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与流程

本发明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。

背景技术：

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半导体敏感材料的检测技术，半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体电阻值的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。半导体气敏传感器属于广谱型传感器，与其它类型的传感器相比，它们更易于受到干扰气体的影响，一种半导体气敏传感器检测一种特定的气体，并且半导体气敏传感器对醇类气体的检测灵敏度较低、稳定性差。半导体气敏传感器的检测灵敏度低、稳定性差，不能满足检测发酵罐中醇类浓度的定量检测要求。而电化学气体传感器是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，电化学气体传感器主要利用两个电极之间的电位差，一个在气体中测量气体浓度，一个是固定的参比电极。本发明中电化学式传感器采用电流型电化学式传感器。电流型采用极限电流原理，利用气体通过薄层透气膜或毛细孔扩散作为限流措施，获得稳定的传质条件，产生正比于气体浓度或分压的极限扩散电流。采用电化学气体传感器，能过通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体，属于精密型传感器，具有很好测量针对性，对于醇类气体的检测，其稳定性更好，相对半导体气敏传感器在灵敏度方面效果更好。电化学气体传感器反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测。依据电化学传感器在线检测发酵生产中的醇类气体浓度，为实现生物发酵的在线优化控制提供了可能。

对于生物发酵过程，合适的生物发酵补料策略具有较高的发酵生产效率。目前的补料工艺通常依据经验策略以及离线采样数据进行发酵补料，依据经验策略进行补料不能有效避免发酵过程中的异常状况的发生，会产生营养过剩以及营养不足的异常情况，从而影响发酵产物的产量和质量，离线采样得到的数据具有滞后性，合适的补料工艺能够有效地控制微生物的中间代谢，使之向着有利于产物积累的方向发展，所以及时且有效的发酵反馈补料是发酵过程良好进行的关键。早期的补料方式完全是凭经验策略和离线采样数据进行的，即发酵到一定时间，结合离线采样数据经验性的添加一定量的营养物质，这种补料方式简单易行，但往往无法有效控制发酵。目前的离线补料控制方式主要有三种：指数补料、恒速补料、变速补料。指数补料方式是指营养物的流加速率呈指数增加，菌体总量可在恒定的比生长速率下呈指数增加，该法简便易行，前提是需要对发酵的具体过程有充分的了解，以确定合适的补料参数。恒速补料方式是指在发酵过程中，以预先设定的恒定速率不加限制性营养物，培养过程中菌体的比生长速率逐渐下降，菌体总量呈线性增加，恒速补料方式一定程度上满足了菌体对养料的需要，但是恒速补料目的性较差，无法控制菌体的比生长速率。变速补料是指在培养过程中，营养物质的补加速率以阶段性或线性等方式不断加快或减慢。变速补料可以在菌体浓度较高的情况下加入更多营养物来促进细胞的生长，实现细胞比生长速率不断增加，有利于产物的形成，但是变速补料速率需根据细胞生长情况不断调节补料速率，操作灵活性差。在实际发酵过程常中会与预设过程有偏差，如果能及时地纠正偏差，就可使反应朝预定方向进行，否则将很难达到预期的目标。反馈控制补料就是在发酵过程中对反应器内的营养物浓度、产物浓度等参数进行在线检测和控制，根据控制对象进行发酵过程的补料。目前的微生物发酵反馈控制补料方法大多采用基于ph或者溶氧的反馈控制方法来实现发酵过程的反馈控制补料。在ph值反馈控制赖氨酸补料发酵中的碳氮源补加方法中，利用ph值变化与营养利用的偶联关系，采用ph值反馈控制补糖将发酵液中的葡萄糖浓度控制在一定范围内。在发酵过程中基质代谢、产物形成、菌体自溶都会引起ph值发生变化，所以微生物发酵的营养期和分化期ph值会有所不同，培养温度提高或降低，最适ph值范围有可能随着变动，也会影响微生物的各种酶活力。基于溶氧的反馈控制方法是根据培养过程中葡萄糖浓度降低到一定程度时，菌体代谢强度下降，消耗氧能力降低，反映为培养基中溶解氧浓度急剧上升，因此可在溶氧上升时反馈流加葡萄糖。虽然这类方法能很好地控制发酵罐中的营养物质不过量，但是其使得发酵罐中的营养物质长期处于一种匮乏状态，所以这类反馈控制流加方式是以牺牲微生物的生长速率来控制代谢副产物的积累。而在发酵过程中某些代谢产物浓度的变化趋势能够反映发酵过程，而且不会产生对发酵过程的干扰，所以可以针对发酵代谢产物进行发酵过程的反馈控制补料，在一类发酵过程中伴随着醇类气体代谢产物，而醇类代谢产物的浓度在一定程度上间接反映了发酵过程中的菌体浓度，因此醇类气体浓度趋势反映了微生物发酵过程菌体生产的趋势，通过控制醇类代谢产物浓度达到发酵过程的反馈控制补料，使醇类浓度以梯度递减形式实现发酵过程中的反馈控制补料，有效且及时的进行补料控制工作，从而保证微生物发酵过程中菌体浓度的稳定，提高微生物发酵产物的质量和产量，克服了现有阶段依据离线采样分析获取数据进行补料控制的劣势。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有微生物发酵过程中关键生物量浓度数据的检测存在较大滞后以及现有补料控制方法成本高的缺点，不能及时的进行发发酵过程的检测和有效的补料控制，提出一种基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。

