本实用新型涉及一种基于二氧化碳浓度在线监测的生物发酵罐系统，属于气体浓度在线监测技术领域。
背景技术：
二氧化碳的浓度监测对于生物发酵过程具有重要意义。CO2是微生物的代谢产物，同时也是某些产物合成的基质。发酵液中溶解的CO2对微生物生长和合成产物有刺激或抑制作用，从而对产物产量产生有利或不利影响。对CO2较敏感的发酵工艺过程需要监测和控制CO2。CO2的来源有两种：1、微生物的代谢产物；2、通过通气和补料等手段，促使外部CO2溶解在发酵液中。
CO2对生物发酵的影响和控制主要体现在：1、对微生物生长的影响：CO2对菌体的生长既有刺激作用又有抑制作用。例如环状芽孢杆菌等已经发芽的孢子在开始生长的时候，对CO2有特殊需要。再例如对于大肠杆菌和链霉菌突变株的生长因子，菌体有时需要含30％CO2的气体才能生长。但是对于大多数的微生物发酵过程更多地表现为一种抑制作用，特别地当排气中CO2的含量>4％时，大部分微生物的糖代谢和呼吸速率会下降。2、对产物合成的影响：例如牛链球菌发酵生产多糖，最重要的发酵条件是提供的空气中要含有5％的CO2；精氨酸发酵，需要一定量的CO2，才能得到最大产量，其最适CO2分压为0.12×105Pa，高于或低于此分压，产量都会降低。3、对细胞的作用：更多的表现为一种生长抑制作用，足够浓度的CO2促使细胞体处于“麻醉”或“休眠”状态。4、发酵过程CO2浓度的控制：通过对发酵罐体内通风量、液位高度、气压、温度、pH值等诸多物理化学条件的在线监测，能够计算出不同阶段发酵罐内部CO2浓度值的变化，从而实现控制整个发酵过程。目前现有的生物发酵过程中，尚无对CO2浓度变化实施有效在线监测，因此无法对发酵过程中的CO2进行精确控制。
技术实现要素：
针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种能够对某些特定发酵过程进行精确控制的基于二氧化碳浓度在线监测的生物发酵罐系统。
为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：一种基于二氧化碳浓度在线监测的生物发酵罐系统，其特征在于，该生物发酵罐系统包括发酵罐体、一体化预处理装置、红外线气体分析仪器和电气控制装置；所述发酵罐体通过进气管路连接外部无菌空气，所述外部无菌空气与所述发酵罐体之间的进气管路上依次设置有流量计和进气电磁阀；所述发酵罐体通过出气电磁阀连接出气管路的进口端，所述出气管路的出口端通过流量计连接所述一体化预处理装置的进气端，所述一体化预处理装置用于对所述出气管路输出的样气进行预处理；所述一体化预处理装置的出气端连接所述红外线气体分析仪器，所述红外线气体分析仪器用于实时探测所述发酵罐体内CO2的浓度值；所述电气控制装置电连接所述进气电磁阀、出气电磁阀和一体化预处理装置，并对所述发酵罐体内CO2的浓度值进行存储和显示。
进一步地，所述一体化预处理装置包括抽气泵、汽水分离模块、冷却模块、除湿模块、除尘模块和出口流量计；所述出气管路出口端经所述抽气泵依次连接所述汽水分离模块、冷却模块、除湿模块和除尘模块，所述除尘模块通过所述出口流量计连接所述红外线气体分析仪器。
进一步地，所述红外线气体分析仪器包括多次反射气室、红外光源、切光器、气体相关轮、滤光片和红外探测器；所述多次反射气室采用封闭透光箱体，所述封闭透光箱体顶部开设有气体入口和气体出口，所述封闭透光箱体的内壁两端相对设置一反射镜，经所述出口流量计输出的样气经所述气体入口进入到所述多次反射气室内，所述红外光源发出的红外光信号分别经所述切光器、气体相关轮和滤光片发射到所述多次反射气室内，经所述多次反射气室出射的光信号经所述红外探测器探测得到所述发酵罐体内CO2的浓度值。
进一步地，所述发酵罐体内还设置有压力传感器、温度传感器和pH传感器，用于实时监测所述发酵罐体内的压力、温度和pH值。
进一步地，所述电气控制装置包括采集装置、显示装置、存储装置和控制装置，所述采集装置用于采集所述压力传感器、温度传感器和pH传感器的数据以及所述红外线气体分析仪器探测得到的所述发酵罐体内CO2浓度数据，并发送到所述显示装置和存储装置，所述显示装置用于显示各个传感器数值以及CO2浓度值，所述存储装置用于进行数据存储，所述控制装置用于电连接所述进气电磁阀、出气电磁阀、汽水分离模块、冷却模块、除湿模块和除尘模块，控制各个器件的工作状态。
