一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法
2023-07-25 09:04:41
專利名稱：一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法
技術領域：
本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法，涉及計算機、 精密測量、自動控制、精密機械、生物反應器、發酵工程、分析化學領域。本發明主要解決氣敏傳感器陣列工作室精密恆溫、發酵尾氣精密自動採樣、嗅覺模擬儀器設計及其與發酵罐的連接和通訊、生物發酵過程在線檢測和遠程傳輸與可視化、生物發酵過程狀態預測、控制與優化問題。
背景技術：
現代發酵工程是基因工程、酶工程、細胞工程實現產業化的橋梁，基於計算機和現代控制理論的生物發酵過程在線檢測、控制與優化技術是提高目標產物濃度、生產效率和原料轉化率的發酵工程關鍵技術。生物發酵過程優化控制的理想目標是通過過程最優化以期達到生產能力最大化。 生物發酵過程影響因素錯綜複雜，實驗數據重複性較差，難以用確定的數學模型來描述，是一個非線性隨機動態過程。誠然，發酵過程的數據存儲和顯示是重要的，然而，更為重要的是發酵過程的在線檢測、實時動態控制、預測與優化。例如，在深入理解影響穀氨酸發酵主要因素的基礎上，結合經驗方程，我們可以建立穀氨酸發酵過程的各類數學模型，以描述發酵過程菌體生長和產物生成規律，設計完整的過程檢測和控制系統，根據直接或間接測試的發酵液和發酵尾氣數據，對溶解氧(DO)濃度、pH值、通氣量、發酵溫度、罐壓、尾氣O2和 CO2濃度、補料方式與時機等參數進行檢測和預測，綜合分析微生物生長和代謝情況，及時改變控制策略，調整外部環境，以利於菌體生長和產物合成過程的優化。發酵過程在線檢測、控制與優化的目的是以較為經濟的方式利用微生物獲得高附加值的產品。優良菌種選育與改良、培養基和補料工藝優化、生產條件控制與優化是達到這一目標的一個方面；近年來，人們更多地將目標集中在生物發酵過程技術參數在線檢測、建模和自動化控制、生物發酵過程儀器化等更高的層次和方面。其中，面向酵母菌、胺基酸、檸檬酸、啤酒、青黴素髮酵過程的計算機控制與優化系統，尤其是發酵過程溫度、葡萄糖流加補料控制與優化系統已獲得實際應用，取得了良好的經濟效益。在酵母菌培養中，人們通過控制流加速率來保持培養基中合適的葡萄糖濃度，達到了提高酵母菌體產量的效果。在青黴素髮酵中，一些研究者構建了流加補料工藝的計算機控制系統，取得了較好的效果。華東理工大學張嗣良教授提出基於細胞代謝流的生物反應工程分析與控制方法，發明了發酵過程多水平、多參數優化控制技術，設計了一種新概念生物反應器，通過物料流檢測和過程優化與放大，大幅度提高了青黴素、紅黴素、金黴素、肌苷、鳥苷、重組人血清白蛋白等產品的發酵水平。生物發酵過程的好壞完全取決於良好生產環境的創造、控制和優化，主要是發酵過程各種參數的在線檢測與調整。目前，生物發酵過程主要檢測和控制參數包括DO值、pH 值、溫度、攪拌速率、空氣流量、罐壓、液位、黏度、溶解CO2、補料速度、補料量、尾氣O2、尾氣 CO2、呼吸商(RQ)、菌體濃度等。其中，DO值和pH值這2個參數可能是最重要和最廣泛使用的。理論分析指出，通過控制酸鹼或碳源物質的流加速率和流加量可以調節PH值；而溶解氧的調節主要通過改變通氣量、攪拌速度、罐壓、通氣成分(純氧或富氧)、碳與氮(主要是葡萄糖和氨水)補加量等參數來實現。發酵尾氣在線檢測與分析十分重要。尾氣&和(X)2含量常用順磁氧分析儀和紅外 CO2分析儀分別進行測量。隨著計算機技術和傳感器技術的快速發展，雷射濁度計、流動注射式分析儀、生物傳感器、高效液相色譜等可實現對基質濃度、菌體活度與濃度、產物濃度等參數的在線檢測，一些裝置和儀器已實現商業化生產，但存在無法耐受高溫、高壓、可靠性低、穩定性差等問題，目前僅應用於實驗室和中試規模。質譜儀是一種典型的尾氣分析儀器，近年來廣泛用於快速測量尾氣多種組分。從原理上，質譜儀能夠在線檢測尾氣02、CO2和其他一些成分。配有毛細管和膜裝置的質譜儀與計算機數據處理系統相連接，通過對多種氣體的在線檢測，可同時對多個發酵罐進行在線檢測與分析。質譜分析方法主要缺點是，(1)儀器價格十分昂貴。例如，美國產MAX300-LG 質譜儀單價100萬元以上，難以大規模推廣；( 對揮發性成分靈敏度不夠高，難以實現多種成分同時在線分析。事實上，質譜儀目前主要用於尾氣A和(X)2的在線檢測。嗅覺模擬方法與儀器利用性能重疊的多個氣敏傳感器組成陣列，能快速對氣味質量進行定性定量分析，引起人們高度重視。例如，我們可以依據嗅覺模擬儀器對氣味的測量數據來確定呈香物質類別、強度、質量等級、真假、新鮮程度、控制生產過程、調整產品配方和工藝，等等。2000年之前，嗅覺模擬研究主要集中在簡單成分氣體識別與濃度估計上； 今天，研究對象拓展到複雜氣味整體特徵定性定量分析上，例如，香料香精、茶、酒的質量評定；水果成熟度判定；水產品和肉製品新鮮程度確定；環境空氣與水汙染監測；戰爭毒氣檢測測；疾病診斷；乃至細菌和血液氣味；等等。時至今日，我們能找出絕對沒有氣味的物質嗎？隨著材料科學和精密製造工藝的進步，以SnA為代表的金屬氧化物半導體型氣敏傳感器的靈敏度已達1. OX 10_9V/V (l.Oppb)，常用範圍為1. 