一種微生物發酵過程的實時監測系統技術方案

本發明專利技術涉及電阻抗成像技術領域，具體地說是一種微生物發酵過程的實時監測系統，其特征在于：發酵罐的內壁設有直線移動裝置，所述的直線移動裝置的上部連接一圈電極，圈電極外層覆設有絕緣層，圈電極的接線端連接數據采集系統的一端，數據采集系統的另一端連接微機的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發酵罐的底部后連接電機；電機的控制信號輸入端連接微機的另一路信號端，發酵罐的液位傳感器的信號端連接微機的又一信號端。本發明專利技術同現有技術相比，可對發酵罐內部發酵液進行實時和全方位監控，并能生成直觀的二維和三維的發酵罐內圖像，圖像可分析出發酵罐內發酵過程的多種指標的參數值或變化值，并能及時報警，便于人們及早干預。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電阻抗成像
，具體地說是一種微生物發酵過程的實時監測系統。
技術介紹
微生物發酵是當前生物制藥過程中的一項主要工序，在工業生產過程中微生物發酵是在大型的發酵罐中進行，且通常發酵時間從幾天到幾個星期不等。在發酵過程中要定期對發酵罐內液體進行檢驗分析以確保發酵過程正常和及時發現如發酵菌體生長不正常、發酵過程有雜菌污染等問題。現有技術采用在發酵罐內安裝傳感器來監測溫度，溶氧率等參數并結合定期提取發酵液分析等方法對發酵過程進行監控。但是，一旦發現如雜菌污染等異常情況，通常為時已晚，很難采取有效措施補救。究其原因，主要是對一些重要參數，如基質濃度、發酵產物的濃度、溫度等缺乏合適的有效的在線實時測量方法。 電阻抗斷層成像技術是通過附著在物體表面的電極注入和采集電壓信號并重建成斷層圖像從而掌握物體內部的信息。此技術已經初步用于醫學成像等領域。此技術的基本原理是根據不同物質表現出不同的電學性質再通過二維或三維圖像的形式表現出此不同。
技術實現思路
本專利技術的目的是為克服現有技術的不足，通過可移動的圈電極并利用電阻抗斷層成像技術通過微機控制來實現對發酵液的實時監測。為實現上述目的，設計一種微生物發酵過程的實時監測系統，包括發酵罐、圈電極、螺桿、電機、數據采集系統、嵌設有處理軟件的微機、直線移動裝置，其特征在于發酵罐的內壁設有直線移動裝置，所述的直線移動裝置的上部連接一圈電極，圈電極外層覆設有絕緣層，圈電極的接線端連接數據采集系統的一端，數據采集系統的另一端連接微機的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發酵罐的底部后連接電機；電機的控制信號輸入端連接微機的另一路信號端，發酵罐的液位傳感器的信號端連接微機的又一信號端；微機內所嵌設的處理軟件執行如下步驟a、開始；b、是否進行掃描；不掃描，則返回開始；確認掃描，則設定掃描區域；c、設定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描；e、掃描數據采集和圖像重建生成二維和三維圖像采集圈電極上的電壓信號，并將電壓信號轉換成阻抗值后重建成二維和三維圖像；f、圖像處理分析二維或三維圖像，并獲取阻抗值計算生成相關發酵參數；g、參數分析、異常報警將所獲取的發酵參數與正常發酵參數值進行比較，若超出正常范圍則進行報警；h、是否生成參數圖像，否，則進入“是否循環監測”步驟；是，則生成相應參數圖像后再進入“是否循環監測”步驟；i、如果循環監測，則返回“在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環監測，則判斷“是否變更掃描區域”；j、變更掃描區域，則返回“設定掃描區域”步驟；不變更掃描區域，則結束；所述的發酵參數，包括發酵罐內溫度、基質體積、基質濃度、發酵產物的體積、發酵產物的濃度。所述的多個頻率為施加在圈電極上的頻率在100 Hz 5 MHz的10 μ A飛mA的微電流。所述的直線移動裝置為沿發酵罐內壁圓周均布螺桿，螺桿為垂直放置，且每根螺桿的底端穿過發酵罐的底部后再連接設于發酵罐外的一個電機，螺桿的頂部由下至上垂直貫穿絕緣層并螺紋連接絕緣層。