CN206891956U - 一种发酵液中3‑羟基丁酮含量的在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种发酵液中3‑羟基丁酮含量的在线检测系统，属于发酵产物在线检测领域，该系统具有可自动化、线性检测结果稳定、准确度高、可在线连续实时检测发酵液中3‑羟基丁酮含量等优点。该在线检测系统包括：采集稀释单元、在线混合单元、在线反应单元和在线检测单元。本实用新型所提供的在线检测系统能够应用于发酵液中3‑羟基丁酮含量的准确在线检测中。

Description

一种发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统

技术领域

本实用新型属于发酵产物在线检测领域，尤其涉及一种发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统。

背景技术

3-羟基丁酮具有令人愉悦的酸奶样香气和奶油脂香的味道，是一种重要的香料和食品风味物质，广泛应用于食品、香烟、化妆品、化学合成等行业。相比化学合成法和生物酶转化法，微生物法发酵生产3-羟基丁酮具有成本低、纯度高、条件温和等特点，得到了广泛重视，成为研究热点。

微生物发酵液中3-羟基丁酮的检测目前多使用气相色谱法、液相色谱法和肌酸比色法。这三种方法的精确度和准确度都较好，但是气相色谱法和液相色谱法要求高精密设备、检测速度慢、不适合大批量样品的检测。肌酸比色法的原理是在碱性环境中，3-羟基丁酮可与肌酸的胍基反应生成红色化合物，α-萘酚可以促进并加速红色化合物生成。该红色化合物在500-600nm具有光吸收，在一定浓度范围内，其吸光度与3-羟基丁酮的浓度成正比。因此肌酸比色法目前应用较广，可以简单、准确地完成3-羟基丁酮的浓度检测。

随着发酵技术的不断进步，发酵过程的自动化要求也越来越高。然而，由于生物发酵过程机理复杂，具有高度的非线性、时变性，一些关键参数如底物浓度、产物浓度等难以实现在线检测，这就使得先进的优化控制算法和策略难以实施。目前发酵液中3-羟基丁酮含量的检测均为离线检测，但离线检测方法存在检测速度慢、操作复杂，无法批量、实时检测等缺点，在工业应用中具有极大的限制性，急需改善提高，以适应生产的需求。

实用新型内容

本实用新型提供一种发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统，该系统具有可自动化、在线检测结果稳定、准确度高、可在线连续实时检测发酵液中3-羟基丁酮含量等优点。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统，包括：

采集稀释单元，所述采集稀释单元用于对发酵液进行稀释；

在线混合单元，所述在线混合单元与所述采集稀释单元相连通，用于接收稀释后的发酵液，并将稀释后的发酵液与显色剂进行混合，所述显色剂为含有10g/Lα-萘酚和1g/L肌酸的1mol/L氢氧化钠溶液；

在线反应单元，所述在线反应单元与所述在线混合单元相连通，用于将混合后的溶液通入聚四氟乙烯管中进行充分反应；和

在线检测单元，所述在线检测单元与所述在线反应单元相连通，用于对充分反应后的溶液在522nm波长下进行吸光度检测，得到发酵液中的3-羟基丁酮含量。

作为优选技术方案，所述采集稀释单元包括稀释管和与所述稀释管相连通的分流管，所述稀释管包括用于接收发酵液的发酵液进口、用于接收自来水的自来水进口和用于将自来水稀释后的发酵液送至所述分流管的第一样品出口。

作为优选技术方案，所述分流管包括用于接收稀释后的发酵液的样品接收口、用于排出多余的稀释后的发酵液的样品排出口和用于将参与反应的稀释后的发酵液送入所述在线混合单元的第二样品出口。

作为优选技术方案，所述在线混合单元包括混合槽和微型多孔混合器，参与反应的稀释后的发酵液与显色剂经由所述混合槽混合后进入所述微型多孔混合器中进行充分混合。

作为优选技术方案，所述微型多孔混合器为内径10mm、长10cm的有机玻璃管，所述有机玻璃管内部填充有细小铁丝。

作为优选技术方案，所述在线反应单元还包括一圆柱体，所述聚四氟乙烯管缠绕在所述圆柱体上。

作为优选技术方案，所述在线检测单元包括流动比色皿和分光光度计，充分反应后的溶液送入到所述流动比色皿后，经所述分光光度计进行吸光度检测。

作为优选技术方案，所述在线检测单元还包括用于将检测后的溶液排出系统的第三样品出口。

与现有技术相比，本实用新型的优点和积极效果在于：

本实用新型实施例所提供的在线检测系统包括依次相连的采集稀释单元、在线混合单元、在线反应单元和在线检测单元，全程实现可自动化在线检测，克服了现有技术中发酵液中的关键参数无法实现在线检测、操作复杂等缺陷。经试验验证，该在线检测系统具有在线检测结果稳定、准确度高、可在线连续实时检测发酵液中3-羟基丁酮含量等优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例所提供的在线检测系统的结构示意图；

