CN104483287A - 基于近红外光谱的在线发酵过程生物学参数的检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置，包括光纤探头、卤素灯光源、近红外光谱采集装置、微控制器、直流稳压模块、交流电源和LCD显示模块。本发明还提供了上述基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置的检测方法，通过光纤探头采集发酵过程中发酵原液样本的光谱数据，将近红外光谱仪采集到的光谱数据传入微控制器，微控制器控制光谱采集装置，同时通过微控制器中光谱预处理程序处理光谱数据，相关参数显示在LCD显示屏上。本发明可对发酵罐中的发酵液生物学参数进行在线测量，对指导以及优化发酵过程有着重要意义，本装置操作简单、检测速度快、重复性好而且成本低。
Description
技术领域
本发明属于发酵过程检测与控制领域，特别涉及一种基于近红外光谱的在线发酵过程生物学参数的检测装置及方法。
背景技术
微生物生长是受内外条件相互作用调控的复杂过程，外部条件包括物理的、化学的及发酵液中的生物学条件，内部条件主要是细胞内部的生化反应。由于要对发酵过程的环境因素的调节，使其利于细胞生长或产物的生成，需要了解一些与环境条件和微生物生理状态有关的信息，即需要对过程参数进行检测。
标准化检测装置大部分仪表用于检测温度、压力、搅拌速率、流率等物理参数。这些参数的测量在一般工业中的应用已相当普遍。化学参数检测技术中比较成熟的是尾气中CO2和O2浓度、发酵液pH的检测，目前较为缺乏的是用于检测发酵生物学参数的装置，如检测菌体量、基质和产物浓度等基本参数的传感器，使得发酵过程中微生物的状态只能通过理化指标间接得到。虽然采用离线取样的化学检测法的结果可靠性较高，但它有检测时间长、步骤多以及成本高等缺点，更重要的是离线测量给发酵过程的在线控制和优化带来了困难。目前虽然有部分的仪器实现了在线监控生物学参数，如在线高压液相色谱（HPLC）系统，在线红外光谱系统等，但存在仪器成本高，维护困难以及操作复杂等缺点。
近红外光谱分析技术测量的主要是含氢官能团X-H（X=C、N、O、S等）振动的倍频及合频吸收，根据各含氢基团的近红外吸收特点就可以检测发酵液中的含氢有机物含量，近红外光谱技术属于二次分析，需结合化学计量学方法建立校正模型，实现对发酵过程重要的生物学参数的定量或定性分析，且是无损检测，其速度快、效率高、成本低，并可以多组分浓度、物质属性同时测定。在食品、农业、石油化工等领域有着广泛的应用。
但在发酵过程领域，由于发酵体系的多样性与复杂性，研发相关在线近红外光谱测量装置较少，同时在线校正模型建立较难，导致近红外光谱分析技术在该领域还没有广泛运用。
发明内容
本发明的第一目的是针对现有在线生物学参数检测装置存在的部分不足，提供一种基于近红外光谱的在线发酵过程生物学参数的检测装置，将近红外光谱分析技术应用于发酵过程生物学参数的在线测量，实现实时的测定多生物学参数。
本发明的第二目的是提供上述基于近红外光谱的在线发酵过程生物学参数的检测装置的检测方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一、一种基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置，包括光纤探头、卤素灯光源、近红外光谱采集装置、微控制器、直流稳压模块、交流电源和LCD显示模块，其中，
所述的卤素灯光源与交流电源连接，直流稳压模块包括交流电压输入端口和直流电压输出端口，交流电源与直流稳压模块的交流电压输入端口相连接，直流稳压模块的直流电压输出端口分别连接近红外光谱采集装置和微控制器；
所述的光纤探头垂直插入发酵液中，包括入射光纤束与出射光纤束，入射光纤束连接卤素灯光源，出射光纤束连接近红外光谱采集装置；
所述的近红外光谱采集装置是基于CCD检测技术的微型光谱仪系统，包括单色器、CCD检测器、微处理器系统、RS232通信接口以及电源接口，单色器与CCD检测器相连接，CCD检测器连接微处理器系统的A/D转换部分，微处理器系统通过RS232通信接口连接微控制器；
所述微控制器包括ARM微处理器、存储单元、SPI通信端口、RS232通信端口，微控制器通过SPI通信端口连接所述LCD显示模块。
进一步的，所述的光纤探头为透反射式光纤探头。
二、一种根据上述的基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：
（1）卤素灯光源由光纤探头的入射光纤束引入，光纤探头采集透过发酵液后的光信号，由出射光纤束引出传至近红外光谱采集装置；