所述的根據獲取阻抗值計算生成相關發酵參數，包括如下計算公式 公式(I) R=R0+aT ；公式(2) : Λ T= Λ R/a ； 公式(3) =R1-Rh=Ii1P1V1 ；公式(4):Rh= k2 P 2V2+ k3 P 3V3 ；公式(5) =V^V3=V-V1 ；公式(6) C2 = N2/ N '公式(7) C3 = V3/ V ； 公式中R表示從二維圖像或三維圖像上顯示的像素所獲取的阻抗值，Rtl表示在參考溫度下發酵液的參考阻抗值，a表示發酵液的溫度系數，T表示發酵罐內溫度，AT表示溫度變化值，Δ R表示發酵液阻抗變化值成和Rh分別表示發射I 5kHz低頻電流所獲得的阻抗值和發射IMHz 5 MHz高頻電流所獲得的阻抗值，Ic1為該發酵液中正常菌落電阻系數，P!為該發酵液中正常菌落電阻率，V1為菌落體積、V2為基質體積，V3為發酵產物體積；v為發酵罐中發酵液總體積，由發酵罐所附帶的液位傳感器所獲得；k2表示發酵液內正常基質的電阻系數、P2表示發酵液內正常基質的電阻率、k3表示發酵液內正常發酵產物的電阻系數、P3表示發酵液內正常發酵產物的電阻率、C2表示發酵液內基質的體積濃度，C3表示發酵液內發酵產物的體積濃度。圈電極的接線端連接數據采集系統中的前置放大電路的一端，前置放大電路的另一端再依次連接前置濾波電路、數據采集卡的一端、信號處理電路的一端；所述的信號處理電路采用后置放大電路連接后置濾波電路組成。數據采集系統采用數據采集卡中的數字控制通路與微機的端口進行通訊連接。所述的處理軟件為LabVIEW軟件。數據采集系統中的數據采集卡采用PXI數據采集卡。本專利技術同現有技術相比，可對發酵罐內部發酵液進行實時和全方位監控，并能生成直觀的二維和三維的發酵罐內圖像，圖像可分析出發酵罐內發酵過程的多種指標的參數值或變化值，并能及時報警，便于人們及早干預。附圖說明圖I為本專利技術實施例中的原理連接框圖。圖2為本專利技術中發酵罐的示意圖。圖3為本專利技術中發酵罐的水平剖示圖。圖4為本專利技術中的處理流程框圖。圖5為實施例中正常和非正常菌落的阻抗頻譜值的曲線示意圖，其中曲線中的實線表示正常菌落的阻抗頻譜值，在實線上下兩側與實線相似弧度的點劃線表示為正常阻抗頻譜值的范圍，而其中虛線表示非正常阻抗頻譜值。具體實施例方式現結合附圖對本專利技術作進一步地說明。實施例 本專利技術應用電阻抗斷層成像技術對發酵罐內液體也即發酵液進行實時監測和成像，通過圖像可對基質體積/濃度、發酵產物的體積/濃度進行實時觀察和測量，從而對發酵過程進行有效控制并及時發現菌污染等問題及早進行干預。參見圖I 圖4，在發酵罐3的內壁設有直線移動裝置，所述直線移動裝置的上部連接一圈電極2，圈電極2外層覆設有絕緣層，以防止發酵罐帶電，本例中絕緣層隨形于圈電極呈圓環狀，圈電極2的接線端連接數據采集系統4的一端，數據采集系統4的另一端連接微機6的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發酵罐的底部后連接電機5 ;電機5的控制信號輸入端連接微機6的另一路信號端，發酵罐3的液位傳感器的信號端連接微機6的又一信號端；微機內所嵌設的處理軟件執行如下步驟a、開始；b、是否進行掃描；不掃描，則返回開始；確認掃描，則設定掃描區域；c、設定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描；e、掃描數據采集和圖像重建生成二維和三維圖像采集圈電極上的電壓信號，并將電壓信號轉換成阻抗值后重建成二維和三維圖像；f、圖像處理分析二維或三維圖像，并獲取阻抗值計算生成相關發酵參數；g、參數分析、異常報警將所獲取的發酵參數與正常值進行比較，若超出正常范圍則進行報警；h、是否生成參數圖像，否，則進入“是否循環監測”步驟；是，則生成相應參數圖像后再進入“是否循環監測”步驟；i、如果循環監測，則返回“在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環監測，則判斷“是否變更掃描區域”；j、變更掃描區域，則返回“設定掃描區域”步驟；不變更掃描區域，則結束；所述的發酵參數，包括發酵罐內溫度、基質體積、基質濃度、發酵產物的體積、發酵產物的濃度。