CN112940919A - 一种发酵过程多参数在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及食品分析与品质研究领域，具体地说是一种用于发酵过程多参数在线实时监测的装置。所述发明装置中，设置有氧气传感器、二氧化碳传感器、流量传感器以及用于实时检测醇类、酸类、醛类、酯类、醚类等痕量有机发酵产物的在线监测系统。通过开发发酵产气在线检测方法，检测痕量的有机发酵产物，结合常规的氧气消耗速率(OUR)、二氧化碳生成速率(CER)和呼吸熵(RQ)，实现了发酵过程多尺度参数实时在线分析。本发明所采用的装置及方法具有检测速度快、灵敏度高、性能稳定等显著优点，能够广泛应用于各类发酵生产领域。
Description
技术领域
本发明涉及食品分析与品质研究领域，具体地说是一种用于发酵过程多参数在线实时监测的装置。该装置及方法能够实时在线分析发酵过程痕量挥发性有机发酵产物，同时检测氧气消耗速率(OUR)、二氧化碳生成速率(CER)和呼吸熵(RQ)等多元参数。
背景技术
发酵过程是一种既古老又年轻的生化过程，主要通过微生物的生长培养以及化学变化，产生大量代谢产物。发酵过程往往工序复杂，发酵条件的改变对发酵产物的产量以及品质具有非常大的影响。近年来，食品安全与质量检测越来越受到人们的重视，针对发酵过程中状态参数以及发酵产气中痕量挥发性成分的实时在线监测是研究发酵过程的重要手段。
本发明通过开发发酵产气在线检测技术，检测痕量的有机发酵产物，结合常规的氧气消耗速率(OUR)、二氧化碳生成速率(CER)和呼吸商(RQ)实现了多尺度参数相关分析，寻找能衡量或评价发酵状态的指标，建立相应的发酵标准曲线。在实验室中控制、优化各项发酵条件，探索可控实验参数下的最佳发酵效率。将实验室优化的发酵条件初步应用于大生产线，通过在线实时快速检测结合离线分析数据，探索微生物的生长与发酵条件控制之间关系，为生产发酵过程的优化与调控提供依据，优化发酵产物保障发酵产物品质。
发明内容
本发明的目的在于提供一种更精确、高效的用于发酵过程多参数在线实时监测的装置以及方法。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：
发酵过程多参数在线监测装置，包括发酵罐、发酵状态监测系统以及发酵产气微量成分监测系统，其特征在于：
所述发酵罐为一发酵容器，其内产生发酵气，发酵气经由发酵进样管路，通过发酵气入口进入发酵状态监测系统；
发酵状态监测系统为一个两端开口的中空密闭筒状结构，左端为发酵气入口、右端为发酵气出口，于发酵状态监测系统内从左至右依次设置有氧气传感器、二氧化碳传感器、检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器以及检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器，实现氧气浓度、二氧化碳浓度以及发酵气流量的发酵状态实时在线监测；
进一步，所述发酵气通过发酵气出口经由发酵管路进入发酵产气微量成分监测系统，实现发酵产气中醛、酮、醇、醚、酯等中的一种或二种以上微量成分实时在线监测；
所述发酵状态监测系统中氧气传感器、二氧化碳传感器、检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器、检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器以及发酵产气微量成分监测系统与电脑信号相连，所监测得到的氧气浓度、二氧化碳浓度、发酵产气流速以及发酵产气中各类微量成分浓度含量在电脑实时显示。
所述发酵产气微量成分监测系统为飞行时间质谱仪、气相色谱-质谱联用仪或者集束毛细管柱-质谱联用仪。
所述发酵进样管路为单通道或多通道管路，多通道管路中的每个通道均分别与不同的发酵罐上端相连，通过阀切换可实现不同发酵装置之间的快速切换与实时监测。
所述发酵状态监测系统内部沿气体流动方向依次设置有中部带通孔的分压挡板A以及中部带通孔的分压挡板B，分压挡板A中心位置设置有通孔A，分压挡板B中心位置设置有通孔B；分压挡板A以及分压挡板B的四周边缘分别与筒体侧壁面密切连接，将筒体分隔成三个区域；
所述发酵气入口、通孔A、通孔B以及发酵气出口同轴平行设置；
所述检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器的测量接口分别设置于分压挡板A两端；
所述检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器的测量接口分别设置于分压挡板B两端。