0 lOOOOppm。嗅覺模擬研究的一個發展趨勢是，在單個氣敏器件具有必要靈敏度和選擇性的前提下，用響應範圍較寬且性能重疊的多個氣敏傳感器組成陣列，著重利用數據分析方法來提高儀器的選擇性，用內部工作條件的精密控制來實現儀器的重複性與長期穩定性，並依據氣敏傳感器陣列對氣體產生的多維響應信號得到氣體類別、強度、關鍵成分濃度等分析結果。這些研究內容涉及精密機械、精密測量與控制、計算機、應用數學、分析化學、以及發酵工程等具體應用領域， 具有重要的理論意義和實用價值。嗅覺模擬儀器應用前景廣闊，但目前的能力還相當有限。嗅覺模擬有關文獻與專利檢索結果如下(1)文獻。1990年以前只有60多篇，到2000年為500多篇，現在已達4000 餘篇，說明嗅覺模擬研究近幾年廣泛展開。( 專利。100多項國際專利和20幾項國內專利大多是近幾年申請或授權的，顯示國內外已開始重視嗅覺模擬領域智慧財產權保護。(3)技術標準。通過對IHS國際標準資料庫進行檢索，未發現與嗅覺模擬有關的產品技術標準。浙江大學、大連理工大學、華中科技大學等國內單位近幾年開展了這方面的研究。然而，截止到現在，國內發表的嗅覺模擬相關論文300餘篇，其中發表在國際知名雜誌上不到100篇。 上述結果說明，嗅覺模擬理論與應用研究亟待深入。經對ISI和EI兩個資料庫查詢，尚未發現嗅覺模擬方法應用於發酵過程在線檢測與分析的文獻。
嗅覺模擬儀器的核心-氣敏傳感器陣列對醇、酯、酸、醛、酮、烴、烯等有機揮發氣和CO、NH3、O2等無機氣體具有很高的靈敏度。SnA半導體型氣敏傳感器對被測氣體，例如發酵尾氣，從開始接觸到達到穩定狀態的響應時間小於10秒，不需要二次儀表放大，直接以0 IOV或0 5V電壓信號輸出，這對生物發酵過程在線檢測來說是很有吸引力的。嗅覺模擬方法通過對發酵尾氣中02、NH3, CO2和眾多微量有機成分的在線檢測，藉助於計算機和數據分析方法，來確定發酵尾氣成分與濃度，進而對底物濃度、菌體活度與濃度、產物濃度和發酵液DO、pH值、RQ等參數進行預測與優化。外因是變化的條件，內因是變化的根據。依據發酵動力學原理對發酵過程進行控制和優化，必須掌握微生物生長狀態、基質和氧的需要率、以及各種發酵條件對菌體生長和產物合成過程的影響。隨著溫度升高，隨著攪拌速率、通氣量、罐壓和補料量增大，也隨著發酵過程持續，溶解氧、尾氣O2、尾氣NH3、尾氣CO2、菌體濃度等參數均將發生變化，具體體現在尾氣成分發生了變化。例如，微生物耗氧量增加，尾氣O2濃度就會相應降低；補氨量適當增加，尾氣NH3濃度就會相應增加；補糖量適當增加，尾氣乙醇、乳酸等成分濃度就會相應變化。從某種意義上講，PH值發生變化也會導致尾氣成分發生變化。總之，尾氣02、C02、NH3 等無機氣體和醇、酸、酯等有機揮發氣的變化意味著菌體生長狀態與生長環境、底物濃度、 產物合成過程發生了變化，據此，我們可以用嗅覺模擬方法對生物發酵過程進行在線檢測、 預測、控制與優化。這正是本申請項目的目的所在。為了將嗅覺模擬方法應用於生物發酵過程在線檢測與分析，本發明要解決的關鍵技術問題是(A)尾氣頂空精密採樣、氣敏傳感器陣列與嗅覺模擬儀器設計。尾氣中不僅含有02、CO2, NH3等無機成分，還含有乙醇、乳酸等有機代謝產物，後者往往是微量的，因此，氣敏傳感器陣列應由靈敏度足夠高、選擇性較好的多個氣敏元件所組成，單個氣敏傳感器壽命應足夠長。容量50升及以上發酵罐的尾氣量足夠多，這是有利條件，然而，一個發酵過程持續數天乃至數十天，氣敏傳感器長時間接觸尾氣會產生「麻痺」乃至「中毒」現象；發酵現場環境空氣往往不潔淨，加之環境溫溼度是變化的；因此，為了實現連續檢測，我們需要研究尾氣頂空精密自動採樣方法與裝置，實現一種宏觀連續、微觀離散的尾氣頂空採樣方式，確保多次頂空採樣的重複性，並確保氣敏傳感器陣列基線的長期一致性。嗅覺模擬儀器應像尾氣專用質譜儀一樣，操作方便，完全自動化。(B)發酵過程在線檢測、狀態預測與可視化。由於發酵過程時間長且尾氣多種有機成分含量甚微，從硬體方面，數據採集卡應有足夠的採樣精度和解析度；從軟體方面，為避免大量無用數據存儲導致硬碟空間佔用過多的現象，需要研究一種宏觀連續、微觀放大的數據記錄與在線顯示方法，實現數據動態局部放大顯示和遠程傳輸；發酵狀態可視化需要解決解決的問題包括單個氣敏傳感器響應可視化；氣敏傳感器陣列整體響應可視化；尾氣02、CO2, NH3、乙醇、乳酸等成分的可視化；底物、菌體與產物濃度的可視化。發酵狀態預測主要應提出有效的面向時間序列數據的非線性自回歸動力學模型、時延神經網絡預測模型、支持向量機預測模型，以實現對底物濃度、 菌體活度與濃度、產物濃度的在線預測。(C)發酵過程控制與優化。發酵的目的是以較為經濟的方式獲得高附加值產品。在建立發酵過程數學模型的基礎上，利用時間序列非線性自回歸動力學模型、時延神經網絡和支持向量機預測模型分別實現以DO、pH、RQ、底物濃度、菌體濃度、產物濃度為目標的發酵過程控制，優化補料速度
與補料量、通氣量、攪拌速度、罐壓等參數。本發明主要以胺基酸、抗生素、生物材料、工業酒精等發酵產品為應用背景，實現基於嗅覺模擬的生物發酵過程在線檢測與分析方法，主要包括面向發酵尾氣直接在線檢測的氣敏傳感器陣列精密恆溫和尾氣頂空精密採樣新方法與新裝置，由面向狀態預測的模塊化時變神經網絡和面向濃度估計的模塊化非時變神經網絡組成的集成模型及其在線學習算法與推廣能力，為發酵過程在線檢測、狀態預測、控制和優化提供新的分析儀器與方法。