（2）光信号通过近红外光谱采集装置上的单色器分光，并由CCD检测器进行光电转换，然后通过近红外光谱采集装置的微处理器系统得到近红外光谱数据信号；
（3）微控制器对经RS232通信端口传入的原始光谱数据进行去噪、平滑、基线校正等预处理，以及基于自适应遗传算法（简称AGA）的光谱特征提取，然后将处理后的光谱数据代入微控制器中存储单元的校正模型，得到发酵液的生物学参数；同时，所述微控制器通过RS232通信端口控制近红外光谱采集装置的近红外光谱采样速率、积分时间和接收近红外光谱数据；
（4）微控制器通过SPI端口控制所述LCD显示模块上显示发酵液生物学参数以及所述近红外采集装置基本运行信息。
采用上述技术方案的积极效果：
1、本发明可代替传统离线化学方法测量发酵过程生物学参数；
2、不需要破坏样品，不使用任何试剂，环保，属于“绿色”分析技术；
3、光谱仪采用了阵列式（CCD）探测器，可在极短时间内实现光谱的快速采集；
4、光谱仪的分光系统无可移动光学器件，适合安装在环境较差的生产现场；
5、数据处理与仪器控制单元可通过通信端口连接集散控制系统（DCS）或可编程逻辑控制器（PLC）系统，进行在线发酵过程的生物学参数检测，有利于实现对发酵过程的优化与控制，保证发酵进程中产品的质量；
6、近红外光谱处理程序采用了改进的进化算法，提高了近红外光谱的质量以及校正模型的准确性和稳健性。
附图说明
图1是本发明基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置示意图；
图2是透反射浸入式光纤探头的结构图；
图3是近红外光谱采集与处理的软件流程图。
图中，1、入射光纤束，2、发酵罐，3、光纤探头，4、出射光纤束，5、单色器，6、CCD探测器，7、微处理器系统，8、RS232通信端口，9、存储单元，10、ARM微处理器，11、SPI通信端口，12、LCD显示屏，13、直流稳压模块，14、交流电源，15、卤素灯光源，16、发酵液。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制：
实施例1
一种基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置，包括光纤探头3、卤素灯光源15、近红外光谱采集装置、微控制器、直流稳压模块13、交流电源14和LCD显示模块12，其中，
所述的卤素灯光源15与交流电源14连接，直流稳压模块13包括交流电压输入端口和直流电压输出端口，交流电源14与直流稳压模块13的交流电压输入端口相连接，直流稳压模块13的直流电压输出端口分别连接近红外光谱采集装置和微控制器。直流稳压模块的作用是将220v交流电压转换为5v直流稳压电源，供给近红外光谱采集装置和微控制器。
所述的光纤探头3垂直插入发酵液中，包括入射光纤束1与出射光纤束4，入射光纤束1连接卤素灯光源15，出射光纤束4连接近红外光谱采集装置。入射光纤束将卤素灯光源所发出的光引入，出射光纤束将光源透过发酵液16后的光信号引出传至近红外光谱采集装置。具体的，所述的光纤探头3为透反射式光纤探头。所述卤素灯光源强度可调节，进而可调节近红外光谱的信号强度。
所述的近红外光谱采集装置是基于CCD检测技术的微型光谱仪系统，包括单色器5、CCD检测器6、微处理器系统7、RS232通信接口8以及电源接口，单色器5与CCD检测器6相连接，CCD检测器6连接微处理器系统7的A/D转换部分，微处理器系统7通过RS232通信接口8连接微控制器。单色器用于将光信号分色，传递给CCD检测器进行光电转换，进而进入微处理器系统进行下一步处理。
所述微控制器包括ARM微处理器10、存储单元9、SPI通信端口11、RS232通信端口8，微控制器通过SPI通信端口11连接所述LCD显示模块12，显示出发酵液生物学参数以及所述近红外采集装置基本运行信息如：采样速率、积分时间等。
实施例2
一种根据上述的基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：
（1）卤素灯光源15由光纤探头3的入射光纤束1引入，光纤探头3采集透过发酵液16后的光信号，由出射光纤束4引出传至近红外光谱采集装置；
（2）光信号通过近红外光谱采集装置上的单色器5分光，并由CCD检测器6进行光电转换，然后通过近红外光谱采集装置的微处理器系统7得到近红外光谱数据信号；
（3）微控制器对经RS232通信端口8传入的原始光谱数据进行去噪、平滑、基线校正等预处理，以及基于自适应遗传算法的光谱特征提取，然后将处理后的光谱数据代入微控制器中存储单元9的校正模型，得到发酵液的生物学参数；同时，所述微控制器通过RS232通信端口8控制近红外光谱采集装置的近红外光谱采样速率、积分时间和接收近红外光谱数据；
