CN104007054B - 一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置及方法，装置包括流通池和泵，所述泵的入口端用于与待检测发酵罐取样口相连，所述泵的出口端与所述流通池的入口相连，所述流通池的出口用于与待检测发酵罐相连；光源，所述光源发射光束的方向穿过所述流通池；光电检测器，所述光电检测器设在所述流通池的外侧，且与所述光源相配合；用于处理所述光电检测器检测得到的信号的处理装置，所述处理装置与所述光电检测器相连。本发明通过光电检测器检测流通池中发酵液的散射光及透射光,单片机根据菌体浓度与散射光与透射光的电压比值之间呈线性相关，计算出菌体浓度值，进而求得菌体的比生长速率。

Description

一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置及方法，属于生物发酵过程检测类制造技术领域。

背景技术

微生物发酵是微生物在合适的培养条件（培养基、温度、pH、通气速率、搅拌速率等）下进行长时间连续培养，在微生物的作用下将发酵底物转化为人们所需要的产品的过程。微生物发酵是生化反应工程和现代生物技术及其产业化的基础。为了提高发酵的产量、质量及生产率，必须考虑微生物发酵过程中的工艺，所以控制发酵过程中的主要技术参数是必不可少的。典型的生物技术参数主要有：菌体浓度、底物浓度、产物浓度、氧利用速率（OUR）、二氧化碳释放速率（CER）、比生长速率、底物消耗速率和产物生成速率等。利用各种传感器获取这些参数就能够根据这些参数值进行发酵过程的优化控制，从而实现发酵的高产。即便暂时不能控制某些参数，也希望对它们进行跟踪和监测，掌握微生物反应过程的规律。

在所有的生化反应的过程中，菌体浓度和比生长速率是一个极其重要的参数。在生物化工、制药工程、食品生产等工业生产过程中都要求对菌体浓度进行实时的在线测量，进而得出比生长速率。目前，能够在线直接获取且已完善的只有OUR和CER，其他各个参数，由于在线检测手段和技术的缺乏，只能每隔一定时间间隔分次取样进行离线分析。使用离线分析方法测量菌体浓度既费时又费力，而且增加了微生物发酵感染杂菌的风险。

因此，离线测量菌体浓度的方法应用在微生物发酵过程的在线监控中存在固有的不足，此外，离线分析测量菌体浓度和比生长速率获得的反馈信息相对滞后，不能及时地反映连续发酵过程中参数的变化，进而影响对发酵过程的实时反馈控制。

现有已报道的在线测量技术，如电容率分布法、折射率检测法，这些方法为菌体浓度的在线测量提供了理论基础，但是国内尚未见商业化的测量产品，而国外的产品都非常昂贵。

浊度是水的一种光学性质，其定义为:由于不溶性物质的存在而引起液体透明度降低的量度。在国际标准（ISO7027- 1984）中，透射法和散射法被确定为浊度仪设计的两种标准测量方法。透射法是用一束光穿过一定厚度的水样体，通过测量水样中悬浮颗粒物对入射光的吸收和散射所引起的透射光强度的衰减量来确定水样的浊度。散射法则是通过测量穿过水样的入射光束被水样悬浮颗粒物散射所产生的散射光强来确定水样浊度。

发明内容

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置及方法，以解决现有技术手段中菌体浓度在线测量的问题，从而提高发酵产量，降低生产成本。

为了上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，包括：流通池和泵，所述泵的入口端用于与待检测发酵罐取样口相连，所述泵的出口端与所述流通池的入口相连，所述流通池的出口用于与待检测发酵罐相连；光源，所述光源发射光束的方向穿过所述流通池；光电检测器，所述光电检测器设在所述流通池的外侧，且与所述光源相配合；用于处理所述光电检测器检测得到的信号的处理装置，所述处理装置与所述光电检测器相连。

