TWI422677B - 發酵槽光電感測方法及裝置 - Google Patents

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Chi Jo Wang
Jenq Ruey Horng
Chih Chieh Kang
Chih Kuo Liang
Shun Lai Li
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Univ Southern Taiwan
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Description

發酵槽光電感測方法及裝置
本發明係有關於一種發酵槽光電感測方法及裝置，特別是指在發酵槽內感測發酵物之中間代謝產物的激發螢光強度，用以判斷發酵程度的方法，以及執行該方法的發酵槽裝置。
微生物的發酵作用可以生產許多高經濟價值產品，但是發酵作用取決於許多控制因子，例如不同的溼度、不同的溫度或者是不同發酵時間，所生產之發酵產品的品質皆不相同，因此在發酵過程中，為了確保發酵品質，需要隨時監測一些關鍵的參數變化，以利隨時調整控制參數。
Pascal Guenneugues等人提出「Application of NADH fluorosensor for on-line biomass measurements in yeast fermentation on whey substrates」揭露一種利用生物光電感測器監測發酵物發酵過程之應用。
但是利用生物光電感測器監測發酵過程需要將探針伸入發酵槽中，探針會直接接觸發酵物，而對於藥物發酵而言，若重複使用曾監測過不同發酵物之探針，殘留在探針上的不同化學發酵物或清潔劑可能會污染該藥物發酵物，導致藥物發酵物發酵失敗，但礙於現有的生物光電感測器價格昂貴，無法達到即用即拋之功效，因此只能利用清潔劑儘可能將探針上的殘留發酵物去除；另外，現有光電感測器之設計無法監測發酵物於不同位置的發酵程度，精確 性稍嫌不足。
爰此，有鑑於現有的發酵生物光電感測器昂貴，又無法配合即用即拋生物反應器之周邊器材僅供單次使用的特性，本發明提出一種發酵槽光電感測方法，步驟包括： A.由一個以上之發光源在一發酵槽本體內朝一發酵物發出一個以上波長之入射光；B.該發酵物之一個以上中間代謝產物吸收前述入射光，而激發出一個以上波長之螢光；C.再由一個以上之感測器對應接收前述螢光，並將所接收螢光之強度轉換為電訊號而輸出至一處理單元；D.該處理單元於接收前述電訊號後，依據前述螢光之強度判斷該發酵物之發酵程度。
進一步，步驟A係包含複數個發光源朝該發酵物之不同位置處發出前述入射光。
進一步，前述不同位置係指該發酵物之不同垂直座標位置處或不同水平座標位置處。
進一步，前述發光源發射波長為329奈米至403奈米之紫外光，該發酵物之中間代謝產物則為NADH，NADH吸收紫外光後激發出波長為405奈米至495奈米之螢光，或者前述發光源發射波長為387奈米至473奈米之藍光，該發酵物之中間代謝產物則為FAD，FAD吸收藍光後激發出波長為468奈米至572奈米之螢光，亦或者前述發光源發射波長為330奈米至350奈米之紫外光，該發酵物之中間代謝產物則為生物鹼，生物鹼吸收紫外光後激發出波長為430 奈米至480奈米之螢光。
進一步，步驟C之感測器係透過有線傳輸或無線傳輸方式將前述電訊號輸出至該處理單元。
本發明亦為一種發酵槽光電感測裝置，包括：一發酵槽本體；一個以上之發光源，置入該發酵槽本體內；一個以上之感測器，置入該發酵槽本體內，並對應前述一個以上之發光源；一處理單元，訊號連結前述感測器。
進一步，前述發光源及感測器係置入該發酵槽本體內之不同位置處。
進一步，該發酵槽本體內之不同位置係指該發酵槽本體內不同垂直座標位置或不同水平座標位置。
進一步，有一攪拌單元伸入該發酵槽本體中，該攪拌單元包含有一馬達及一轉軸連接該馬達，該轉軸上則包含有設置在該轉軸不同位置之複數個葉片，前述發光源及感測器係結合在前述葉片上。
進一步，前述發光源及感測器係封裝在一殼體上，且前述感測器係以一訊號線或以一無線傳輸接收單元訊號連接該處理單元。
本發明具有下列功效：使用價格便宜的發光二極體作為發光源，可以結合感測器封裝後置入發酵槽本體內任意位置，藉以得知發酵槽本體內各位置之發酵物發酵程度，使得感測發酵程度之方式更為精準，而其平價的特性則可以做到即用即拋，不會 因為混用在不同發酵物中造成有發酵物污染的問題。
本發明之發酵槽光電感測方法及裝置的主要功效可在下述實施例清楚呈現。
請參閱第一圖所示，本實施例之裝置包括：一發酵槽本體(1)，以及一攪拌單元(2)伸入該發酵槽本體(1)中，該發酵槽本體(1)之內壁有複數個擋片(11)間隔設置，該攪拌單元(2)包含有一馬達(21)及一轉軸(22)連接該馬達(21)，該轉軸(22)上則包含有設置在該轉軸(22)不同位置之複數個葉片(221)；一LED發光源(3)及一感測器(4)相對應封裝在一殼體(5)上，並將複數個殼體(5)結合在前述葉片(221)上，使前述殼體(5)能夠分佈在該發酵槽本體(1)內之不同垂直座標位置或不同水平座標位置處；一處理單元(6)，以一無線接收單元(61)訊號連結前述感測器(4)之一無線傳輸單元(41)，但不限於無線傳輸接收方式，前述感測器(4)及處理單元(6)之間亦可以採用訊號線連接。
請參閱第二圖，進一步說明本發明裝置之實施方法，步驟如下：
A.將一發酵物(A)置入該發酵槽本體(1)內，由前述發光源(3)朝該發酵物(A)之不同垂直座標位置或不同水平座標位置處分別發射波長為329奈米至403奈米之紫外光、波長為330奈米至350奈米之紫外光及波長為387奈米至473奈米之藍光；另外，該發酵物(A)則可以輔以 前述攪拌單元(2)作動，使該轉軸(22)上的葉片(221)得以緩慢攪拌該發酵物(A)而混入空氣，配合該發酵槽本體(1)內的擋片(11)而加速發酵進行。
B.該發酵物(A)在發酵過程中會產生FAD、NADH及生物鹼等中間代謝產物，NADH在吸收329奈米至403奈米紫外光後會激發出波長為405奈米至495奈米之螢光，FAD吸收藍光後則激發出波長為468奈米至572奈米之螢光，生物鹼吸收波長為330奈米至350奈米紫外光後激發出波長為430奈米至480奈米之螢光。
C.前述感測器(4)對應接收前述螢光，並將所接收螢光之強度轉換為電訊號，藉由前述無線傳輸單元(41)將該電訊號輸出，並由該處理單元(6)之無線接收單元(61)接收該電訊號。
D.該處理單元(6)在接收前述電訊號後，依據前述螢光之強度即可得知該發酵物(A)中的FAD、NADH及生物鹼含量，並可據以判斷該發酵物(A)之發酵程度。
另外，由於前述殼體(5)混入該發酵物(A)內不同位置，因此可以偵測得知該發酵物(A)不同位置的發酵程度，使得感測發酵程度之方式更為精準，同時本發明使用價格便宜的發光二極體作為發光源(3)，其平價的特性可以做到即用即拋，不會因為混用在不同發酵物(A)中造成有發酵物(A)污染的問題。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為 本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)‧‧‧發酵槽本體
(11)‧‧‧擋片
(2)‧‧‧攪拌單元
(21)‧‧‧馬達
(22)‧‧‧轉軸
(221)‧‧‧葉片
(3)‧‧‧發光源
(4)‧‧‧感測器
(41)‧‧‧無線傳輸單元
(5)‧‧‧殼體
(6)‧‧‧處理單元
(61)‧‧‧無線接收單元
(A)‧‧‧發酵物
第一圖係為本發明裝置之示意圖。
第二圖係為本發明之流程圖。
第三圖係為本發明之使用狀態示意圖。
(1)‧‧‧發酵槽本體
(11)‧‧‧擋片
(2)‧‧‧攪拌單元
(21)‧‧‧馬達
(22)‧‧‧轉軸
(221)‧‧‧葉片
(3)‧‧‧發光源
(4)‧‧‧感測器
(41)‧‧‧無線傳輸單元
(5)‧‧‧殼體

