，每个尾气进样管均连接通气管，每个尾气进样管和通气管连接处设有电控转换阀。

所述检测系统包括红外线CO₂传感器、电化学O₂传感器和阵列式半导体气体传感器，通气管上依次设有气水分离器、灰尘过滤器、硅胶、气泵、稳流阀、气体流量计和三通阀，三通阀分别连接管路一和管路二，管路一上串联设有红外线CO₂传感器和电化学O₂传感器，管路二上设有阵列式半导体气体传感器，管路一和管路二均连接出气口，气水分离器上设有排水管，稳流阀上设有排气管。

所述检测系统包括阵列式红外线气体传感器、阵列式半导体气体传感器和电化学O₂传感器，通气管上依次设有气水分离器、阵列式红外线气体传感器、阵列式半导体气体传感器、电化学O₂传感器、流量传感器、温度传感器、流量调节器和气泵，气水分离器上设有排水管。

所述阵列式半导体气体传感器具有气室结构，气室结构包括气室壳体、气体传感器、气室底盖、气室上盖、传感器阵列电路板，气室壳体通过螺栓或螺丝分别连接气室上盖和气室底盖，气室壳体和气室上盖之间设有密封垫，气室壳体一端设有进气管接头，另一端设有出气管接头，气室壳体为长方形结构，气室壳体内设有槽体，槽体两端为锥形，槽体的内槽底面上均布开设有用于安装气体传感器的小孔，传感器阵列电路板通过固定螺丝固定在气室壳体底部，气体传感器焊接在传感器阵列电路板上，气体传感器和小孔之间通过密封圈进行密封，气体传感器的采气罩突出于传感器的小孔外。

所述阵列式红外线气体传感器具有气室结构，气室结构包括红外光源、可变波长滤光器、进气口、出气口、内腔镀膜气室、温湿度传感器、滤光片和红外探测器，内腔镀膜气室内部一端设有可变波长滤光器，可变波长滤光器前端设有红外光源，另一端设有红外探测器，红外探测器前端设有滤光片，可变波长滤光器和红外探测器都与内腔镀膜气室之间通过密封胶圈密封，内腔镀膜气室上设有进气口和出气口，进气口处设有温湿度传感器。

所述电路控制系统包括信号预处理电路、微处理器和通讯接口电路，信号预处理电路与检测系统连接，微处理器分别连接显示电路、按键电路、电源电路、时钟电路、存储电路和通讯接口电路，信号预处理电路的输出端与微处理器连接，显示电路的输入端与微处理器的I/O口连接，按键电路输出端与微处理器的I/O口连接，时钟电路和存储电路分别与微处理器对应口连接，电源电路的输出端与微处理器的电源端连接，通讯接口电路输入端与微处理器的通信接口连接，微处理器中安装有尾气数据分析单元、生物量计算单元和异常报警单元。

所述上位机系统包括发酵罐控制单元、发酵罐检测单元、代谢调控系统、计算机、发酵专家系统和异常报警单元，电路控制系统连接计算机，计算机分别连接发酵罐控制单元、发酵罐检测单元、发酵专家系统、异常报警单元和代谢调控系统。

本发明的多功能发酵尾气检测分析仪体积小、功耗低、可靠性高、价格低廉、可以实现在线测量、可以实现便携式设计，易于推广和大范围使用等优点。

附图说明

图1是本发明的结构框图1。

图2是本发明的结构框图2。

图3是阵列式半导体气体传感器的气室结构示意图。

图4是图3的侧视图。

图5是图3的A-A剖视图。

图6是图5的I处放大示意图。

图7是阵列式红外线气体传感器的气室结构示意图。

图8是图7的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1～图8所示的发酵罐尾气在线分析仪，包括外壳，外壳上设有显示屏，外壳上设有进气口和出气口，进气口和出气口之间连接通气管，外壳内设有检测系统、电路控制系统，外壳外分别连接采样系统和上位机系统，检测系统设在通气管上，采样系统连接检测系统，检测系统连接电路控制系统，电路控制系统连接上位机系统，采样系统采集的发酵罐尾气通过检测系统测定得到各种气体的电信号，电信号由电路控制系统处理后发送到上位机系统。