该发明涉及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，包括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、一种基于醇类浓度在线检测的发酵过程反馈控制补料方法两部分。

基于离线采样的检测策略存在局限性，不能及时的反映发酵状况，而发酵过程中醇类代谢产物能够反映发酵过程中的菌体浓度，提出一种基于电化学气体传感器的醇类气体浓度在线检测的方法，通过检测发酵罐中挥发的醇类气体间接反映微生物发酵过程中的菌体浓度，电化学气体传感器利用电压值和醇类气体浓度的线性对应，以电压值反映醇类气体浓度值，依据醇类气体的在线检测结果，进行发酵过程的反馈控制补料。

基于传统的经验策略和离线采样检测策略，不能及时的进行发酵的补料控制，依据经验和离线采样得到的数据具有滞后性，本发明针对发酵的补料控制，从而提出一种基于醇类浓度在线检测的反馈控制算法，实现发酵过程的在线优化调控。

鉴于经验策略和传统的离线补料策略存在较大的滞后，所以根据微生物发酵代谢产物醇类气体浓度能够间接反映发酵状况，提出基于醇类气体浓度在线检测的反馈控制补料方法及装置，如图1为装置示意图，通过提取发酵罐上层挥发的醇类气体和外界环境的经干燥器干燥的空气，采用浮子流量计控制发酵罐上层挥发的醇类气体和外界环境的经干燥器干燥的空气两者之间的比例，在气室进行充分混合，使用采样泵抽取气室混合气体，保证气流稳定流经传感器，传感器输出电流经过电流电压转换模块，得到模拟输出电压值，再经信号调理和数据采集板采集数据，对气体浓度进行标定处理后进入反馈控制器，在反馈控制器中进行反馈控制补料，输出电压信号，进而控制蠕动泵的转动，向发酵罐中补料。

为实现上述目的，本发明包括如下内容：

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，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。

一种基于醇类气体浓度的在线检测的发酵过程的反馈控制方法，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。

(1)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。

(2)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等相互抵消，以提高电路的测量精度和灵敏度。

(3)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通道数据的形式实时发送到反馈控制器，反馈控制器对接收的通道数据进行处理分析，根据上述的线性标定方法实现电压信号值与醇类气体浓度的切换显示，并实时显示到反馈控制器。因为采用的电化学气体传感器在线性度方面呈现线性的关系，所以对其进行线性标定，在标定算法选取方面，为了减少采样值带来的对应物理量的误差，提高检测精度，采用线性标定的方法，标定对象为发酵过程中代谢的醇类气体，由于在微生物发酵过程中，醇类气体浓度呈现指数形式增加，传感器线性度很好，所以进行线性拟合，使醇类气体曲线近似线性，确切和充分地体现出固有规律。

(4)根据实时采集的醇类气体浓度，设计反馈补料控制方法。采用的反馈控制方法是当醇类浓度变化到峰值后，依据传感器检测的醇类气体浓度峰值与醇类气体浓度控制下限的差值，进行反馈控制阶段梯度划分。