發明內容
本發明是在現有發明專利《一種機器嗅覺裝置及其嗅覺模擬測試方法》(參見專利申請號02111046. 8)、《一種小型自動化機器嗅覺儀器與氣味分析方法》(申請號200710036 ^. 4)、《一種並-串聯模式識別方法及其在機器嗅覺中的應用》(申請號200710042607. 6)、《一種嗅覺模擬儀器與多種氣味定性定量分析方法》(申請號 2010101150 . 2，公開號CN 101806763A)的基礎上，為對生物發酵過程進行在線檢測、在線狀態預測、控制與優化、數據遠程傳輸、可視化與遠程監控而提出的一種嗅覺模擬儀器與在線分析方法。為了實現上述目的，本發明-一種嗅覺模擬儀器包括測試箱和計算機兩部分，發酵尾氣來自於生產單位的發酵罐，潔淨空氣由用戶自備。測試箱內設恆溫箱、微型真空泵、二位三通電磁閥103、二位二通電磁閥105，二位二通電磁閥107、二位二通電磁閥111、流量計、直流穩壓電源、驅動與控制電路、節流閥 106、節流閥110 ；恆溫箱包括氣敏傳感器陣列、氣敏傳感器陣列環形工作室、電阻加熱絲、 溫度傳感器、風扇、隔熱層；所述的氣敏傳感器陣列包括性能彼此重疊的16個氣敏傳感器。生物發酵過程的數據採集、顯示與分析由計算機主機、插在計算機主機內的數據採集卡和顯示器來實現。測試箱與計算機通過電纜相連接；測試箱通過氣體管道分別與被測發酵罐和潔淨空氣瓶相連接，測試箱與發酵罐的氣路中間設置一個容量為1500 2000ml的尾氣瓶以積蓄髮酵尾氣，以避免抽到真空；尾氣瓶為商用玻璃燒瓶，用戶自備；尾氣瓶瓶蓋上的兩個氣孔分別與發酵罐和測試箱相連結；潔淨空氣瓶內的潔淨空氣使氣敏傳感器陣列在對發酵尾氣進行測量前處於基準狀態。尾氣採樣時，在微型真空泵的抽吸作用下，積蓄在尾氣瓶內的發酵尾氣以600毫升/分鐘及以上的流量流經氣敏傳感器陣列，氣敏傳感器陣列由此產生敏感響應即16路模擬電壓信號；數據採集卡將這16路模擬電壓信號轉化成16路數位訊號，嗅覺模擬儀器據此對生物發酵過程進行在線分析、預測與優化。氣敏傳感器陣列環形工作室由傳感器座和傳感器蓋通過螺釘固定，並與2個0型密封圈一起形成封閉的環形內腔；傳感器座上沿Φ 120 Φ 160毫米的直徑等間隔設置18 個孔，包括16個7芯陶瓷插座安裝孔、1個進氣孔和1個出氣孔；進氣孔與出氣孔相鄰，中間由一塊隔板隔開；16個7芯陶瓷插座用無味粘合劑一一膠結在傳感器座的16個安裝孔內， 並通過導線與直流穩壓電源和驅動與控制電路相連接；16個氣敏傳感器直接插在16個7 芯陶瓷插座上，形成氣敏傳感器陣列；發酵尾氣從進氣孔進入氣敏傳感器陣列環形工作室，依次掠過16個氣敏傳感器，然後從出氣孔排出。氣敏傳感器陣列環形工作室的進氣孔與二位三通電磁閥103、氣敏傳感器陣列環形工作室的出氣孔與二位二通電磁閥105和111、二位二通電磁閥105與節流閥106和二位二通電磁閥107、節流閥106與流量計、微型真空泵與流量計和二位二通電磁閥107、二位二通電磁閥111與節流閥110、節流閥110與潔淨空氣瓶5，均通過氣路相連接。恆溫箱由電阻加熱絲加熱，風扇使箱內溫度均勻，隔熱層防止熱量散發，溫度傳感器檢測溫度變化；溫度調節範圍為50 60°C，恆溫精度為士0. 1°C，恆溫過程只制熱，不製冷。直流穩壓電源包括4路電壓，分別為5V、10V、12V和36V ；其中，5V為氣敏傳感器陣列的加熱電壓，IOV為氣敏傳感器陣列的工作電壓，12V為二位三通電磁閥103、3個二位二通電磁閥、微型真空泵、風扇的工作電壓，36V為電阻加熱絲的加熱電壓；5V和IOV為線性電源，12V和36V為開關電源。微型真空泵以連續方式工作；計算機通過數據採集卡和電纜控制二位三通電磁閥 103、二位二通電磁閥105、107和111的通電與斷電，以分別控制氣敏傳感器陣列環形工作室與發酵尾氣、潔淨空氣和環境空氣的通與斷，並在此基礎上，通過節流閥106與110控制氣體流量的大小。從氣體流量變化的角度看，一個完整的氣體採樣周期依次包括初步恢復225秒、 精確標定40秒、平衡5秒和尾氣採樣30秒共4個階段，持續300秒。尾氣採樣時，發酵尾氣被微型真空泵抽吸，以600毫升/分鐘及以上的流量依次流經二位三通電磁閥103、進氣孔、氣敏傳感器陣列環形工作室、出氣孔、二位二通電磁閥 105、節流閥106、流量計，然後被微型真空泵從廢氣出口排放到環境空氣中；尾氣採樣持續時間為30秒。精確標定時，潔淨空氣以600毫升/分鐘及以上的流量通過節流閥110和二位二通電磁閥111從出氣孔反向流入氣敏傳感器陣列環形工作室，並最終通過進氣孔和二位三通電磁閥103排出到環境空氣中，從而使氣敏傳感器陣列在多次尾氣採樣時處於同一基準狀態；精確標定持續時間為40秒。平衡時，所有電磁閥均處於斷開狀態，氣敏傳感器陣列環形工作室內的氣體處於靜止狀態，持續5秒。初步恢復時，在微型真空泵抽吸下，環境空氣以5000 6500毫升/分鐘的流量依次流經二位三通電磁閥103、進氣孔、氣敏傳感器陣列環形工作室、出氣孔、二位二通電磁閥 105、二位二通電磁閥107、然後被微型真空泵從廢氣出口排放到環境空氣中；環境空氣的作用，一是使氣敏傳感器陣列快速初步恢復到基準狀態；二是帶走16個氣敏傳感器同時工作時累積產生的熱量；三是衝走吸附在氣敏傳感器陣列環形工作室內壁上的氣味分子；初步恢復持續時間為225秒。在氣體採樣一個周期內，從平衡開始時刻起的60秒內，氣敏傳感器陣列響應電壓數據被記錄，即數據採集時間長度為60秒；數據採集卡用16位A/D轉換將氣敏傳感器陣列對發酵尾氣感知得到的16路模擬電壓信號轉換為16路數位訊號；1個氣敏傳感器在這60 秒數據採集時間內電壓響應的最大值和最小值最終被記錄並保存在計算機的數據文件中， 是嗅覺模擬儀器對生物發酵過程進行定性定量分析的依據。