所述采样系统包括多个尾气进样管，通过尾气进样管对发酵罐尾气进行多点采样，每个尾气进样管均连接通气管，每个尾气进样管和通气管连接处设有电控转换阀，每个尾气进样管上均设有阀门，阀门与多路脉冲控制器连接，通过多路脉冲控制器对阀门进行自动化控制。

如图1所示，一种检测系统包括红外线CO₂传感器、电化学O₂传感器和阵列式半导体气体传感器，通气管上依次设有气水分离器、灰尘过滤器、硅胶、气泵、稳流阀、气体流量计和三通阀，用于固态发酵罐尾气检测，固态发酵罐尾气湿度大，尾气中可能带有粉尘、菌体孢子等固态微粒，通过气水分离器进行气水分离，气水分离器上设有排水管，分离出的水通过排水管排出，通过灰尘过滤器对固态微粒进行过滤，通过硅胶进行吸潮，保证进入的尾气干净、湿度低，三通阀分别连接管路一和管路二，管路一上串联设有红外线CO₂传感器和电化学O₂传感器，管路二上设有用于检测尾气中除CO₂和O₂以外的其他成分的阵列式半导体气体传感器，管路一和管路二均连接出气口，稳流阀上设有排气管，使得从多个尾气进样管进来的气体不相互干扰，待通气管上都为同一尾气进样管过来的气体时才进入传感器测定。

如图2所示，另一种检测系统包括阵列式红外线气体传感器、阵列式半导体气体传感器和电化学O₂传感器，通气管上依次设有气水分离器、阵列式红外线气体传感器、阵列式半导体气体传感器、电化学O₂传感器、流量传感器、温度传感器、流量调节器和气泵，气水分离器上设有排水管。

所述电路控制系统包括信号预处理电路、微处理器和通讯接口电路，信号预处理电路与检测系统中的各种传感器连接，微处理器分别连接显示电路、按键电路、电源电路、时钟电路、存储电路和通讯接口电路，信号预处理电路的输出端与微处理器连接，显示电路的输入端与微处理器的I/O口连接，按键电路输出端与微处理器的I/O口连接，时钟电路和存储电路分别与微处理器对应口连接，电源电路的输出端与微处理器的电源端连接，通讯接口电路输入端与微处理器的通信接口连接，微处理器中安装有尾气数据分析单元、生物量计算单元和异常报警单元。

流量传感器和温度传感器的信号输出端连接微处理器，微处理器连接流量调节器，通过微处理器对流量调节器进行流量调节。

所述上位机系统包括发酵罐控制单元、发酵罐检测单元、代谢调控系统、计算机、发酵专家系统和异常报警单元，电路控制系统连接计算机，计算机分别连接发酵罐控制单元、发酵罐检测单元、发酵专家系统、异常报警单元和代谢调控系统。

检测系统中多种传感器检测到的电信号通过信号预处理电路的滤波、放大处理后，进入到微处理器，并通过温度和气压等多参数补偿等处理后，由微处理器经通讯接口电路输出到计算机，并在显示电路上显示温度、气压、水分、O₂、CO₂等基础测量值，还可由按键电路输入检测号在液晶显示屏上查看各发酵罐的基础测量值，该设计使得仪器具有响应速度快、数据准确可靠、重复稳定好，操作维护简便等优势，实现对发酵尾气成分的连续在线测量。

发酵专家系统能够对计算机内采集的数据进行多重分析。发酵专家系统能够根据发酵罐的工况数据和发酵尾气检测系统采集的发酵罐尾气排放数据，计算出发酵罐的发酵尾气主成分种类，通过学习型数据库判断发酵所处工况区间；也可在发酵专家系统的在线故障诊断页面上调入检测的发酵尾气主成分种类及检测数据，通过高速访问数据库即时调取数据库内相对应的诊断结果，诊断结果在发酵故障诊断结果显示页面上进行显示；诊断的结果包括被检测发酵罐的故障诊断分析、尾气主成分种类、代谢调控建议；操作员只需根据执行诊断结果的代谢调控建议，可以轻松纯技术性的解决发酵故障或代谢调控的优化问题。

