一种高通量检测小样微生物发酵乙醇浓度装置的制作方法

本实用新型涉及科研实验过程检测领域，具体是一种高通量检测小样微生物发酵乙醇浓度装置。

背景技术：

生物燃料乙醇为代表的生物能源是国家战略性新兴产业。在当前形势下，扩大生物燃料乙醇生产和推广使用车用乙醇汽油具有重要的现实意义和战略意义。以科学有序推进生物燃料乙醇生产为背景，新型高效生产乙醇微生物的筛选，亟需研发一种能高通量检测小样乙醇浓度的装置。当前乙醇浓度高通量精确检测尚无报道，乙醇浓度检测主要通过滴定法、比色法、比重法和气相色谱法等，其缺点或是对环境不友好、或是效率低下、或是精准度差、或是样品量需求较多、或是设备昂贵成本较高等。在面对科研和生产中大量待测样品时，以上常用方法表现出各自弊端。现有乙醇浓度实时在线检测设备，一般通过半导体气敏传感器检测乙醇蒸汽浓度。例如，公告号为的中国cn204925008u的中国实用新型专利，公开了“一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置”，其通过从发酵罐中采集乙醇蒸汽，乙醇蒸汽与气敏传感器充分接触后，检测电路将乙醇蒸汽浓度转换为测量输出电压。此种检测方式存在缺陷，由于设备固化，无法快速检测大量小样样品；同时半导体气敏传感器检测的测量输出电压受湿度影响较大，输出电压信号有待校正。因此研制出具有高通量检测大量小样乙醇浓度的装置，以实现高效高精准检测大批量小样乙醇浓度，将对加速菌株筛选、提高乙醇产率、减轻操作难度、降低科研成本和推进科研进展等具有重要意义。

技术实现要素：

为了克服现有技术中乙醇浓度检测通量低、精准度低、操作繁琐、不能批量检测和成本高等问题，本实用新型提供了一种高通量检测小样微生物发酵乙醇浓度装置。

本实用新型提供的技术方案：一种高通量检测小样微生物发酵乙醇浓度装置，包括上样系统、进样系统和传感系统，所述上样系统包括步进电机控制器、步进电机驱动器、步进电机和上样盘，所述上样盘上设有多个上样孔，用于放置乙醇样品，进样系统包括进样管和微型气泵，所述进样管一端与乙醇样品接触，另一端连接到微型气泵的进口，微型气泵的出口连接出样管，出样管的另一端连接到传感系统，所述传感系统由传感器容器中的乙醇传感器、检测电路、湿度传感器和校正电路组成。

进一步的，所述步进电机控制器与电源连接，步进电机控制器的输出端与步进电机驱动器的输入端连接，步进电机驱动器的输出端与步进电机连接，步进电机的输出轴连接于上样盘的底部。

进一步的，所述上样盘为圆形托盘，所述上样孔绕上样盘的圆周方向上均匀分布设置，所述上样孔用于放置装有乙醇样品的离心管。

进一步的，所述乙醇传感器为tgs822型乙醇传感器，所述检测电路给乙醇传感器2端和5端提供加热电压，乙醇传感器4端/6端与负载电阻相连，检测电路给乙醇传感器1端/3端和负载电阻的另一端提供供电电压，通过负载电阻得到与乙醇浓度相关的输出检测电压。

进一步的，所述校正电路包括a/d转换模块和湿度采集器，所述湿度采集器用于采集湿度传感器的信号，所述a/d转换模块将采集的湿度模拟信号转换为数字信号，得到湿度信号对应的输出校正电压。

进一步的，所述检测电路和校正电路连接到处理装置，用于分析处理检测电压和校正电压，且发出控制指令，使用校正电压校正检测电压并进行电压与乙醇浓度函数代换，输出精准度较高的乙醇浓度值。

工作过程是：在上样孔中放入若干盛装有发酵液的离心管，通过控制器自动化监控步进电机带动上样盘将离心管依次贴合进样口，乙醇蒸气随微型气泵形成的气流依次经过进样口、进样管和出样管进入传感器容器，发酵液中的液相乙醇浓度转换为气相乙醇浓度。传感器容器为乙醇检测提供一个密闭的环境，乙醇气体进入传感器容器后分别于乙醇传感器和湿度传感器充分接触，通过检测电路和校正电路分别将乙醇浓度和湿度输出为检测电压和校正电压，使用校正电压校正检测电压并进行电压与乙醇浓度函数代换，输出精准度较高的乙醇浓度值。

本实用新型的有益效果是：能有效地实现对大批量小样乙醇浓度高精准度检测，减少工作时间，提高检测效率，通过检测电路和校正电路分别将乙醇浓度和湿度输出为检测电压和校正电压。经计算，逐一输出精准度较高的乙醇浓度值，使测定结果更加准确。本实用新型满足高精度、高效率、少操作、低成本和无污染筛选高产乙醇菌株的科研需求，对加速菌株筛选、提高乙醇产率、推进科研进展、减轻操作难度和降低科研成本等具有重要意义。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是tgs822型氧化硅半导体材料的乙醇传感器测量电路图；