Claims (9)

  1. 一種發酵槽光電感測方法，步驟包括：A.由一個以上之發光源在一發酵槽本體內朝一發酵物發射一波長為330奈米至350奈米之紫外光；B.該發酵物代謝產生之一生物鹼吸收前述紫外光，而激發出一波長為430奈米至480奈米之螢光；C.再由一個以上之感測器對應接收前述螢光，並將所接收螢光之強度轉換為電訊號而輸出至一處理單元；D.該處理單元於接收前述電訊號後，依據前述螢光之強度判斷該發酵物之發酵程度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之發酵槽光電感測方法，其中步驟A係包含複數個發光源朝該發酵物之不同位置處發出前述入射光。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之發酵槽光電感測方法，其中前述不同位置包含該發酵物之不同垂直座標位置處或不同水平座標位置處。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之發酵槽光電感測方法，其中步驟C之感測器係透過有線傳輸或無線傳輸方式將前述電訊號輸出至該處理單元。
  5. 一種發酵槽光電感測裝置，包括：一發酵槽本體；一個以上之發光源，置入該發酵槽本體內，前述發光源用以發射一波長為330奈米至350奈米之紫外光；一個以上之感測器，置入該發酵槽本體內，並對應前述一 個以上之發光源，且前述感測器用以感測一波長為430奈米至480奈米之螢光；一處理單元，訊號連結前述感測器。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之發酵槽光電感測裝置，其中前述發光源及感測器係置入該發酵槽本體內之不同位置處。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之發酵槽光電感測裝置，其中該發酵槽本體內之不同位置係指該發酵槽本體內不同垂直座標位置或不同水平座標位置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之發酵槽光電感測裝置，進一步有一攪拌單元伸入該發酵槽本體中，該攪拌單元包含有一馬達及一轉軸連接該馬達，該轉軸上則包含有設置在該轉軸不同位置之複數個葉片，前述發光源及感測器係結合在前述葉片上。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之發酵槽光電感測裝置，其中前述發光源及感測器係封裝在一殼體上，且前述感測器係以一訊號線或以一無線傳輸接收單元訊號連接該處理單元。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006010252A1 (en) * 2004-07-27 2006-02-02 National Research Council Of Canada Multi-wavelength fluorometric system for on-line monitoring of bioprocesses

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2006010252A1 (en) * 2004-07-27 2006-02-02 National Research Council Of Canada Multi-wavelength fluorometric system for on-line monitoring of bioprocesses

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bogomolov Andrey et al., "In-line monitoring of Saccharomyces cerevisiae fermentation with a fluorescence probe: new approaches to data collection and analysis", JOURNAL OF CHEMOMETRICS, vol.25, no.7, p.389-399, 2011/02/01 *

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