用模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型對生物發酵過程進行定性定量分析；一個16維樣本是氣敏傳感器陣列在氣體採樣一個周期內對發酵尾氣的最大響應，即生物發酵過程當前狀態的數位化表示；模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡的結構均是單輸出單隱層的；一個時變神經網絡模塊代表一個氣敏傳感器， 負責預測該氣敏傳感器下一時刻的響應；多個非時變神經網絡模塊以氣敏傳感器陣列當前時刻對發酵尾氣的響應來識別發酵尾氣關鍵成分並預測其濃度、預測底物濃度、菌體濃度、 產物濃度、DO值、PH值。嗅覺模擬儀器對發酵尾氣進行在線檢測與分析的步驟如下(1)開機預熱；二位二通電磁閥105和107接通，二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥111斷開，在微型真空泵的抽吸作用下，環境空氣通過二位三通電磁閥103以 5000 6500毫升/分鐘的流量流過氣敏傳感器陣列環形工作室；預熱時間為30分鐘；(2)精確標定；二位二通電磁閥111接通，二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥 105與107斷開，潔淨空氣以600毫升/分鐘及以上的流量經節流閥110、二位二通電磁閥 111從出氣孔反向流入氣敏傳感器陣列環形工作室，然後從進氣孔經二位三通電磁閥103 排出到環境空氣中，歷時40秒；由此，氣敏傳感器陣列得以精確標定，使得對發酵尾氣的多次測量在同一基準上進行；(3)平衡；二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥105、107與111均斷開，氣敏傳感器陣列環形工作室內的氣體處於靜止狀態，氣敏傳感器陣列進入5秒鐘的平衡期；(4)尾氣採樣；二位三通電磁閥103與二位二通電磁閥105接通，二位二通電磁閥 107與111斷開，微型真空泵將發酵尾氣以600毫升/分鐘及以上的流量經由二位三通電磁閥103吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，使之掠過氣敏傳感器敏感膜表面，然後經過二位二通電磁閥105、節流閥106和流量計從廢氣出口排放到環境空氣中；當發酵尾氣累積採樣量達到300毫升及以上時，尾氣採樣過程結束，歷時30秒鐘；(5)初步恢復；尾氣採樣結束後，二位二通電磁閥105和107接通，二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥111斷開，微型真空泵以5000 6500毫升/分鐘的流量將環境空氣經由二位三通電磁閥103從進氣孔吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，歷時225秒；氣敏傳感器陣列在環境空氣的作用下得到初步恢復；(6)數據採集；在發酵尾氣流經氣敏傳感器陣列環形工作室的過程中，16個氣敏傳感器產生模擬敏感響應電壓，這些敏感響應通過電纜傳送到計算機；計算機通過16路且 16位的數據採集卡得到16維數字響應向量，經模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型分析處理，在數據採集過程結束後的10秒之內給出發酵尾氣整體強度、關鍵成分類別與濃度估計值，給出底物濃度、菌體濃度、產物濃度、DO值、PH值的估計值，並通過顯示器顯示出來；(7)數據遠程傳輸；一個數據採集過程結束時，計算機將氣敏傳感器陣列響應電壓的最大值和最小值傳到hternet上，實現生物發酵過程的遠程監控與分析；(8)重複⑵ (7)，進行多次採樣；在計算機的控制下，生物發酵整個過程的在線檢測、預測和優化由嗅覺模擬儀器自動完成，一個完整的氣體採樣周期為300秒，在此周期內的數據採集時間長度為60秒；本發明的嗅覺模擬儀器具有體積小、恆溫精度與自動化程度高、長期重複性與長期穩定性好、使用簡便的優點；本發明的模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型具有分析速度快、在線預測性能好的優點。
