CN109724645A - 一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，属于生产过程实时监测领域。该系统包括空气净化装置、发酵尾气除水装置、电磁阀A、电磁阀B、气路三通件、气体流量计、可调真空泵、气体反应室、传感器阵列和温湿度传感器、信号调理电路、微处理器和上位机。上位机中设有控制模块和模式识别模块。控制模块通过LabVIEW上位机控制微处理器进行气体流量值、传感器的还原、发酵尾气采集、气体反应室温湿度的监测以及数据传输；模式识别模块用于将控制模块输入的信号进行分析和处理，从而判断出金耳发酵液的发酵状态。本发明的监测系统不仅操作简单，而且能准确、实时对金耳发酵过程中产生的气体进行长期监测。

Description

一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统

技术领域

本发明涉及一种发酵过程状态的检测仪器，特别涉及一种用于金耳发酵过程状态监测的便携式电子鼻系统，属于生产过程实时监测领域。

背景技术

发酵过程是一种重要工业生产方式，被广泛应用于生物制药、精细化工以及农产品深加工等高附加值产品的生产中。发酵过程不仅具有一般非线性系统的时变性、大惯性、不确定性等特点，并且由于发酵过程中的一些重要参数如菌体浓度和产物浓度等都不可以在线测量，所以发酵过程的控制比一般非线性系统更为复杂。由于发酵过程机理复杂,数据重复性比较差,很难用确定性数学模型来描述。目前，国内外对发酵过程状态监测的方法包括人工审评和理化分析。传统的人工审评从色泽和气味去判别发酵过程，但结果不容易量化，且存在主观差异性；理化分析是对发酵过程中的产物进行定性定量的分析，不仅费时费力，而且离线测量，难以满足对整个发酵过程状态快速检测的要求。因此,为确保发酵过程稳定可靠的运行，需要对生产过程进行实时、有效、方便、客观地监测。现阶段应用于发酵过程状态在线监测的技术主要有：近红外光谱技术和成像化气体传感阵列监测技术，还没有专用于金耳发酵过程监测的电子鼻技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，主要实现了实时、便携、准确和无损的发酵过程状态监测。

本发明的技术方案为：一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其包括：空气净化装置、发酵尾气除水装置、电磁阀A、电磁阀B、气路三通件、气体流量计、可调真空泵、气体反应室、气体传感器阵列和温湿度传感器、信号调理电路、微处理器和上位机。

空气净化装置通过聚乙烯管与电磁阀A相连接，电磁阀A的另一端通过聚乙烯管与气路三通件相连接；发酵尾气除水装置一端通过聚乙烯管与发酵罐尾气排放口相连接，另一端通过聚乙烯管与电磁阀B相连接，电磁阀B的另一端通过聚乙烯管与气路三通件相连接，气路三通件的另一端通过聚乙烯管与气体流量计相连接，气体流量计的另一端通过聚乙烯管与可调真空泵相连接，可调真空泵通过聚乙烯管与气体反应室相连接。

空气净化装置包括活性炭材料和容纳器具,将环境空气净化为标准气体,还原气体传感器，为每次检测提供相同的气室内部环境。

发酵尾气除水装置包括变色硅胶材料和容纳器具，通过变色硅胶过滤掉发酵尾气中夹杂的水分。

电磁阀A选用三通防腐电磁阀，一个进气口，两个出气口，一个进气口通过聚乙烯管与空气净化装置相连，一个出气口通过聚乙烯管与气路三通件相连，另一个出气口直接排空，通过微处理器控制气体的流动路径。

电磁阀B选用三通防腐电磁阀，一个进气口，两个出气口，一个进气口通过聚乙烯管与发酵尾气净化装置相连，一个出气口通过聚乙烯管与气路三通件相连，另一个出气口直接排空，通过微处理器控制气体的流动路径。

气路三通件选用T型铜接头，一端通过聚乙烯管与气体流量计相连。

气体流量计通过聚乙烯管与可调真空泵相连，实时采集气体流量值。

可调真空泵通过聚乙烯管与气体反应室的进气口相连接，通过电机驱动器改变真空泵的速度，调节气体的流量，并将气体引入到气体反应室中。

气体反应室由圆锥形顶部和圆柱腔组成，上端有一个进气口，底部有一个出气口，气体传感器阵列和温湿度传感器固定在圆柱腔中，避免了外界环境对传感器的干扰,增强结果的可靠性，腔体材料使用不锈钢。气体传感器阵列和温湿度传感器与信号调理电路相连接。