微生物细胞大小为微米级，可以将微生物细胞看作细微的、分散的悬浮颗粒，当光经过发酵培养液时，悬浮在培养液中的微生物细胞将产生光的散射和吸收。虽然水的浊度与悬浮物质的数量没有直接的线性关系，但浊度的数值与悬浮颗粒的数量仍有相关性，因此可以用浊度值来评价发酵液中的菌体浓度。获得菌体浓度数据后即可计算出菌的比生长速率，从而为发酵的反馈控制提供快速而准确的参考。根据本发明的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置其通过光电检测器检测流通池中发酵液的浊度来计算出菌的比生长速度。其中处理装置用于将光电检测器检测到的信号放大、转化成数字信号，并计算出比生长速率，可以实时显示以及自动保存。

另外，根据本发明的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置还可以具有以下附加技术特征：

优选的，所述光源为激光模组，且激光模组发射光束的方向与流通池中心线在同一直线，激光模组的安装高度为流通池高度的1/3至2/3。所述流通池中心线为流通池两相对侧面中心点连线。

优选的，所述光电检测器为两个，其中一个检测器与所述光源的光轴在同一直线上，另一个检测器与所述光源的光轴呈90度夹角。两个光电检测器分别检测菌悬液散射光与透射光电压值，再通过菌体浓度与电压比值之间呈线性相关求出菌体浓度。

优选的，所述光电检测器为硅光电池，且硅光电池均安装于装有滤光片的遮光筒中。

优选的，所述处理装置包括集成运算放大器，所述集成运算放大器与模数转换模块相连，所述模数转换模块与单片机相连，所述单片机与PC终端相连，所述单片机与所述光源相连。所述集成运算放大电路功能是将检测器微弱的电流信号转换成电压信号并放大。所述开关电源为集成运算放大电路提供稳定的工作电压及为散热风扇提供电源；所述单片机为所述光源和所述模数转换模块提供稳定的工作电压。

优选的，所述单片机为Arduino单片机。

优选的，所述PC终端装有数据绘图分析软件；所述数据绘图分析软件用于数据存储与数据的实时图形显示；所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标为经电压转换成的菌体浓度值。

优选的，还包括开关电源、散热风扇，所述开关电源与所述集成运算放大电路和散热风扇相连，所述光源、流通池、光电检测器、集成运算放大电路、模数转换模块、单片机、开关电源和散热风扇安装在接线盒中。

优选的，所述泵为蠕动泵。

本发明还提供一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测的方法，包括以下步骤：

（1）将流通池的入口与蠕动泵的出口端相连，蠕动泵的入口端与待检测发酵罐的取样口相连，流通池的出口端与发酵罐相连，开启蠕动泵；

（2）激光模组发射的光线通过流通池，外侧的光电检测器分别将透射光与散射光转换成电流信号经电路转换和放大后发送给单片机，Arduino单片机根据预设定的菌体浓度检测拟合函数进行转换，计算出菌体浓度值；所述似合函数即根据菌体浓度与散射光与透射光的电压比值之间呈线性相关得到。

（3）单片机将菌体浓度数据传递至PC终端，PC终端通过数据绘图分析软件，实时显示经计算得出的菌体浓度值，并将菌体浓度值绘制成实时图形，所述实时图形均以时间为横坐标，菌体浓度值为纵坐标；且该数据绘图分析软件可自动保存所有接收的数据。

本发明的设计思路基于微生物发酵过程中可以将菌体看作是悬浮于培养液中的细微的、分散的悬浮颗粒，当光经过发酵培养液时，悬浮在培养液中的微生物细胞将产生光的散射和吸收。虽然水的浊度与悬浮物质的数量没有直接的线性关系，但浊度的数值与悬浮颗粒的数量仍有相关性，可以根据浊度值表征发酵液中的菌体浓度。本发明采用灵明度高、波长响应范围为600-700nm的硅光电池作为光电检测器，利用集成运算放大电路对硅光电池的微弱电流信号进行放大，放大后的信号经模数转换模块转换成数字信号发送至Arduino单片机，Arduino单片机根据预设定的菌体浓度检测拟合函数进行转换、计算出菌体浓度值及比生长速率后传递至PC终端数据绘图分析软件，实时显示菌体浓度值和比生长速率。且该数据绘图分析软件可自动保存所有接收的数据。