图1中：1—步进电机控制器，2—步进电机驱动器，3—步进电机，4—上样盘，5—上样孔，6—进样管，6-1—进样口，7—微型气泵，8—出样管，9—乙醇传感器，10—检测电路，11—湿度传感器，12—校正电路。

图2中rs为乙醇传感器内部的敏感元件电阻，rh为乙醇传感器内部的加热电阻，rl为外接的负载电阻，vc为外接的供电电压即施加在乙醇传感器和负载电阻上的电压，vh为外接的加热电压即维持乙醇气体于特定温度施加在加热器上的电压，vrl为负载输出电压信号即输出检测电压，gnd为地线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明。

如图1所示的高通量检测小样微生物发酵乙醇浓度装置，包括上样系统、进样系统和传感系统，所述上样系统包括步进电机控制器1、步进电机驱动器2、步进电机3和上样盘4，所述上样盘4上设有多个上样孔5，用于放置乙醇样品，进样系统包括进样管6和微型气泵7，所述进样管6一端的进样口6-1与乙醇样品接触，另一端连接到微型气泵7的进口，微型气泵7的出口连接出样管8，出样管8的另一端连接到传感系统，所述传感系统由传感器容器中的乙醇传感器9、检测电路10、湿度传感器11和校正电路12组成。

所述步进电机控制器1与电源连接，步进电机控制器1的输出端与步进电机驱动器2的输入端连接，步进电机驱动器2的输出端与步进电机3连接，步进电机3的输出轴连接于上样盘4的底部。

所述上样盘4为圆形托盘，所述上样孔5绕上样盘4的圆周方向上均匀分布设置，所述上样孔5用于放置装有乙醇样品的离心管。

所述乙醇传感器9为tgs822型乙醇传感器，所述检测电路给乙醇传感器2端和5端提供加热电压，乙醇传感器4端/6端与负载电阻相连，检测电路给乙醇传感器1端/3端和负载电阻的另一端提供供电电压，通过负载电阻得到与乙醇浓度相关的输出检测电压。

所述校正电路包括a/d转换模块和湿度采集器，所述湿度采集器用于采集湿度传感器的信号，所述a/d转换模块将采集的湿度模拟信号转换为数字信号，得到湿度信号对应的输出校正电压。

所述检测电路和校正电路连接到处理装置，用于分析处理检测电压和校正电压并得到检测结果，且发出控制指令，使用校正电压校正检测电压并进行电压与乙醇浓度函数代换，输出精准度较高的乙醇浓度值。

上样系统中，微生物发酵乙醇的发酵液盛装在离心管中，将离心管逐一装载在上样孔中，样品随上样盘自动化有控制地转动逐一进样。步进电机控制器能够发出一种均匀的脉冲信号，这种信号进入步进电机驱动器后，会由驱动器转换成步进电机所需要的强电流信号，带动步进电机运转。控制器能够准确地控制步进电机，使其带动上样盘转过每一个角度，从而精准控制离心管与进样口的相对位置。

进样系统中，进样口贴合离心管，由于微型气泵的运转，进样口形成负压，流动的空气带动离心管内的乙醇蒸气，依次通过进样口、进样管和出样管，并最终注入传感器容器中。

传感系统中，乙醇蒸气分别与乙醇传感器和湿度传感器充分接触。气敏传感器采用氧化硅半导体为敏感元件，通过气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理产生电压信号变化，即传感器的电导率随空气中的气体浓度增加而增加。敏感元件电阻阻值随环境温度、湿度和乙醇浓度不同而显著变化，阻值变化范围在10³～10⁴ω之间，使用含有负载的电路即可快捷地将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出检测电压。其中，当乙醇气体浓度增加时，输出检测电压亦增加。为减小温度对乙醇传感器的影响，传感器内安装有加热电阻，使传感器内的温度恒定。为减小湿度对乙醇传感器的影响，传感器容器内安装有湿度传感器的检测电路，可通过输出校正电压实时反馈传感器容器内的湿度。根据湿度与传感器电阻比(rs/ro)(rs＝含300ppm乙醇、各湿度下的电阻值；ro＝300ppm乙醇、20℃65％r.h.下的电阻值)的函数关系，校正输出检测电压值，再对校正值进行电压与乙醇浓度函数代换，获得精准度较高的乙醇浓度值。

图2中加热电压vh给加热电阻rh供电，维持气敏传感器在最优检测状态下所需要的环境温度；电路供电电压vc给敏感传感器和负载电阻rl串联的电路加压，产生测量电压vrl，它与乙醇浓度成一定的非线性关系。加热电压vh和电路供电电压rh都必须满足传感器的电气特性要求。使用中可取vh＝5v，vc＝12v，rl＝10kω。测量输出电压vrl与敏感传感器电阻rs的关系为vrl＝vc*rl/(rs+rl)。

高通量检测小样微生物发酵乙醇浓度装置组成框图如图1所示。由于高通量检测小样乙醇浓度，需要将发酵液转移到合适的离心管中，或在合适的离心管中进行发酵实验。采用本装置检测大批量发酵液中乙醇浓度的最大优点是检测效率高且样品需求量小。

以上所述的仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本实用新型的保护范围之内。