上图中的附图标记所示为：1-发酵罐，2-蠕动泵，3-水箱，4-稀释管，5-样品排出口，6-分流管，7-混合槽，8-显色瓶，9-微型多孔混合器，10-聚四氟乙烯管，11-流动比色皿，12-第三样品出口，13-分光光度计。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例提供了一种发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统，如图1所示，包括：

采集稀释单元，采集稀释单元用于对发酵液进行稀释；

在线混合单元，在线混合单元与采集稀释单元相连通，用于接收稀释后的发酵液，并将稀释后的发酵液与显色剂进行混合，显色剂为含有10g/Lα-萘酚和1g/L肌酸的1mol/L氢氧化钠溶液；

在线反应单元，在线反应单元与在线混合单元相连通，用于将混合后的溶液通入聚四氟乙烯管中进行充分反应；和

在线检测单元，在线检测单元与在线反应单元相连通，用于对充分反应后的溶液在522nm波长下进行吸光度检测，得到发酵液中的3-羟基丁酮含量。

在上述结构中，采集稀释单元包括稀释管4和与稀释管4相连通的分流管6，稀释管4包括用于接收发酵液的发酵液进口、用于接收自来水的自来水进口和用于将自来水稀释后的发酵液送至分流管6的第一样品出口。其中，发酵液存储在发酵罐1中，经由蠕动泵2以恒定速率送入稀释管4中，自来水存储在水箱3中，经由蠕动泵2以恒定速率送入稀释管4中对发酵液进行稀释。需说明的是，本实施例中所涉及的蠕动泵的结构、功能均是相同的，因此采用相同的附图标记进行标示，下同。

发酵液在经自来水按比例稀释后，经由稀释管4的第一样品出口送入分流管6中。由于经由第一样品出口送至分流管6中的发酵液体积相对于实际参与反应的发酵液体积是较多的，因此，根据需要，需将多余的稀释后的发酵液排出系统外，然后将实际参与反应的发酵液体积送入后续单元中。因此，分流管6包括用于接收稀释后的发酵液的样品接收口、用于排出多余的稀释后的发酵液的样品排出口5和用于将参与反应的稀释后的发酵液送入在线混合单元的第二样品出口。

经第二样品出口送出的发酵液在蠕动泵2作用下以恒定速率进入混合槽7，在混合槽7中，发酵液与显色剂相混合。需说明的是，该显色剂在使用之前存储在显色瓶8中，在线混合时，显色剂经由蠕动泵2泵入混合槽7中与发酵液进行混合，然后再进入微型多孔混合器9中进行充分混合。这里需要说明的是，微型多孔混合器9为内径10mm、长10cm的有机玻璃管，该有机玻璃管内部填充有细小铁丝，通过这些细小铁丝可形成稀疏的孔道，从而有利于稀释后的发酵液与显色剂在微型多孔混合器9内混合均匀。

混合均匀后的上述溶液随后进入缠绕在圆柱体上的聚四氟乙烯管10中。需要说明的是，由于混合后的溶液需要进一步反应30分钟，因此其在聚四氟乙烯管10中停留的时间较长，为了节省反应容器的占地体积，在上述结构中优选将聚四氟乙烯管10缠绕在圆柱体上，以在节省体积的基础上确保溶液充分反应。

充分反应后的溶液经由聚四氟乙烯管10的出口送入到在线检测单元中，在线检测单元中包括流动比色皿11和分光光度计13，充分反应后的溶液送入到流动比色皿11后，经分光光度计13在522nm波长下进行吸光度检测，从而得到发酵液中的3-羟基丁酮含量。经检测后，该溶液通过在线检测单元的第三样品出口12排出系统，随后，下一批待检测样品重复上述完整步骤进入到系统内进行检测。

利用上述所提供的在线检测系统对发酵液中3-羟基丁酮含量测定的具体方法包括：

所述采集稀释单元包括稀释管4和分流管6，发酵罐1中的发酵液经过蠕动泵2进入稀释管4，同时水箱3中的自来水经蠕动泵2进入稀释管4，自来水与发酵液的流量比设为90:1-3440:1，充分混匀后完成发酵液的稀释，稀释后的发酵液进入分流管6，然后一部分定量送入在线混合单元，一部分多余的稀释后的发酵液经由样品排出口5排出系统。

稀释后的发酵液以流量为0.20mL/min的流速经蠕动泵2送至混合槽7，同时，显色瓶8内的显色剂(含有10g/Lα-萘酚和1g/L肌酸的1mol/L氢氧化钠溶液)以流量为0.60mL/min的流速经蠕动泵2送至混合槽7内，与稀释后的发酵液混合进入微型多孔混合器9内。微型多孔混合器9为内径10mm、长10cm的有机玻璃管，其内部填充细小铁丝，形成稀疏的孔道，以使稀释后的发酵液与显色剂混合均匀后以0.80mL/min的流速进入到在线反应单元中的聚四氟乙烯管10内，在聚四氟乙烯管10中停留30min后送入到在线检测单元中的流动比色皿11中，经分光光度计13在522nm波长检测吸光度后，由第三样品出口12排出系统。

