CN105044163A - 一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置和方法，检测装置由膜透取样器、微型气泵、传感器容器和检测电路组成，其中膜透取样器由乙醇蒸汽渗透膜和不锈钢通气管组成，传感器容器内置TGS2620型金属氧化物半导体材料的气敏传感器，检测电路由加热电压源、加热电压源和负载电阻组成。在发酵罐中放置的与发酵液接触的乙醇蒸汽渗透膜，将发酵液中的液相乙醇浓度转换为气相中的乙醇浓度。传感器容器将气敏传感与外界隔离，乙醇气体进入容器后与气敏传感器充分接触，通过检测电路将乙醇浓度转换为测量输出电压。本发明能有效地实现乙醇浓度在线检测，满足微生物发酵工业应用需求。

Description

一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置和方法
技术领域
本发明涉及工业生产过程检测领域，特别是涉及一种微生物发酵过程中乙醇浓度在线检测检测装置和方法。
背景技术
微生物发酵过程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础，生化过程的各种参数变化直接影响生化反应过程，各种参数的高精度智能检测技术和仪器化研究，对生化过程智能测控系统的优化控制有重要意义。作为大多数发酵过程的一级代谢产物，乙醇对于发酵过程产物的产量和质量具有较大影响。为了对发酵过程进行有效的优化控制，使先进的控制算法与策略得以实际应用，迫切需要对乙醇浓度参数进行在线实时检测。当前，乙醇浓度在线检测方面的研究依然不够，乙醇浓度的检测大多还是采用离线的方法(如滴定法、比重法、气相色谱法等)，不仅滞后大，且容易污染发酵液；而在线检测技术尚不成熟，因此迫切需要研制出具有较高准确度和测量精度的乙醇浓度在线检测装置，以实现乙醇浓度在线检测，并将所得的信息实时保存和实现反馈控制，及时调整生产流程使生产达到最佳状态，这将对提高产品质量、实行质量跟踪、降低生产成本、减轻劳动强度、提高生产效率等具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种微生物发酵过程中乙醇浓度在线检测装置和方法。
本发明所采用的技术方案是：
微生物发酵乙醇浓度在线检测装置由膜透取样器、微型气泵、传感器容器和检测电路组成，其中膜透取样器由乙醇蒸汽渗透膜和不锈钢通气管组成，传感器容器内置TGS2620型金属氧化物半导体材料的气敏传感器，检测电路由加热电压源、供电电压源和负载电阻组成；不锈钢通气管的一端安装有乙醇蒸汽渗透膜并放置在发酵罐内与发酵液接触，通气管的另一端联到微型气泵入口，微型气泵出口通过通气管与传感器容器入口相联；检测电路给气敏传感器4端和1端提供加热电压，气敏传感器2端与负载电阻相联，检测电路给气敏传感器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测量输出电压。
在发酵罐中放置的与发酵液接触的乙醇蒸汽渗透膜，将发酵液中的液相乙醇浓度转换为气相中的乙醇浓度。传感器容器内含有气敏传感器，传感器容器将气敏传感与外界隔离，乙醇气体进入容器后与气敏传感器充分接触，通过检测电路将乙醇浓度转换为电压信号。
本发明的有益技术效果是：能有效地实现乙醇浓度在线检测，能够满足微生物发酵工业应用需求。
附图说明
图1是微生物发酵乙醇浓度在线检测装置组成框图。
图2是TGS2620型金属氧化物半导体材料的气敏传感器测量电路。
附图2中RH为气敏传感器内部的加热电阻，RS为气敏传感器内部的敏感元件电阻值，RL为外接的负载电阻，VH为外接的加热电压，VC为外接的供电电压，VRL为负载输出电压信号即测量输出电压。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
气敏传感器采用金属氧化物半导体为敏感元件，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。敏感元件电阻阻值随环境气氛的成分或浓度不同而显著变化，阻值变化范围在103～105Ω之间。敏感元件电阻值的变化反应了被测乙醇浓度的变化，敏感元件内部含有加热补偿元件，与敏感元件配对组成电桥的两个臂。当乙醇气体浓度增加时，检测元件电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而减小，补偿元件起参比及温度补偿作用。当气体种类和元件的工作条件不变时，元件的电阻值与被测气体的浓度有对应关系。
附图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)。
环境温度的变化也会影响敏感元件阻值的变化，但是在将该气敏传感器用于恒温环境下的微生物发酵检测中，温度特性影响可忽略不计。
微生物发酵乙醇浓度在线检测装置组成框图如附图1所示。由于是测量发酵过程中的乙醇浓度，需要将液相中乙醇浓度通过一定方式转换为气相中的乙醇浓度。本检测装置采用附图1中所示的乙醇蒸汽提取方法，采用这种方式测量微生物发酵中乙醇蒸汽浓度最大的优点是对发酵过程几乎没有影响。
在微生物发酵中插入膜透取样器进行乙醇蒸汽的采集，膜透取样器所采用的分离膜是乙醇蒸汽的优先透过膜，即对乙醇具有优先选择性。从附图1中可以看到，微生物发酵中含有搅拌器，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，也使溶液内各种物质均匀分布，乙醇溶液浓度与管道中气体乙醇浓度更容易形成动态平衡关系，因此置于溶液中间的膜透取样器能够采集均匀的乙醇浓度，通过气敏传感器测量气体乙醇的浓度即可检测出溶液中乙醇浓度。
将微生物发酵乙醇浓度在线检测装置应用到微生物发酵过程中时，需在发酵罐系统上进行标定，标定的主要仪器设备为：微生物发酵乙醇浓度在线检测装置、标准气谱浓度检测仪、微生物发酵控制器系统、发酵罐。
标定时，微生物发酵过程中发酵罐内溶液温度始终维持在30℃左右，罐内生物反应液为多种物质的混合溶液，在发酵罐内插入乙醇蒸汽优先透过的膜透取样器，乙醇蒸汽透过渗透膜进入检测装置的传感器容器被检测。通过标定可得到乙醇浓度与测量输出电压VRL的关系。
本发明提供了一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置和方法，能够在线检测发酵中的乙醇浓度，能够地满足微生物发酵工业应用需求。
以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置和方法，其特征在于，检测装置由膜透取样器、微型气泵、传感器容器和检测电路组成，其中膜透取样器由乙醇蒸汽渗透膜和不锈钢通气管组成，传感器容器内置TGS2620型金属氧化物半导体材料的气敏传感器，检测电路由加热电压源、供电电压源和负载电阻组成；不锈钢通气管的一端安装有乙醇蒸汽渗透膜并放置在发酵罐内与发酵液接触，不锈钢通气管的另一端联到微型气泵入口，微型气泵出口通过通气管与传感器容器入口相联；检测电路给气敏传感器4端和1端提供加热电压，气敏传感器2端与负载电阻相联，检测电路给气敏传感器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测量输出电压。
2.根据权利要求1所述一种微生物发酵乙醇浓度在线检测装置和方法，其特征在于，在发酵罐中放置的与发酵液接触的乙醇蒸汽渗透膜，将发酵液中的液相乙醇浓度转换为气相中的乙醇浓度；传感器容器内含有气敏传感器，传感器容器将气敏传感与外界隔离，乙醇气体进入容器后与气敏传感器充分接触，通过检测电路将乙醇浓度转换为电压信号。
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