圖1是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-嗅覺模擬儀器組成單元和相連接的生物發酵系統相關部分與潔淨空氣瓶示意圖。圖2是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-嗅覺模擬儀器的組成單元-測試箱和計算機工作原理示意圖。圖3是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-氣敏傳感器陣列環形工作室放大圖，氣敏傳感器安裝剖面圖，進氣孔剖面圖，進氣孔和出氣孔與隔板關係的剖面圖；其中，(a)氣敏傳感器陣列環形工作室放大圖，(b)氣敏傳感器安裝剖面圖A-A，(c)進氣孔剖面圖B-B，(d)進氣孔和出氣孔與隔板關係的剖面圖C-C。圖4是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-尾氣採樣時，嗅覺模擬儀器與發酵罐、工控機的關係示意圖。圖5是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-一個氣體採樣周期內，氣體流量和單個氣敏傳感器響應變化情況圖；其中，(a)在一個氣體採樣周期內，單個氣敏傳感器響應電壓變化情況與數據採集區間示意圖；(b)在一個氣體採樣周期內，氣體流量變化情況示意圖。圖6是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-由模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型示意圖；其中，(a)多個時變神經網絡模塊示意圖，(b)多個非時變神經網絡模塊示意圖。圖7是本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法-氣敏傳感器陣列的2個組成單元對聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoatesPHA)和頭孢菌素C 發酵過程在線檢測實例；其中，(a)氣敏傳感器TGS813和TGS832對PHA發酵過程的響應曲線，(b)氣敏傳感器TGS813和TGS^6對頭孢菌素C發酵過程的響應曲線。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。本發明-一種嗅覺模擬儀器組成單元和相連接的生物發酵系統相關部分與潔淨空氣瓶示意圖如附圖1所示，其特點是，包括測試箱1和計算機2兩大部分；在用該嗅覺模擬儀器對生物發酵過程進行在線檢測與分析時，用戶配置部分包括與計算機2相連接的工控機3和數據機4，與測試箱1相連接的有潔淨空氣瓶5和尾氣瓶6 ；其中，測試箱1 與計算機2、計算機2與工控機3和數據機4均通過電纜相連接，測試箱1與潔淨空氣瓶5和尾氣瓶6均通過氣路相連接。請參見附圖2，本發明的嗅覺模擬儀器的測試箱1包括氣敏傳感器陣列101、氣敏傳感器陣列環形工作室102、二位三通電磁閥103，隔板104、二位二通電磁閥105、節流閥 106、二位二通電磁閥107、流量計108、微型真空泵109、節流閥110、二位二通電磁閥111、四路直流穩壓電源112、驅動與控制電路113、隔熱層114、風扇115、電阻加熱絲116、溫度傳感器117 ；計算機2包括計算機主機201、插在計算機主板上的數據採集卡202、顯示器203。
其中，氣敏傳感器陣列101由TGS-8系列和TGS46系列16個氣敏傳感器所組成， 敏感膜材料為金屬氧化物半導體；氣敏傳感器具體型號包括TGS813、816、821、822、823、 825、826、830、831、832、842、2600、2602、2610、2611、2620 ；本實施例選擇日本 Figaro 公司生產的這兩個系列氣敏傳感器的原因是，它們加熱電壓相同，工作電壓也可以相同，且可以使用同一類型的傳感器插座，從而使氣敏傳感器陣列環形工作室結構簡單。單個氣敏傳感器的工作原理是，將氣敏傳感器敏感膜看成一個電阻，與固定的負載電阻&串聯形成迴路， 固定的工作電壓加於迴路兩端；當與被測氣體接觸時，氣敏傳感器敏感膜兩端的電阻發生變化；由於工作電壓固定，負載電阻&兩端的電壓也因此發生相應變化，這就是氣敏傳感器的敏感響應，直接以電壓信號輸出。氣敏傳感器陣列101、氣敏傳感器陣列環形工作室102、隔板104、風扇115、電阻加熱絲116、溫度傳感器117位於由隔熱層114形成的恆溫箱內，溫度調節範圍為50 60°C， 恆溫精度為士0. 1°C，恆溫箱由電阻加熱絲116加熱，風扇105使箱內溫度均勻，隔熱層114 防止熱量散發，溫度傳感器117檢測溫度變化；恆溫過程只制熱，不製冷。請參見附圖3，其中，(a)為氣敏傳感器陣列環形工作室102放大圖，(b)為氣敏傳感器安裝剖面圖A-A，(c)為進氣孔剖面圖B-B，(d)為進氣孔和出氣孔與隔板關係的剖面圖C-C。A-A剖面說明，氣敏傳感器陣列環形工作室102包括傳感器蓋118、傳感器座119、 0型密封圈120、7芯陶瓷插座121、無味膠合劑122、螺釘123，形成封閉的環形內腔；傳感器座119沿D= φ 120 Φ 160毫米的直徑等間隔布置18個孔，包括用於安裝7芯陶瓷插座的16個孔、1個進氣孔和1個出氣孔；16個7芯陶瓷插座121用無味膠合劑122直接膠結在傳感器座119的16個孔內；B-B剖面說明，進氣孔或出氣孔可通過管接頭與電磁閥相連接；C-C剖面說明，進氣孔和出氣孔相鄰，中間由隔板104隔開；隔板104尺寸-寬X高X 厚為20毫米X 16毫米X 8毫米，用無味膠合劑122膠結在傳感器蓋118的環形內槽，從而強迫氣體繞氣敏傳感器陣列101流動。