本发明的有益效果如下：

1、装置采用模块化设计，组装简便，可操作性强，可以很方便地与其它大型发酵检测系统相结合。

2、装置结构紧凑，体积小，整体功耗低，节能。

3、光源采用具有单色性好、方向性强、亮度高、良好的相干性等优点的激光模组，低功率、单片机自带稳压电路提供工作电压保证了激光光源的稳定性及长时间在线正常工作。

4、在硅光电池外加装带有滤光片的遮光筒，最大限度地消除了背景光、杂散光对检测的影响，提高了检测的准确性。

5、维护简单，可以长时间在线连续运行。

6、装置整体造价低，易于批量生产，为发酵行业提供了一种实用简便的在线监测菌体浓度的设备，不仅适用于实验室小型发酵实验，也适用于工业发酵生产。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的数据采集电路原理图。

图2为本发明的结构示意图；

图3为电压比值与菌体浓度（mg/ml）曲线。

附图标记说明：

1.光源，2.流通池，3.光电检测器，4.集成运算放大电路，5.Arduino单片机，6.模数转换模块，7.PC终端，8.接线盒，9.开关电源，10. 散热风扇。

具体实施方式

下面结合附图对生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置作进一步说明。

如图1、2所示，装置包括光源1、流通池2、蠕动泵、光电检测器3、集成运算放大电路4、模数转换模块6、单片机、开关电源9和散热风扇10。以上光源1等器件均按照设计图纸安装于铝合金接线盒8中。光源1安装于流通池2左侧，安装高度为流通池2高度1/3至2/3。流通池2外侧距离流通池2右侧面和上侧面5mm处装有两个光电检测器3，其中一个检测器与光源1发射光在同一水平直线上，另一个检测器与光源1发射光水平线呈90度夹角，两个光电检测器3分别检测菌悬液散射光与透射光电压值，再通过菌体浓度与电压比值之间呈线性相关求出菌体浓度。流通池2设有进样口及出样口，将流通池2的入口与蠕动泵的出口端相连，蠕动泵的入口端用于与待检测发酵罐的取样口相连，流通池2的出口端与发酵罐相连，开启蠕动泵。两个光电检测器3均为硅光电池，硅光电池的感光面中心点高度均与光源1中心点高度一致。两个光电检测器3通过信号屏蔽线与集成运算放大电路4相连；集成运算放大电路4与模数转换模块6相连。开关电源9为集成运算放大电路4提供稳定的工作电压及为散热风扇10提供电源；模数转换模块6与Arduino单片机5连接；Arduino单片机5与PC终端7通过数据线连接。Arduino单片机5为光源1和模数转换模块6提供稳定的工作电压。

数据采集系统包括光电检测器3、集成运算放大电路4、模数转换模块6、Arduino单片机5；硅光电池的电流信号传递至集成运算放大电路4，经过转换与放大后传递至模数转换模块6，模数转换模块6通过信号屏蔽线连接至单片机，数据经Arduino单片机5处理后通过数据线发送到PC终端7，PC终端7的数据绘图分析软件实时显示从Arduino单片机5传送来的数据。

PC终端7安装有数据绘图分析软件；所述数据绘图分析软件用于数据存储与数据的实时图形显示；所述实时图形以时间为横坐标，纵坐标为菌体浓度值。

上述装置的生物发酵过程中菌体浓度在线检测的方法，包括以下步骤：

（1）将流通池2入口与蠕动泵出口端相连，蠕动泵入口端与发酵罐取样口相连，流通池2出口端与发酵罐相连，开启蠕动泵；

（2）激光模组发射的光线通过流通池2，外侧的硅光电池分别将透射光与散射光转换成电流信号经电路转换和放大后发送给Arduino单片机5，Arduino单片机5根据预设定的菌体浓度检测拟合函数进行转换，计算出菌体浓度值；