本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型通过对发酵罐体内CO2、O2双组分气体浓度实时分析、记录、比较、显示，能够准确地计算和判断出罐体内微生物发酵程度，尤其是那些对CO2浓度变化敏感的微生物。2、本实用新型的自动化程度高，发酵过程物理化学等条件参数的修改和时间的设定非常方便，可应用于不同的发酵工艺过程。3、本实用新型设置有一体化预处理装置，因此能够减少高温高湿粉尘等恶劣工作条件对样气分析过程的干扰，使得分析结果更加精确。本实用新型应用于饲料生产、生物制药、畜牧业等相关行业。
附图说明
图1是本实用新型的生物发酵罐系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本实用新型进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本实用新型，它们不应该理解成对本实用新型的限制。
如图1所示，本实用新型提供的基于二氧化碳浓度在线监测的生物发酵罐系统，包括发酵罐体1、一体化预处理装置2、红外线气体分析仪器3和电气控制装置4。
发酵罐体1通过进气管路连接外部无菌空气，且外部无菌空气与发酵罐体1之间的进气管路上依次设置有流量计5和进气电磁阀6。
发酵罐体1通过出气电磁阀7连接出气管路(包含有O2和CO2)的进口端，出气管路的出口端通过流量计8连接一体化预处理装置2，一体化预处理装置2用于对出气管路输出的样气进行预处理后发送到红外线气体分析仪器3进行在线分析得到CO2的浓度值，电气控制装置4用于连接各用电器件和红外线气体分析仪器3，控制各用电器件的工作并对CO2的浓度值进行存储和显示。
在一个优选的实施例中，一体化预处理装置2可以采用现有装置，包括抽气泵、汽水分离模块、冷却模块、除湿模块、除尘模块和出口流量计；出气管路的样气经抽气泵抽送到汽水分离模块，汽水分离模块将样气中的大部分游离水分去除掉，并依次经冷却模块、除湿模块和除尘模块进一步脱水和除尘，一部分样气排空，另一部分样气通过出口流量计发送到红外线气体分析仪器3，另外，冷却模块还设置有液位报警装置，当冷凝水槽里的水容量达到设定液位时，即发生报警。
在一个优选的实施例中，红外线气体分析仪器3可以采用现有仪器，包括多次反射气室、红外光源、切光器、气体相关轮、滤光片和红外探测器，多次反射气室可以采用封闭透光箱体，封闭透光箱体顶部开设有气体入口和气体出口，封闭透光箱体内壁两端相对设置一反射镜，经一体化预处理装置2的出口流量计输出的样气经气体入口进入到多次反射气室内，红外光源发出的红外光信号分别经切光器、气体相关轮和滤光片发射到多次反射气室内，经多次反射气室出射的光信号经红外探测器探测得到发酵罐体内CO2的浓度值。
在一个优选的实施例中，发酵罐体1内还设置有压力传感器P、温度传感器T和pH传感器，用于实时监测发酵罐体1内的压力、温度和pH值。
在一个优选的实施例中，电气控制装置4包括采集装置、显示装置、存储装置和控制装置，采集装置用于采集压力传感器、温度传感器和pH传感器的数据以及红外线气体分析仪器3输出的CO2浓度信号，并分别发送到显示装置和存储装置，显示装置用于显示各个传感器数值以及CO2和O2的浓度数据，存储装置用于按小时/日/月进行各个传感器数值以及CO2和O2的浓度数据的存储，存储的数据还可以通过USB连接外部存储设备进行存储，控制装置用于电连接进气电磁阀、出气电磁阀、汽水分离模块、冷却模块、除湿模块、除尘模块等用电器件的工作状态。
下面具体说明本实用新型的基于二氧化碳浓度在线监测的生物发酵罐系统的使用过程：
发酵罐体1内的发酵液在发酵过程中通过出气管路将发酵罐体内的气体作为样气发送到一体化预处理装置2，一体化预处理装置2对样气进行水分去除、冷却、除湿和除尘处理后发送到红外线气体分析仪器3，红外线气体分析仪器3通过检测获知发酵罐体1内CO2浓度值，电气控制装置4根据获知的发酵罐体1内CO2浓度值控制进气电磁阀的开启或关闭，使得外部无菌空气进入或停止进入到发酵罐体1内，本实用新型能够准确地计算和判断出发酵罐体1内微生物发酵程度，尤其是那些对CO2浓度变化敏感的微生物，实现对发酵过程CO2浓度值的精确控制。
上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。