請參見附圖2和附圖3，「二位三通電磁閥103接通」表示進氣孔與發酵尾氣接通， 「二位三通電磁閥103斷開」表示進氣孔與發酵尾氣斷開但與環境空氣接通。圖4為本發明的嗅覺模擬儀器在生物發酵系統中的位置與工作原理示意圖，即嗅覺模擬儀器與發酵罐7和工控機3的關係示意圖。為簡便起見，圖中未畫出用於積蓄髮酵尾氣的尾氣瓶6和潔淨空氣瓶5 ；嗅覺模擬儀器直接感知發酵罐7頂空的發酵尾氣；並與罐內溫度傳感器Τ、ρΗ值傳感器、DO傳感器、發酵液重量傳感器W、發酵液體積傳感器V的測量結果一起傳給工控機3，實現生物發酵過程的在線控制與優化，通過數據機4實現生物發酵過程的hternet網遠程監控。圖5為本發明-一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法，在一個氣體採樣周期內，氣體流量和單個氣敏傳感器響應的變化情況。圖5(b)說明，氣體流量經歷如下4個變化階段(1)初步恢復-在微型真空泵109的作用下，環境空氣以5000 6500毫升/分鐘的流量流過氣敏傳感器陣列101，歷時225秒，氣敏傳感器陣列101因此得以初步恢復；(2)精確標定-流量為600毫升/分鐘及以上的潔淨空氣歷時40秒，使氣敏傳感器陣列101精確恢復到基準狀態；這裡，基準狀態是指氣敏傳感器陣列101對潔淨空氣的敏感響應狀態。
(3)平衡-氣敏傳感器陣列環形工作室102內的氣體不流動，歷時5秒鐘；(4)尾氣採樣-發酵尾氣以600毫升/分鐘及以上的流量掠過氣敏傳感器陣列101 的敏感膜表面，氣敏傳感器陣列101因此產生敏感響應，歷時30秒鐘；在氣體流動過程中，包括平衡5秒、尾氣採樣30秒和環境空氣初步恢復最初25秒共60秒的時間內，氣敏傳感器陣列的響應電壓值會被計算機2記錄下來；圖5(a)說明，一個氣體採樣周期為300秒，一個數據採集即數據記錄時間長度為60秒；並且在這60秒內， 氣敏傳感器陣列響應電壓的最大值與最小值被傳遞給工控機3，且通過數據機4傳到 Internet網上，並經模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型處理後顯示出來。圖6給出了由模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型示意圖；m= 16個模塊化時變神經網絡通過前t-l，t-2，...，t-k共k個時刻的響應\(t-l)、
Xj(t-2).....Xj (t-i).....Xj (t-k)對16個氣敏傳感器下一時刻t的響應進行預測；這裡，
下標j表示第j個氣敏傳感器；由於一個氣體採樣周期為300秒且數據記錄時間長度為60 秒，以氣敏傳感器陣列中各個氣敏傳感器在一個氣體採樣周期內敏感響應的最大值作為變量，時延值k可取為30，即k = 30 ；這就是說，嗅覺模擬儀器用生物發酵過程前2. 5小時的狀態預測其下一個狀態。為了消除環境溫溼度變化的影響，嗅覺模擬儀器可以用在一個氣體採樣周期內各個氣敏傳感器響應的最大值與最小值之差作為變量。多個模塊化非時變神經網絡用氣敏傳感器陣列當前時刻t的響應依次預測產物濃度、菌體濃度、底物濃度、DO 值、pH值、呼吸商、OUR值、尾氣&和CO2濃度等。Ill和Ii2分別為神經網絡隱節點數。圖7給出了本發明的嗅覺模擬儀器與在線分析方法對兩種生物發酵過程在線檢測與分析實例。其中，圖7(a)和圖7(b)給出了氣敏傳感器陣列分別對PHA和頭孢菌素C發酵過程的響應曲線。為清晰起見，該實例只給出其中2個氣敏傳感器的響應曲線。由圖7(a)可以看出，在PHA發酵進行到40 50小時時，氣敏傳感器TGS813和 TGS832發生了明顯的、劇烈的響應，這意味著發酵過程可能出現不正常變化；經發酵專家會商，這一變化意味著發酵過程染菌了。結果，在進行到約69小時時，PHA發酵過程不得不因染菌而提前終止。圖7(a)傳遞的一個有意義的信息是，在約45小時前，TGS813的響應一直比TGS832大；在約45小時後，TGS832的響應卻比TGS813大；這些變化正是嗅覺模擬儀器與在線分析方法對生物發酵過程進行狀態預測、過程控制與優化的依據。圖7(b)告訴我們，頭孢菌素C發酵開始10小時左右，氣敏傳感器TGS813的響應發生了兩次劇烈變化，經與質譜儀測試結果相比較，這兩個峰對應於溶解氧的突變，而此段時間內氣敏傳感器TGS^6的響應卻變化不大。綜觀整個發酵過程，這2個氣敏傳感器的響應一直在不正常增大；進行到約57小時時，頭孢菌素C發酵過程不得不因染菌而提前終止。比較圖7(a)和圖7(b)的結果，我們看到，同一個氣敏傳感器(如TGS813)對不同物質(如PHA和頭孢菌素C)發酵過程的響應是不相同的；當然，不同氣敏傳感器(如 TGS832和TGS826)對不同物質發酵過程的響應更是不相同的；這樣，本發明的嗅覺模擬儀器與在線分析方法就可以根據氣敏傳感器陣列響應的這些變化來實現生物發酵過程的在線檢測與分析，包括狀態預測和hternet遠程監控，並通過工控機3實現生物發酵過程控制與優化。
權利要求