下面结合附图2进行说明，根据实时检测的醇类气体浓度，确定醇类气体浓度的峰值，并做滤波处理，减小因数据波动所引起的测量误差，得到滤波峰值。设定醇类浓度数据单次采集时间间隔h(s)，每次对n个数据进行均值滤波处理，前一次和后一次的均值处理中，进行交叉取值，即后一次取前一次2n/3个数据，再取n/3个实时单次采集的数据进行均值处理，求得滤波均值m(t)，每求得一次滤波后均值都与前一次的滤波后均值进行比较，当m(t-1)<m(t)，继续进行峰值检测，当m(t-1)>m(t)，得滤波后峰值m(t-1)，即mf。根据得到的醇类气体浓度峰值mf，进行发酵过程的反馈控制补料。醇类浓度逐步控制下降对微生物发酵效果更好，依据滤波峰值mf进行微生物发酵梯度阶段控制，由于发酵过程反应缓慢，为了使发酵过程充分进行，线性的划分发酵控制阶段和控制阶段所对应的发酵阶段控制线，发酵阶段控制线与滤波峰值关系为

s＝(mf－((mf－c)/n)*(i+1))(1)

其中s为每个发酵阶段控制线，mf为滤波峰值，n为发酵控制阶段数，c为醇类气体浓度控制下线，i(0～n－1)为发酵控制的阶段序号，i取0～n－1；

完成发酵控制的阶段划分之后，进行微生物发酵周期的反馈补料控制，设定每个发酵阶段的控制时间f(h)，在每个发酵阶段进行定时的反馈控制补料，为减小扰动，定时对多次采集的单次数据即批次数据进行中值滤波，得到实时的滤波值ma，将实时的滤波值ma与当前发酵阶段控制线进行比较，当实时的滤波值ma高于或等于发酵阶段控制线，蠕动泵停止转动，不进行补料，当实时的滤波值ma低于发酵阶段控制线，蠕动泵转动时间t(s)，进而完成发酵的反馈补料。

因为当发酵罐中的醇类气体浓度达到峰值时，菌体代谢速度最快，产物大量积累，而依据检测的醇类浓度峰值，进行梯度控制发酵罐中醇类气体浓度，可以使发酵罐中的醇类气体浓度缓慢下降，有利于发酵罐中微生物发酵充分利用营养物质，提高发酵效率。由于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，前期微生物发酵过程中菌体呈指数形式增长，醇类代谢产物浓度稳定上升，发酵阶段进入平稳期，醇类代谢产物浓度达到峰值，然后，开始逐渐进入衰亡期，由于前期微生物发酵大量消耗营养物质，在营养物质浓度比较低的情况下，为保证发酵罐中菌体浓度的稳定增长，逐个阶段进行反馈控制补料，使得菌体正常生长并提高产物得率。

本发明的优点：本发明所述装置及方法是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，采用电化学传感器进行发酵过程代谢产物浓度的在线检测，其检测的速度比较快、灵敏度高、方便、成本比较低，克服了传统离线采样分析带来的滞后性。依据电化学传感器的在线检测方法进行发酵生产的反馈补料控制，具有控制准确和操作重复性好等优点，能够及时的进行发酵生产的补料控制工作，使发酵过程处于一个良好的进程，克服依据经验进行发酵过程补料的弊端，从而使微生物发酵生产高效率的进行，促进发酵过程优化补料控制的工程化应用水平。

附图说明

图1是本发明所述一种基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程补料控制装置示意图；

图2是本发明所述发酵过程的补料控制方法；

图3是电化学气体传感器的线性标定；

图4是发酵过程中采用电化学气体传感器检测的乙醇气体浓度；

图5是离线采样分析得到的菌体浓度；

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施案例对本发明做进一步的详述。

本实施方式中，本发明揭示的是一种基于甲醇浓度在线检测的发酵过程补料控制装置和方法，如图2所示，为本发明所述中基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程补料控制装置示意图。所述的基于甲醇浓度在线检测的发酵过程补料控制装置包括采样泵a、采样泵b、流量计l1、流量计l2、气室(稀释)、电化学传感器、数据采集板、干燥器、空气泵、蠕动泵、发酵罐、反馈控制器。

以下结合对本发明的优选实施案例进行说明，此处说明，此实施案例仅用于解释和说明本发明，并不仅限于本实施例。

具体的，基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程补料控制的方法，为了实现发酵过程中产量和质量的提升，将该方法用在谷胱甘肽类发酵过程测控中，采用的电化学传感器型号4eto-500、量程为0～500ppm、灵敏度为0.058±0.033μa/ppm，偏置电压0.3v，线性度方面呈现线性，流加补充的葡萄糖浓度为100g/l。