（3）Arduino单片机5将菌体浓度数据传递至PC终端7，PC终端7通过数据绘图分析软件，实时显示经计算得出的菌体浓度值，并将菌体浓度值绘制成实时图形，所述实时图形均以时间为横坐标，菌体浓度值为纵坐标；且该数据绘图分析软件可自动保存所有接收的数据。

实验例

实验室实测装置测量菌体浓度，具体实施过程及结果如下；

实施过程：

取发酵35h酿酒酵母培养液，用蒸馏水以2倍、3倍、5倍、8倍、10倍稀释倍数稀释成菌悬液，用本装置分别测定各稀释倍数下菌悬液散射光与透射光电压值，同时测定各稀释倍数下菌体浓度（mg/ml），以菌体浓度为横坐标，散射光与透射光电压比值为纵坐标作图。结果见图3。

由图3可知，菌体浓度与电压比值之间呈线性相关，可以用电压比值表征菌体浓度，从而可以说明本装置能够反映菌体浓度变化。

本发明结构设计科学合理，实用性强，性能稳定、可靠，不仅可以针对生物发酵过程中菌体的浓度进行在线检测，同时也可以用于对水浊度的检测。增加了本发明的适用范围。本发明提供的一种菌体浓度在线检测方法，采用多次采集经集成运算放大电路与模数转换模块转换的电压值并对电压值采用卡尔曼滤波方式进行数字滤波，消除了光源不稳定和电路本身噪音引起的检测误差，进一步保证了菌体浓度检测的准确性。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所做的均等同变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，包括：

流通池和泵，所述泵的入口端用于与待检测发酵罐取样口相连，所述泵的出口端与所述流通池的入口相连，所述流通池的出口用于与待检测发酵罐相连；

光源，所述光源发射光束的方向穿过所述流通池；

光电检测器，所述光电检测器设在所述流通池的外侧，且与所述光源相配合；

用于处理所述光电检测器检测得到的信号的处理装置，所述处理装置与所述光电检测器相连。

2.根据权利要求1所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述光源为激光模组，且激光模组发射光束的方向与流通池中心线在同一直线，激光模组的安装高度为流通池高度的1/3至2/3。

3.根据权利要求1所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述光电检测器为两个，其中一个检测器与所述光源的光轴在同一直线上，另一个检测器与所述光源的光轴呈90度夹角。

4.根据权利要求1－3任一项所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述光电检测器为硅光电池，且硅光电池均安装于装有滤光片的遮光筒中。

5.根据权利要求1所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述处理装置包括集成运算放大器，所述集成运算放大器与模数转换模块相连，所述模数转换模块与单片机相连，所述单片机与PC终端相连。

6.根据权利要求5所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述单片机为Arduino单片机。

7.根据权利要求5所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，还包括开关电源、散热风扇，所述开关电源与所述集成运算放大器和散热风扇相连，所述光源、流通池、光电检测器、集成运算放大器、模数转换模块、单片机、开关电源和散热风扇安装在接线盒中。

8.根据权利要求5所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述PC终端装有数据绘图分析软件；所述数据绘图分析软件用于数据存储与数据的实时图形显示；所述实时图形均以时间为横坐标，纵坐标为菌体浓度值。

9.根据权利要求1所述的生物发酵过程中菌体浓度在线检测装置，其特征在于，所述泵为蠕动泵。

10.一种生物发酵过程中菌体浓度在线检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将流通池的入口与蠕动泵的出口端相连，蠕动泵的入口端与待检测发酵罐的取样口相连，流通池的出口端与发酵罐相连，开启蠕动泵；

（2）激光模组发射的光线通过流通池，外侧的光电检测器分别将透射光与散射光转换成电流信号经电路转换和放大后发送给单片机，单片机根据菌体浓度与散射光与透射光的电压比值之间呈线性相关，计算出菌体浓度值；

（3）单片机将菌体浓度数据传递至PC终端，PC终端通过数据绘图分析软件，实时显示经计算得出的菌体浓度值，并将菌体浓度值绘制成实时图形，所述实时图形均以时间为横坐标，菌体浓度值为纵坐标；且该数据绘图分析软件可自动保存所有接收的数据。