气体传感器阵列由8个气敏传感器组成(考虑到试验过程中更换的问题，采用了传感器陶瓷底座)，这些传感器是根据气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对金耳发酵液的成分分析结果进行筛选。金耳发酵过程中的主要挥发性物质为醇类、酯类、酮类等。根据这些物质筛选出相应的传感器组成气体传感器阵列。传感器依次选为MQ135、TGS822、MQ138、TGS880、TGS813、TGS816、WSP2110和TGS2620，这8个气敏传感器需要施加加热电压和工作电压。

温湿度传感器选用数字式传感器，来监测传感器的工作环境,可实时动态观测到气室中的温湿度。

信号调理电路与微处理器相连，包括8个调理电路，每个调理电路分别与一个气体传感器相连，将传感器的信号进行调理。所有调理电路的输出与微处理器的模/数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)模块相连。

微处理器与上位机相连，微处理器设有复位电路、电源电路、ADC数据采集模块、电磁阀通断控制模块、真空泵调速模块、标准232(Recommended Standard232，RS232)通信模块、数据存储模块。微处理器接收上位机的指令，控制电磁阀通断、真空泵调速、采集气体流量值和气体传感器信号，通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)协议读取温湿度传感器，并通过RS232协议将气体流量值、气体传感器信号和温湿度数据传输给上位机。

上位机中设有控制模块和模式识别模块。控制模块是基于实验虚拟仪器工程平台(Laborary Virtual Instrument Engineering Workbench，LabVIEW)的上位机，给下位机发送传感器还原、发酵尾气采集、还原时长设置、采集时长设置四种指令，并对微处理器传输的气体流量计信号、气体传感器信号和温湿度信号进行处理，进行实时图形化显示，并以Excel文件存储。模式识别模块用于将控制模块输入的信号进行分析和处理，从而判断出金耳发酵液的发酵状态。识别方法包括数据预处理、特征提取、降维处理和识别算法四部分。其中数据预处理采用传感器归一化技术，特征提取采用的是稳定值特征，降维处理采用线性判别分析算法，识别算法则采用支持向量机或神经网络识别算法。

本发明的有益效果是：1、本发明与传统理化分析手段相比,检测速度快、成本低、效率高且检测结果客观、准确，方便。2、本发明的判别方法,有效解决现有主要依赖感官进行经验判断金耳发酵的发酵状态,存在主观差异性的技术问题。3、本发明的监测装置体积小、操作简单，能准确、实时对金耳发酵过程中的发酵尾气进行在线检测，从而判断金耳发酵的状态及发酵终点。

附图说明

图1为实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统结构示意图。

图2为反应气室的剖面图。

图3为微处理器工作流程图。

图4为上位机LabVIEW的工作流程图。

图5为本发明便携式电子鼻系统实时监测金耳发酵过程状态的监测流程图。

图中：1.空气净化装置，2.发酵尾气除水装置，3.电磁阀A,4.电磁阀B,5.气路三通件，6.气体流量计，7.可调真空泵，8.气体反应室，9.气体传感器阵列，10.温湿度传感器，11.信号调理电路，12微处理器,13.上位机，14.进气口，15.圆锥形顶部，16.圆柱腔，17.出气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统结构框图，如图1和图2所示，包括空气净化装置1、发酵尾气除水装置2、电磁阀A3、电磁阀B4、气路三通件5、气体流量计6、可调真空泵7、气体反应室8、气体传感器阵列9和温湿度传感器10、信号调理电路11、微处理器12和上位机13。

空气净化装置1通过聚乙烯管与电磁阀A3相连接，空气净化装置包括活性炭材料和容纳器具,将环境空气净化为标准气体,还原气体传感器，为每次检测提供相同的气室内部环境。

发酵尾气除水装置2一端通过聚乙烯管与发酵罐发酵尾气排放口相连接，另一端通过聚乙烯管与电磁阀B4相连接。发酵尾气除水装置包括变色硅胶材料和容纳器具，通过变色硅胶过滤掉发酵尾气中夹杂的水分。

电磁阀A3选用三通防腐电磁阀，一个进气口，两个出气口，一个进气口通过聚乙烯管与空气净化装置1相连接，一个出气口通过聚乙烯管与气路三通件5相连接，另一个出气口直接排空，通过微处理器12控制气体的流动路径。

电磁阀B4选用三通防腐电磁阀，一个进气口，两个出气口，一个进气口通过聚乙烯管与发酵尾气净化装置2相连接，一个出气口通过聚乙烯管与气路三通件5相连接，另一个出气口直接排空，通过微处理器12控制气体的流动路径。