发酵专家系统的数据库内有发酵分类子系统，数据库内含庞大的数据量，用户在进行每一类发酵时，发酵专家系统有自学习功能，可以将发酵的各种数据综合分析。当用户使用本系统一段时间后，发酵专家系统诊断结果精确更高，而且无需用户具备专业的发酵知识，有效提高了工作效率。本发明具有操作简单方便快捷、诊断结果精确、劳动强度低及诊断结果及时，便于用户迅速做出调整，可及时解决发酵故障，避免因故障带来的危险状况的发生；该发酵尾气检测系统的发酵专家系统的数据库诊断功能还可用于是否染菌的检测方法，当发酵尾气主成分为某种菌特有的发酵成分时可判断为染菌或代谢易常。

如图3～图6所示，所述阵列式半导体气体传感器具有气室结构，气室结构包括气室壳体2、气体传感器3、气室底盖5、气室上盖6、传感器阵列电路板8，气室壳体2通过螺栓或螺丝分别连接气室上盖6和气室底盖5，气室壳体2和气室上盖6之间设有密封垫，气室壳体2一端设有进气管接头1，另一端设有出气管接头4，气室壳体2为长方形结构，气室壳体内设有槽体，槽体两端为锥形，槽体的内槽底面上均布开设有用于安装气体传感器3的小孔，传感器阵列电路板8通过固定螺丝7固定在气室壳体2底部，气体传感器3焊接在传感器阵列电路板8上，气体传感器3和小孔之间通过密封圈9进行密封，气体传感器3的采气罩突出于传感器的小孔外；气室上盖6采用全密闭铸造铝一体成型结构，确保了模块内部的气闭性和屏蔽性，同时内壁设有硅烷化涂层以提高表面光洁度减少吸附残留量，从而大大减少在线检测干扰因素，显著提高气体测试数据的准确度。本发明特别采用了对醛类、酸类、醇类、酯类、胺类、硫醇类、酚类、吲哚类杂环化合物类等8类分别敏感的纳米材料半导体传感器，数量为8~30个。

如图7～图8所示，所述阵列式红外线气体传感器具有气室结构，气室结构包括红外光源10、可变波长滤光器11、进气口15、出气口13、内腔镀膜气室12、温湿度传感器16、滤光片17和红外探测器18，内腔镀膜气室12内部一端设有可变波长滤光器11，可变波长滤光器11前端设有红外光源10，另一端设有红外探测器18，红外探测器18前端设有滤光片17，可变波长滤光器11和红外探测器18都与内腔镀膜气室12之间通过密封胶圈14密封，内腔镀膜气室12上设有进气口15和出气口13，进气口15处设有温湿度传感器16。

阵列式红外线气体传感器是CO₂，NH₃，H₂O，SO₂四组分红外集成气体传感器，红外探测器为四组带不同特定波长滤光片的测量红外探测器和带不同特定波长滤光片的参比红外探测器的集成探测器。带通带中心波长为4.26μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器的集成探测器用于检测CO₂气体；带通带中心波长为1.515μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器的集成探测器用于检测NH3气体；带通带中心波长为1.49μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器的集成探测器用于检测水蒸气（H₂O）；带通带中心波长为7.61μm滤光片的测量红外探测器和带相应特定波长滤光片的参比红外探测器的集成探测器用于检测H₂S气体。阵列式红外线气体传感器可以装配各种红外探测器，通过红外吸收原理，能精确探测CO₂、CH₄、NH₃、H₂O等气体的浓度。

发酵尾气检测分析仪为发酵代谢调控提供了强大的数据支持，为发酵品质检测及代谢调控提供了一种快速、经济、准确且利于实时应用的检测方法。因此选择发酵尾气作为研究对象具有实用意义，对发酵行业控制技术的发展更具深远价值。