所述发酵状态监测系统为中空圆筒，内径为5～15mm；
所述发酵进样管路、发酵管路、发酵气入口、发酵气出口内径为5～12mm。
所述分压挡板A中心通孔A内径为0.5～4mm；
所述分压挡板B中心通孔B内径为1～5mm；
所述分压挡板A与发酵气入口之间的距离设置为10～60mm；
所述分压挡板B与分压挡板A之间的距离设置为50～160mm；
所述发酵气出口与分压挡板B之间的距离设置为10～50mm。
所述发酵过程包括酒精发酵、维生素发酵、有机酸发酵、抗生素发酵以及氨基酸发酵等中的一种或二种以上。
该装置及方法能够实时在线分析发酵过程痕量挥发性有机发酵产物，同时检测氧气消耗速率(OUR)、二氧化碳生成速率(CER)和呼吸熵(RQ)等多元参数。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为电脑端自行编辑软件参数读取界面示意图。
图3为白酒发酵过程发酵第68小时发酵产气质谱图。
具体实施方式
请参阅图1，为本发明的结构示意图。
发酵过程多参数在线监测装置，包括发酵罐1、发酵状态监测系统2以及发酵产气微量成分监测系统3，其特征在于：
发酵罐1为一发酵容器，其内产生发酵气，发酵气经由发酵进样管路12，通过发酵气入口4进入发酵状态监测系统2；发酵状态监测系统2为一个两端开口的中空密闭筒状结构，左端为发酵气入口、右端为发酵气出口，于发酵状态监测系统2内从左至右依次设置有氧气传感器8、二氧化碳传感器9、检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器10以及检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器11，实现氧气浓度、二氧化碳浓度以及发酵气流量的发酵状态实时在线监测；进一步，发酵气通过发酵气出口7经由发酵管路13进入发酵产气微量成分监测系统3，实现发酵产气中醛、酮、醇、醚、酯等中的一种或二种以上微量成分实时在线监测；
发酵状态监测系统2中氧气传感器8、二氧化碳传感器9、检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器10、检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器11以及发酵产气微量成分监测系统3与电脑14信号相连，所监测得到的氧气浓度、二氧化碳浓度、发酵产气流速以及发酵产气中各类微量成分浓度含量在电脑14实时显示。
发酵产气微量成分监测系统3为飞行时间质谱仪、气相色谱-质谱联用仪或者集束毛细管柱-质谱联用仪。
发酵进样管路12为单通道或多通道管路，多通道管路中的每个通道均分别与不同的发酵罐上端相连，通过阀切换可实现不同发酵装置之间的快速切换与实时监测。
发酵状态监测系统2内部沿气体流动方向依次设置有中部带通孔的分压挡板A15以及中部带通孔的分压挡板B16，分压挡板A15中心位置设置有通孔A5，分压挡板B16中心位置设置有通孔B6；分压挡板A15以及分压挡板B16的四周边缘分别与筒体侧壁面密切连接，将筒体分隔成三个区域；
发酵气入口4、通孔A5、通孔B6以及发酵气出口7同轴平行设置；
检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器10的测量接口分别设置于分压挡板A15两端；检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器11的测量接口分别设置于分压挡板B16两端。
发酵状态监测系统2为中空圆筒，内径为5～15mm；
发酵进样管路12、发酵管路13、发酵气入口4、发酵气出口7内径为5～12mm。
分压挡板A15中心通孔A5内径为0.5～4mm；
分压挡板B16中心通孔B6内径为1～5mm；
分压挡板A15与发酵气入口4之间的距离设置为10～60mm；
分压挡板B16与分压挡板A15之间的距离设置为50～160mm；
发酵气出口7与分压挡板B16之间的距离设置为10～50mm。
发酵过程包括酒精发酵、维生素发酵、有机酸发酵、抗生素发酵以及氨基酸发酵等中的一种或二种以上。
在实际应用过程中，该装置及方法能够实时在线分析发酵过程痕量挥发性有机发酵产物，同时检测氧气消耗速率(OUR)、二氧化碳生成速率(CER)和呼吸熵(RQ)等多元参数。
实施例1