在谷胱甘肽类发酵过程测控中，使发酵罐上层挥发的乙醇气体经浮子流量计l1流入气室，再使用空气泵抽取经干燥器干燥过的空气，同样流入气室，调节浮子流量计l1、l2，控制空气与乙醇气体比例为10:1，使二者充分混合。使用采样泵a抽取混合气体流入电化学气体传感器，进行化学反应，得到模拟量电流输出值。经电压电流转换模块，转换为可观测的模拟量电压输出值，电压电流比为25mv/μa。使用采样泵b抽取从电化学气体传感器流出的混合气体，保持气流稳定，从而保证检测精度，减小误差。

电化学气体传感器的线性度很好，采用五点标定法，配置不同浓度的标准乙醇溶液，将装有标准乙醇溶液的容器放置于磁力搅拌器上，保证与发酵过程中温度和搅拌效果基本一致，减少外界因素的干扰，根据传感器检测结果进行最小二乘拟合，最小二乘的线性回归分析如图3，得到传感器模拟输出电压x与检测的发酵液乙醇体积百分比y之间的最小二乘拟合公式为

y＝0.2238x-0.0803(2)

建立x-y的坐标系，其中x轴是传感器模拟量输出电压，y轴为发酵液乙醇体积百分比，相关系数r²为0.984，说明回归直线对观测值的拟合程度很好，乙醇体积百分比为0％时，输出电压大约0.331v；乙醇体积百分比为0.50％时，输出电压大约为2.491v。

表1五点标定数据

使用电化学气体传感器进行乙醇气体浓度的检测，得到输出电压的模拟量，再经信号调理和数据采集板实现乙醇气体浓度的数据采集，经由反馈控制器进行数据的处理，实时显示检测的乙醇气体浓度，并依据实时检测的乙醇气体浓度进行反馈控制补料。设定乙醇气体浓度数据单个采集时间间隔为5s，每次对18个数据进行均值滤波处理，前一次和后一次的均值处理中，进行交叉取值，即后一次取前一次12个数据，再取6个实时单次采集的数据进行均值处理，求得滤波均值，每求得一次滤波后均值都与前一次的滤波后均值进行比较，得到滤波峰值mf为1.967v。依据滤波峰值进行梯度反馈控制补料，分为20个阶段，发酵罐乙醇气体浓度控制下限c为0.8v，每个阶段控制线依次为：1.909v、1.851v、1.793v、1.735v、1.677v、1.619v、1.560v、1.503v、1.442v、1.384v、1.326v、1.268v、1.210v、1.152v、1.094v、1.036v、0.978v、0.90v、0.862v、0.801v；每个阶段控制时间f为1个小时，为每个发酵阶段保证充裕的时间，使发酵过程中发酵液中的菌体浓度保持在正常的状态，完成阶段控制划分之后，实时采集乙醇浓度数据并做滤波处理，得到滤波均值ma，与阶段控制线做比较，当低于阶段控制线时，反馈控制蠕动泵补料时间t为3s，当高于阶段控制线时，不进行补料，从而实现发酵过程的补料工作。

采用基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程补料控制的方法，如图4是发酵过程中采用电化学气体传感器检测的乙醇气体浓度，如图5是离线采样分析得到的菌体浓度。从图4可以看出，前4个小时发酵罐内的乙醇气体浓度变化不大，说明发酵过程处于调整期，微生物对新的培养环境的适应阶段，几乎无产物积累。在之后的5～10小时内，乙醇气体浓度快速上升，说明发酵处于对数生长期，微生物适应新环境后，开始大量、快速繁殖，开始积累发酵产物。达到峰值之后出现一段平稳阶段，说明发酵过程处于平稳期。从以上数据可以看出基于醇类气体的在线检测方法能够很好体现微生物发酵趋势。

从图5可以看出，菌密度在5个小时之后才开始出现快速上升趋势，与图4中的乙醇气体浓度相对应，由于微生物发酵在对数生长期，大量繁殖，代谢产物大量积累。由图4、图5相对照，可以看出乙醇浓度趋势能够反映发酵过程中的菌密度增长趋势，在乙醇气体浓度达到峰值之后，对乙醇气体浓度的梯度控制，微生物发酵能够充分利用营养物质，很好的使菌密度得到稳定提高。

从发酵过程数据可以看出，采用基于醇类气体浓度在线检测的发酵过程补料控制装置和方法，在线检测的乙醇气体浓度数据符合理论发酵过程中发酵液中乙醇的浓度趋势，并且与离线检测所得到的菌体浓度趋势一致，而依据在线检测的乙醇气体浓度数据，进行的反馈控制补料结果，在菌体浓度上有很好的体现，并且对比采用离线采样分析进行补料的结果，发酵的效率和产物得率有很大提高。