为了更清楚详细地介绍本实用新型实施例所提供的发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统，下面将结合具体实施例进行描述。

实施例1

配制不同浓度3-羟基丁酮溶液，测定本实用新型所提供的在线检测系统在线检测3-羟基丁酮含量的标准曲线。配制0.05-2g/L的3-羟基丁酮溶液，按上述方法使用本实用新型所提供的在线检测系统测定产物吸光度，其中3-羟基丁酮溶液与自来水的稀释比例为1:90；配制1-30g/L的3-羟基丁酮溶液，按上述方法使用本实用新型所提供的在线检测系统测定产物吸光度，其中3-羟基丁酮溶液与自来水的稀释比例为1:2390；配制30-110g/L的3-羟基丁酮溶液，按上述方法使用本实用新型所提供的在线检测系统测定产物吸光度，其中3-羟基丁酮溶液与自来水的稀释比例为1:3440。通过以上实验测得本实用新型系统中参与反应的稀释后的3-羟基丁酮浓度x与吸光度y的标准曲线方程为：y＝45.2000x+0.1367，R²＝0.9969。

实施例2

配制不同浓度的3-羟基丁酮溶液，利用肌酸比色法测定产物吸光度，测定离线条件下3-羟基丁酮含量的标准曲线。配制浓度为0.05-110g/L的3-羟基丁酮溶液，进行适当稀释后，稀释液与含有10g/Lα-萘酚和1g/L肌酸的1mol/L氢氧化钠溶液按照1:3混合后，37℃水浴30min，使用分光光度计在522nm测定产物吸光度。通过以上实验测得参与反应的稀释后的3-羟基丁酮浓度x与吸光度y的标准曲线方程为：y＝50.8410x+0.1354，R²＝0.9964。

实施例3

配制1g/L的3-羟基丁酮溶液，经过本实用新型所提供的在线检测系统的蠕动泵2以0.134mL/min的流量进入稀释管4，同时水箱3中的自来水经蠕动泵2以12mL/min的流量进入稀释管4，充分混匀，按照上述方法所述进行测定，产物吸光度为0.673。根据在线检测标准曲线方程和稀释倍数，计算获得3-羟基丁酮浓度为1.06g/L。1g/L的3-羟基丁酮溶液稀释89.55倍后，在离线条件下采用肌酸比色法进行测定，产物吸光度为0.706。根据离线检测标准曲线方程和稀释倍数，计算获得3-羟基丁酮浓度为1.01g/L。

由上述实施例可说明本实用新型所提供的系统在线检测到的结果与离线检测到的结果误差极小，具有准确度高、结果稳定等优点。

Claims (8)

1.一种发酵液中3-羟基丁酮含量的在线检测系统，其特征在于，包括：

采集稀释单元，所述采集稀释单元用于对发酵液进行稀释；

在线混合单元，所述在线混合单元与所述采集稀释单元相连通，用于接收稀释后的发酵液，并将稀释后的发酵液与显色剂进行混合，所述显色剂为含有10g/Lα-萘酚和1g/L肌酸的1mol/L氢氧化钠溶液；

在线反应单元，所述在线反应单元与所述在线混合单元相连通，用于将混合后的溶液通入聚四氟乙烯管中进行充分反应；和

在线检测单元，所述在线检测单元与所述在线反应单元相连通，用于对充分反应后的溶液在522nm波长下进行吸光度检测，得到发酵液中的3-羟基丁酮含量。

2.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，所述采集稀释单元包括稀释管和与所述稀释管相连通的分流管，所述稀释管包括用于接收发酵液的发酵液进口、用于接收自来水的自来水进口和用于将自来水稀释后的发酵液送至所述分流管的第一样品出口。

3.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于，所述分流管包括用于接收稀释后的发酵液的样品接收口、用于排出多余的稀释后的发酵液的样品排出口和用于将参与反应的稀释后的发酵液送入所述在线混合单元的第二样品出口。

4.根据权利要求3所述的在线检测系统，其特征在于，所述在线混合单元包括混合槽和微型多孔混合器，参与反应的稀释后的发酵液与显色剂经由所述混合槽混合后进入所述微型多孔混合器中进行充分混合。

5.根据权利要求4所述的在线检测系统，其特征在于，所述微型多孔混合器为内径10mm、长10cm的有机玻璃管，所述有机玻璃管内部填充有细小铁丝。

6.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，所述在线反应单元还包括一圆柱体，所述聚四氟乙烯管缠绕在所述圆柱体上。

7.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于，所述在线检测单元包括流动比色皿和分光光度计，充分反应后的溶液送入到所述流动比色皿后，经所述分光光度计进行吸光度检测。

8.根据权利要求7所述的在线检测系统，其特征在于，所述在线检测单元还包括用于将检测后的溶液排出系统的第三样品出口。