针对本发明所述的发酵过程多参数在线监测装置及方法，具体参数设置如下：发酵状态监测系统2内径为12mm，发酵进样管路12内径设置为8mm，发酵管路13内径设置为6mm，发酵气入口4内径设置为6mm，发酵气出口7内径设置为4mm；分压挡板A15中心通孔A5内径为3mm；分压挡板B16中心通孔B6内径为2mm；分压挡板A15与发酵气入口4之间的距离设置为40mm；分压挡板B16与分压挡板A15之间的距离设置为80mm；发酵气出口7与分压挡板B16之间的距离设置为30mm。
基于上述发明装置及参数，对国内某知名酒业小曲成产车间发酵过程进行实时跟踪监测。如图2所示，为氧气浓度、二氧化碳浓度、实时流量以及总流量的软件监测与读取界面。如图3所示，为发酵第68个小时所采集的在线实时监测发酵产气成分质谱图，可以看出发酵产气中含有丰富的乙酸乙酯等风味物质。
Claims (7)
1.一种发酵过程多参数在线监测装置，包括发酵罐(1)、发酵状态监测系统(2)以及发酵产气微量成分监测系统(3)，其特征在于：
所述发酵罐(1)为一发酵容器，其内产生发酵气，发酵气经由发酵进样管路(12)，通过发酵气入口(4)进入发酵状态监测系统(2)；
发酵状态监测系统(2)为一个两端开口的中空密闭筒状结构，左端为发酵气入口、右端为发酵气出口，于发酵状态监测系统(2)内从左至右依次设置有氧气传感器(8)、二氧化碳传感器(9)、检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器(10)以及检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器(11)，实现氧气浓度、二氧化碳浓度以及发酵气流量的发酵状态实时在线监测；
进一步，所述发酵气通过发酵气出口(7)经由发酵管路(13)进入发酵产气微量成分监测系统(3)，实现发酵产气中醛、酮、醇、醚、酯等中的一种或二种以上微量成分实时在线监测；
所述发酵状态监测系统(2)中氧气传感器(8)、二氧化碳传感器(9)、检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器(10)、检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器(11)以及发酵产气微量成分监测系统(3)与电脑(14)信号相连，所监测得到的氧气浓度、二氧化碳浓度、发酵产气流速以及发酵产气中各类微量成分浓度含量在电脑(14)实时显示。
2.根据权利要求1所述发酵过程多参数在线监测装置，其特征在于：
所述发酵产气微量成分监测系统(3)为飞行时间质谱仪、气相色谱-质谱联用仪或者集束毛细管柱-质谱联用仪。
3.根据权利要求1所述发酵过程多参数在线监测装置，其特征在于：
所述发酵进样管路(12)为单通道或多通道管路，多通道管路中的每个通道均分别与不同的发酵罐上端相连，通过阀切换可实现不同发酵装置之间的快速切换与实时监测。
4.根据权利要求1所述发酵过程多参数在线监测装置，其特征在于：
所述发酵状态监测系统(2)内部沿气体流动方向依次设置有中部带通孔的分压挡板A(15)以及中部带通孔的分压挡板B(16)，分压挡板A(15)中心位置设置有通孔A(5)，分压挡板B(16)中心位置设置有通孔B(6)；分压挡板A(15)以及分压挡板B(16)的四周边缘分别与筒体侧壁面密切连接，将筒体分隔成三个区域；
所述发酵气入口(4)、通孔A(5)、通孔B(6)以及发酵气出口(7)同轴平行设置；
所述检测体积流量为0～3升/分钟的压差式传感器(10)的测量接口分别设置于分压挡板A(15)两端；
所述检测体积流量为3～20升/分钟的压差式传感器(11)的测量接口分别设置于分压挡板B(16)两端。
5.根据权利要求1或4所述发酵过程多参数在线监测装置，其特征在于：
所述发酵状态监测系统(2)为中空圆筒，内径为5～15mm；
所述发酵进样管路(12)、发酵管路(13)、发酵气入口(4)、发酵气出口(7)内径为5～12mm。
6.根据权利要求1或4所述发酵过程多参数在线监测装置，其特征在于：
所述分压挡板A(15)中心通孔A(5)内径为0.5～4mm；
所述分压挡板B(16)中心通孔B(6)内径为1～5mm；
所述分压挡板A(15)与发酵气入口(4)之间的距离设置为10～60mm；
所述分压挡板B(16)与分压挡板A(15)之间的距离设置为50～160mm；
所述发酵气出口(7)与分压挡板B(16)之间的距离设置为10～50mm。
7.根据权利要求1所述发酵过程多参数在线监测装置，其特征在于：
所述发酵过程包括酒精发酵、维生素发酵、有机酸发酵、抗生素发酵以及氨基酸发酵等中的一种或二种以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210611 |