气路三通件5选用T型铜接头，一端通过聚乙烯管与气体流量计6相连。

气体流量计6通过聚乙烯管与可调真空泵7相连接，实时采集气体流量值。

可调真空泵7通过聚乙烯管与气体反应室8的进气口14相连接，通过电机驱动器改变真空泵的速度，调节气体的流量，并将气体引入到气体反应室8中。

气体反应室8由圆锥形顶部15和圆柱腔16组成，上端有一个进气口14，底部有一个出气口17，气体传感器阵列9和温湿度传感器10固定在圆柱腔16中，避免了外界环境对传感器的干扰,增强结果的可靠性，腔体材料使用不锈钢。气体传感器阵列9和温湿度传感器10与信号调理电路11相连接。

气体传感器阵列9由8个气敏传感器(考虑到试验过程中更换的问题，采用了传感器陶瓷底座)组成。气敏传感器是根据气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对金耳发酵液的成分分析结果进行筛选。金耳发酵过程中的主要挥发性物质为醇类、酯类、酮类等。根据这些物质筛选出相应的传感器组成气体传感器阵列。传感器依次选为MQ135、TGS822、MQ138、TGS880、TGS813、TGS816、WSP2110和TGS2620，这8个气敏传感器需要施加加热电压和工作电压。

温湿度传感器10选用数字式传感器SHT10来监测传感器的工作环境,可实时动态观测到气室中的温湿度。

微处理器12与上位机13相连，微处理器12采用具有先进精简指令集机器(Advanced RISC Machine，ARM)内核的STM32F103RCT6，内部集成ADC、数字模拟转换器(Digital to analog converter,DAC)、脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)、通用串行总线(Universal Serial Bus,USB)、以及512KB的闪存(FLASH)和最大64KB的静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)。微处理器12的控制流程图如图3所示，程序实现流程描述如下：

微处理器上电启动，硬件模块初始化，通信模块初始化，等待上位机LabVIEW的命令。如果指令是数据采集，微处理器通过光耦隔离电路打开电磁阀B，关闭电磁阀A,开启真空泵并调节真空泵速度，抽取发酵尾气，通过ADC模块采集气路的流量值以及8路气体传感器的数据，同时通过SPI协议读取温湿度传感器信号，然后将流量值、8路传感器信号和温湿度信号通过RS232通信协议传输到上位机LabVIEW。如果采样时间未到设定值，重复上述工作；如果采样时间到达设定值，关闭真空泵，关闭电磁阀B，等待LabVIEW指令。如果指令是换气，打开电磁阀A，关闭电磁阀B，开启真空泵，抽取空气进行气体传感器还原。如果换气时间未到设定值，重复上述工作；如果换气时间到达设定值，关闭真空泵，关闭电磁阀A，等待LabVIEW指令。

上位机13设有控制模块和模式识别模块。控制模块是基于LabVIEW的上位机，给下位机发送传感器还原、发酵尾气采集、还原时长设置、采集时长设置四种指令，并对微处理器传输的气体流量计信号、气体传感器信号和温湿度信号进行处理，进行实时图形化显示，并以Excel文件存储。上位机LabVIEW的工作流程图如图4所示。首先LabVIEW界面初始化、通信模块初始化，发送命令给下位机，如果发送的是信号采集指令，检测串口是否为空，如果串口非空，则采集气体流量值和传感器数据，动态显示当前气体流量值、气体传感器和温湿度传感器的数据，并以Excel格式存储于上位机；如果串口为空，则等待。模式识别模块用于将控制模块输入的信号进行分析和处理，从而判断出金耳发酵液的发酵状态。识别方法包括特征提取、降维处理和识别算法三部分。考虑到温湿度对传感器漂移的影响，将温度和湿度作为两个特征信号与气体传感器阵列响应信号一并进行系统识别，提高识别精度。其中特征提取采用的是稳定值，降维处理采用主成分分析算法，根据贡献率确定维数，识别算法则采用支持向量机或神经网络识别算法。

下面结合工作原理对本实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统进一步说明。附图5显示了本发明的基本工作流程如下：

1、打开电子鼻系统，开启空气净化装置，将环境空气净化为标准气体还原气体传感器3分钟，使各传感器响应值回归至基线值；

2、系统采用的气敏传感器属于金属氧化物型气体传感器，实验前要对气体传感器阵列进行适当预热操作，特别是在首次使用该电子鼻系统进行实验时，应保证其预热时间不低于48h；

3、开启发酵尾气除水装置，通过变色硅胶过滤掉发酵尾气中夹杂的水分后引入气体反应室，与传感器充分反应2分钟；

4、微处理器通过ADC模块采集气体流量值和各传感器的电压值，并将电压信号进行调理，然后传输给LabVIEW上位机显示和存储；

5、提取传感器信号的稳定值进行主成分分析，根据贡献率确定特征向量，将特征向量分别与发酵阶段对应，通过支持向量机或者神经网络等识别算法构建发酵过程状态区分模型；

6、实时监测金耳发酵过程中的发酵状态：发酵过程中，通过上位机实时获取发酵过程中的传感器信号；将实时获得的传感器信号导入步骤5所建立的金耳发酵状态区分模型从而得到发酵过程状态的实时监测分析结果。