1.一種嗅覺模擬儀器，包括測試箱和計算機，其特徵在於所述的測試箱內設恆溫箱、微型真空泵、二位三通電磁閥103、二位二通電磁閥105，二位二通電磁閥107、二位二通電磁閥105、流量計、直流穩壓電源、驅動與控制電路、節流閥 106、節流閥110 ；所述的恆溫箱包括氣敏傳感器陣列、氣敏傳感器陣列環形工作室、電阻加熱絲、溫度傳感器、風扇、隔熱層；所述的氣敏傳感器陣列包括性能彼此重疊的16個氣敏傳感器；所述的計算機包括計算機主機、顯示器和插在計算機主機內的數據採集卡；所述的測試箱與計算機通過電纜相連接；所述的測試箱通過氣路分別與發酵罐和潔淨空氣瓶相連接，測試箱與發酵罐的氣路中間設置一個容量為1500 2000毫升的尾氣瓶以積蓄髮酵尾氣；潔淨空氣使氣敏傳感器陣列在對發酵尾氣進行測量前處於基準狀態；尾氣採樣時，在微型真空泵的抽吸作用下，積蓄在尾氣瓶內的發酵尾氣以600毫升/分鐘及以上的流量流經氣敏傳感器陣列，氣敏傳感器陣列由此產生敏感響應即16路模擬電壓信號；數據採集卡將這16路模擬電壓信號轉化成16路數位訊號，嗅覺模擬儀器據此對生物發酵過程進行在線分析、預測與優化。
2.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，氣敏傳感器陣列環形工作室由傳感器座和傳感器蓋通過螺釘固定，並與2個0型密封圈一起形成封閉的環形內腔；傳感器座上沿直徑等間隔設置18個孔，包括16個7芯陶瓷插座安裝孔、1個進氣孔和1個出氣孔； 進氣孔與出氣孔相鄰，中間由一塊隔板隔開；16個7芯陶瓷插座用無味粘合劑一一膠結在傳感器座的16個安裝孔內，並通過導線與直流穩壓電源和驅動與控制電路相連接；16個氣敏傳感器直接插在16個7芯陶瓷插座上，形成氣敏傳感器陣列；發酵尾氣從進氣孔進入氣敏傳感器陣列環形工作室，依次掠過16個氣敏傳感器，然後從出氣孔排出。
3.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，氣敏傳感器陣列環形工作室的進氣孔與二位三通電磁閥103、氣敏傳感器陣列環形工作室的出氣孔與二位二通電磁閥 105和111、二位二通電磁閥105與節流閥106和二位二通電磁閥107、節流閥106與流量計、微型真空泵與流量計和二位二通電磁閥107、二位二通電磁閥111與節流閥110、節流閥 110與潔淨空氣瓶，均通過氣路相連接。
4.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，恆溫箱由電阻加熱絲加熱，風扇使箱內溫度均勻，隔熱層防止熱量散發，溫度傳感器檢測溫度變化；溫度調節範圍為50 60°C，恆溫精度為士0. 1°C，恆溫過程只制熱，不製冷。
5.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，直流穩壓電源包括4路電壓，分別為5V、10V、12V和36V ；其中，5V為氣敏傳感器陣列加熱電壓，IOV為氣敏傳感器陣列工作電壓，12V為二位三通電磁閥103、3個二位二通電磁閥、微型真空泵、風扇工作電壓，36V為電阻加熱絲加熱電壓；5V和IOV為線性電源，12V和36V為開關電源。
6.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，微型真空泵以連續方式工作；計算機通過數據採集卡和電纜控制二位三通電磁閥103、二位二通電磁閥105、107、111的通電與斷電，以分別控制氣敏傳感器陣列環形工作室與發酵尾氣、潔淨空氣和環境空氣的通與斷，並在此基礎上，通過節流閥106與110控制氣體流量的大小；一個完整的氣體採樣周期依次包括初步恢復225秒、精確標定40秒、平衡5秒和尾氣採樣30秒共4個階段。
7.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，尾氣採樣時，發酵尾氣被微型真空泵抽吸，以600毫升/分鐘及以上的流量依次流經二位三通電磁閥103、進氣孔、氣敏傳感器陣列環形工作室、出氣孔、二位二通電磁閥105、節流閥106、流量計，然後被微型真空泵從廢氣出口排放到環境空氣中；尾氣採樣持續時間為30秒。
8.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，精確標定時，潔淨空氣以600毫升/分鐘及以上的流量通過節流閥110和二位二通電磁閥111從出氣孔反向流入氣敏傳感器陣列環形工作室，並最終通過進氣孔和二位三通電磁閥103排出到環境空氣中，從而使氣敏傳感器陣列在多次尾氣採樣時處於同一基準狀態；精確標定持續時間為40秒；平衡時，所有電磁閥均處於斷開狀態，氣敏傳感器陣列環形工作室內的氣體處於靜止狀態，持續 5秒。
9.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，初步恢復時，在微型真空泵抽吸下，環境空氣以5000 6500毫升/分鐘的流量依次流經二位三通電磁閥103、進氣孔、氣敏傳感器陣列環形工作室、出氣孔、二位二通電磁閥105、二位二通電磁閥107、然後被微型真空泵從廢氣出口排放到環境空氣中；環境空氣的作用，一是使氣敏傳感器陣列快速初步恢復到基準狀態；二是帶走16個氣敏傳感器同時工作時累積產生的熱量；三是衝走吸附在氣敏傳感器陣列環形工作室內壁上的氣味分子；初步恢復持續時間為225秒。