（4）微控制器通过SPI端口控制所述LCD显示模块12上显示发酵液生物学参数以及所述近红外采集装置基本运行信息。
实施例3
本实施例在线检测丁二酸发酵过程中的主要生物学参数如：生物量浓度、丙酮酸浓度、丁二酸浓度和乙酸浓度等。
卤素灯光源由光纤探头的入射光纤束引入，发酵罐中的光纤探头采集透过丁二酸发酵液后的光信号，由出射光纤束引出传至近红外光谱采集装置（探测范围900 - 2200nm），近红外光谱采集装置对光信号进行分光以及光电转换，然后通过微处理器系统处理得到近红外光谱数据信号，再由RS232通信端口将光谱数据传入以ARM芯片为核心的ARM微控制器。
微控制器利用近红外采集装置上的RS232通信端口控制近红外光谱扫描次数（32-60次）以及采样速率（每1min采集一次）。
如图3所述，通过微控制器中存储的S-G平滑算法对原始光谱数据进行预处理，采用小波变换方法去噪，以及基于自适应遗传算法的光谱特征提取，然后将处理后的光谱数据分别代入微控制器中存储的生物量浓度、丙酮酸、丁二酸以及乙酸的校正模型中，校正模型采用基于自适应遗传算法的支持向量机回归算法，最后得到发酵液中这四种组分的浓度。
微处理器系统通过SPI通信端口控制LCD显示模块，所述LCD显示模块上显示丁二酸发酵液中生物量浓度、丙酮酸浓度、丁二酸浓度和乙酸浓度，以及近红外采集装置的基本信息如采样速率、积分时间等。
如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但并不以此例限制本发明创造，在本发明创造的精神和原则之内作的任何变形、修改等同替换和改进，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置，其特征在于：包括光纤探头（3）、卤素灯光源（15）、近红外光谱采集装置、微控制器、直流稳压模块（13）、交流电源（14）和LCD显示模块（12），其中，
所述的卤素灯光源（15）与交流电源（14）连接，直流稳压模块（13）包括交流电压输入端口和直流电压输出端口，交流电源（14）与直流稳压模块（13）的交流电压输入端口相连接，直流稳压模块（13）的直流电压输出端口分别连接近红外光谱采集装置和微控制器；
所述的光纤探头（3）垂直插入发酵液中，包括入射光纤束（1）与出射光纤束（4），入射光纤束（1）连接卤素灯光源（15），出射光纤束（4）连接近红外光谱采集装置；
所述的近红外光谱采集装置是基于CCD检测技术的微型光谱仪系统，包括单色器（5）、CCD检测器（6）、微处理器系统（7）、RS232通信接口（8）以及电源接口，单色器（5）与CCD检测器（6）相连接，CCD检测器（6）连接微处理器系统（7）的A/D转换部分，微处理器系统（7）通过RS232通信接口（8）连接微控制器；
所述微控制器包括ARM微处理器（10）、存储单元（9）、SPI通信端口（11）、RS232通信端口（8），微控制器通过SPI通信端口（11）连接所述LCD显示模块（12）。
2.根据权利要求1所述的基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置，其特征在于：所述的光纤探头（3）为透反射式光纤探头。
3.一种根据权利要求1所述的基于近红外光谱的发酵过程生物学参数的检测装置的检测方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
（1）卤素灯光源（15）由光纤探头（3）的入射光纤束（1）引入，光纤探头（3）采集透过发酵液（16）后的光信号，由出射光纤束（4）引出传至近红外光谱采集装置；
（2）光信号通过近红外光谱采集装置上的单色器（5）分光，并由CCD检测器（6）进行光电转换，然后通过近红外光谱采集装置的微处理器系统（7）得到近红外光谱数据信号；
（3）微控制器对经RS232通信端口（8）传入的原始光谱数据进行去噪、平滑、基线校正等预处理，以及基于自适应遗传算法的光谱特征提取，然后将处理后的光谱数据代入微控制器中存储单元（9）的校正模型，得到发酵液的生物学参数；同时，所述微控制器通过RS232通信端口（8）控制近红外光谱采集装置的近红外光谱采样速率、积分时间和接收近红外光谱数据；
（4）微控制器通过SPI端口控制所述LCD显示模块（12）上显示发酵液生物学参数以及所述近红外采集装置基本运行信息。
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