Claims (10)

1.一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于其包括：空气净化装置、发酵尾气除水装置、电磁阀A、电磁阀B、气路三通件、气体流量计、可调真空泵、气体反应室、气体传感器阵列和温湿度传感器、信号调理电路、微处理器和上位机；

空气净化装置通过聚乙烯管与电磁阀A相连接，电磁阀A的另一端通过聚乙烯管与气路三通件相连接；发酵尾气除水装置一端通过聚乙烯管与发酵罐尾气排放口相连接，另一端通过聚乙烯管与电磁阀B相连接，电磁阀B的另一端通过聚乙烯管与气路三通件相连接，气路三通件的另一端通过聚乙烯管与气体流量计相连接，气体流量计的另一端通过聚乙烯管与可调真空泵相连接，可调真空泵通过聚乙烯管与气体反应室相连接。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于空气净化装置包括活性炭材料和容纳器具,将环境空气净化为标准气体,还原气体传感器，为每次检测提供相同的气室内部环境。

3.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于发酵尾气除水装置包括变色硅胶材料和容纳器具，通过变色硅胶过滤掉发酵尾气中夹杂的水分。

4.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于电磁阀A选用三通防腐电磁阀，一个进气口，两个出气口，一个进气口通过聚乙烯管与空气净化装置相连，一个出气口通过聚乙烯管与气路三通件相连，另一个出气口直接排空，通过微处理器控制气体的流动路径。

5.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于电磁阀B选用三通防腐电磁阀，一个进气口，两个出气口，一个进气口通过聚乙烯管与发酵尾气净化装置相连，一个出气口通过聚乙烯管与气路三通件相连，另一个出气口直接排空，通过微处理器控制气体的流动路径。

6.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于气路三通件选用T型铜接头，一端通过聚乙烯管与气体流量计相连；

气体流量计通过聚乙烯管与可调真空泵相连，实时采集气体流量值；

可调真空泵通过聚乙烯管与气体反应室的进气口相连接，通过电机驱动器改变真空泵的速度，调节气体的流量，并将气体引入到气体反应室中。

7.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于气体反应室由圆锥形顶部和圆柱腔组成，上端有一个进气口，底部有一个出气口，气体传感器阵列和温湿度传感器固定在圆柱腔中，避免了外界环境对传感器的干扰,增强结果的可靠性，腔体材料使用不锈钢；气体传感器阵列和温湿度传感器与信号调理电路相连接。

8.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于气体传感器阵列由8个气敏传感器组成(考虑到试验过程中更换的问题，采用了传感器陶瓷底座)，这些传感器是根据气相色谱质谱联用仪对金耳发酵液的成分分析结果进行筛选；金耳发酵过程中的主要挥发性物质为醇类、酯类、酮类等；根据这些物质筛选出相应的传感器组成气体传感器阵列；传感器依次选为MQ135、TGS822、MQ138、TGS880、TGS813、TGS816、WSP2110和TGS2620，这8个气敏传感器需要施加加热电压和工作电压。

9.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于温湿度传感器选用数字式传感器，来监测传感器的工作环境,可实时动态观测到气室中的温湿度；

信号调理电路与微处理器相连，包括8个调理电路，每个调理电路分别与一个气体传感器相连，将传感器的信号进行调理；所有调理电路的输出与微处理器的模/数转换器模块相连；

微处理器与上位机相连，微处理器设有复位电路、电源电路、ADC数据采集模块、电磁阀通断控制模块、真空泵调速模块、标准232通信模块、数据存储模块；微处理器接收上位机的指令，控制电磁阀通断、真空泵调速、采集气体流量值和气体传感器信号，通过串行外设接口协议读取温湿度传感器，并通过RS232协议将气体流量值、气体传感器信号和温湿度数据传输给上位机。

10.根据权利要求1所述的一种实时监测金耳发酵过程状态的便携式电子鼻系统，其特征在于上位机中设有控制模块和模式识别模块；控制模块是基于实验虚拟仪器工程平台的上位机，给下位机发送传感器还原、发酵尾气采集、还原时长设置、采集时长设置四种指令，并对微处理器传输的气体流量计信号、气体传感器信号和温湿度信号进行处理，进行实时图形化显示，并以Excel文件存储；模式识别模块用于将控制模块输入的信号进行分析和处理，从而判断出金耳发酵液的发酵状态；识别方法包括数据预处理、特征提取、降维处理和识别算法四部分；其中数据预处理采用传感器归一化技术，特征提取采用的是稳定值特征，降维处理采用线性判别分析算法，识别算法则采用支持向量机或神经网络识别算法。