10.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，在一個氣體採樣周期內，從平衡開始時刻起的60秒內，氣敏傳感器陣列響應數據開始被記錄，即數據採集時間長度為60 秒；數據採集卡用16位A/D轉換將氣敏傳感器陣列對發酵尾氣感知得到的16路模擬電壓信號轉換為16路數位訊號；各個氣敏傳感器在這60秒數據採集時間內電壓響應的最大值和最小值最終被記錄並保存在計算機的數據文件中，是嗅覺模擬儀器對生物發酵過程進行定性定量分析的依據。
11.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特徵在於，用模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型對生物發酵過程進行定性定量分析；一個16維樣本是氣敏傳感器陣列在一個氣體採樣周期內對發酵尾氣的最大響應，即生物發酵過程當前狀態的數位化表示；模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡的結構均是單輸出單隱層的；一個時變神經網絡模塊代表一個氣敏傳感器，負責預測該氣敏傳感器下一時刻的響應； 多個非時變神經網絡模塊以氣敏傳感器陣列當前時刻對發酵尾氣的響應來識別發酵尾氣關鍵成分並預測其濃度、預測底物濃度、菌體濃度、產物濃度、DO值、PH值。
12.採用權利要求1的嗅覺模擬儀器對發酵尾氣進行在線檢測與分析，其特徵在於，包括以下步驟(1)開機預熱；二位二通電磁閥105和107接通，二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥111斷開，在微型真空泵的抽吸作用下，環境空氣通過二位三通電磁閥103以5000 6500毫升/分鐘的流量流過氣敏傳感器陣列環形工作室；預熱時間為30分鐘。(2)精確標定；二位二通電磁閥111接通，二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥105 與107斷開，潔淨空氣以600毫升/分鐘及以上的流量經節流閥110、二位二通電磁閥111 從出氣孔反向流入氣敏傳感器陣列環形工作室，然後從進氣孔經二位三通電磁閥103排出到環境空氣中，歷時40秒；由此，氣敏傳感器陣列得以精確標定，使得對發酵尾氣的多次測量在同一基準上進行；(3)平衡；二位三通電磁閥103和二位二通電磁閥105、107與111均斷開，氣敏傳感器陣列環形工作室內的氣體處於靜止狀態，氣敏傳感器陣列進入5秒鐘的平衡期；(4)尾氣採樣；二位三通電磁閥103與二位二通電磁閥105接通，二位二通電磁閥107 與111斷開，微型真空泵將發酵尾氣以600毫升/分鐘及以上的流量經由二位三通電磁閥 103吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，使之掠過氣敏傳感器敏感膜表面，然後經過二位二通電磁閥105、節流閥106和流量計從廢氣出口排放到環境空氣中；當發酵尾氣累積採樣量達到300毫升時，尾氣採樣過程結束，歷時30秒鐘；(5)初步恢復；尾氣採樣結束後，二位二通電磁閥105和107接通，二位三通電磁閥103 和二位二通電磁閥111斷開，微型真空泵以5000 6500毫升/分鐘的流量將環境空氣經由二位三通電磁閥103從進氣孔吸入氣敏傳感器陣列環形工作室，歷時225秒；氣敏傳感器陣列在環境空氣的作用下得到初步恢復；(6)數據採集；在發酵尾氣流經氣敏傳感器陣列環形工作室的過程中，16個氣敏傳感器產生模擬敏感響應，這些敏感響應通過電纜傳送到計算機；計算機通過16路且16位的數據採集卡得到16維數字響應向量，經模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成的級聯模型分析處理，在數據採集過程結束後的10秒之內給出發酵尾氣整體強度、關鍵成分類別與濃度估計值，給出底物濃度、菌體濃度、產物濃度、DO值、PH值的估計值，並通過顯示器顯示出來；(7)數據遠程傳輸；一個數據採集過程結束時，計算機將氣敏傳感器陣列響應的最大值和最小值傳到Internet上，實現生物發酵過程的遠程監控與分析；(8)重複(2) (7)，進行多次採樣;在計算機的控制下，生物發酵整個過程的在線檢測、預測和優化由嗅覺模擬儀器自動完成；一個完整的氣體採樣周期為300秒，其中的數據採集時間長度為60秒。
全文摘要
本發明一種面向生物發酵過程的嗅覺模擬儀器與在線分析方法，其特點是，嗅覺模擬儀器由測試箱和計算機組成；氣敏傳感器陣列置於恆溫箱內，恆溫過程只加熱，不製冷；在計算機控制下，由微型真空泵、電磁閥、流量計、節流閥和尾氣瓶實現發酵尾氣精密自動採樣，以實現生物發酵過程的在線檢測；用模塊化時變神經網絡和模塊化非時變神經網絡組成級聯模型，實現生物發酵過程的在線分析，包括發酵過程正常與否判斷；尾氣O2、NH3、CO2、醇類、酸類、酯類等成分識別與濃度估計；發酵液溶解氧、pH值、呼吸商預測；底物、菌體、產物濃度估計；補料量、通氣量、攪拌速度優化；實現生物發酵過程實時動態顯示和Internet網遠程監控。
文檔編號G01N35/00GK102353798SQ20111018295
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月1日 優先權日2011年7月1日
發明者劉芳君, 王吉, 高大啟 申請人:華東理工大學