本例中，處理軟件可選用LabVIEW軟件，本例中二維本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種微生物發酵過程的實時監測系統，包括發酵罐、圈電極、螺桿、電機、數據采集系統、嵌設有處理軟件的微機、直線移動裝置，其特征在于：發酵罐（3）的內壁設有直線移動裝置，所述的直線移動裝置的上部連接一圈電極（2），圈電極（2）外層覆設有絕緣層，圈電極（2）的接線端連接數據采集系統（4）的一端，數據采集系統（4）的另一端連接微機（6）的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發酵罐的底部后連接電機（5）；電機（5）的控制信號輸入端連接微機（6）的另一路信號端，發酵罐的液位傳感器的信號端連接微機（6）的又一信號端；微機內所嵌設的處理軟件執行如下步驟：a、開始；b、是否進行掃描；不掃描，則返回開始；確認掃描，則設定掃描區域；c、設定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描；e、掃描數據采集和圖像重建生成二維和三維圖像：采集圈電極上的電壓信號，并將電壓信號轉換成阻抗值后重建成二維和三維圖像；f、圖像處理：分析二維或三維圖像，并獲取阻抗值計算生成相關發酵參數；g、參數分析、異常報警：將所獲取的發酵參數與正常發酵參數值進行比較，若超出正常范圍則進行報警；h、是否生成參數圖像，否，則進入？“是否循環監測”步驟；是，則生成相應參數圖像后再進入“是否循環監測”步驟；i、如果循環監測，則返回“在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環監測，則判斷“是否變更掃描區域”；j、變更掃描區域，則返回“設定掃描區域”步驟；不變更掃描區域，則結束；所述的發酵參數，包括發酵罐內溫度、基質體積、基質濃度、發酵產物的體積、發酵產物的濃度。...

【技術特征摘要】
1.一種微生物發酵過程的實時監測系統，包括發酵罐、圈電極、螺桿、電機、數據采集系統、嵌設有處理軟件的微機、直線移動裝置，其特征在于發酵罐(3)的內壁設有直線移動裝置，所述的直線移動裝置的上部連接一圈電極(2)，圈電極(2)外層覆設有絕緣層，圈電極(2)的接線端連接數據采集系統(4)的一端，數據采集系統(4)的另一端連接微機(6)的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發酵罐的底部后連接電機(5);電機(5)的控制信號輸入端連接微機(6)的另一路信號端，發酵罐的液位傳感器的信號端連接微機(6)的又一信號端；微機內所嵌設的處理軟件執行如下步驟a、開始；b、是否進行掃描；不掃描，則返回開始；確認掃描，則設定掃描區域；c、設定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描；e、掃描數據采集和圖像重建生成二維和三維圖像采集圈電極上的電壓信號，并將電壓信號轉換成阻抗值后重建成二維和三維圖像；f、圖像處理分析二維或三維圖像，并獲取阻抗值計算生成相關發酵參數；g、參數分析、異常報警將所獲取的發酵參數與正常發酵參數值進行比較，若超出正常范圍則進行報警；h、是否生成參數圖像，否，則進入“是否循環監測”步驟；是，則生成相應參數圖像后再進入“是否循環監測”步驟；i、如果循環監測，則返回“在設定的掃描區域內圈電極進行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環監測，則判斷“是否變更掃描區域”;j、變更掃描區域，則返回“設定掃描區域”步驟；不變更掃描區域，則結束；所述的發酵參數，包括發酵罐內溫度、基質體積、基質濃度、發酵產物的體積、發酵產物的濃度。2.如權利要求I所述的一種微生物發酵過程的實時監測系統，其特征在于所述的多個頻率為施加在圈電極(2)上的頻率在100 Hz 5 MHz的10 μ A飛mA的微電流。3.如權利要求I所述的一種微生物發酵過程的實時監測系統，其特征在于所述的直線移動裝置為沿發酵罐內壁圓周均布螺桿(I )，螺桿為垂直放置，且每根螺桿的底端穿過發酵罐的底部后再連接設于發酵罐外的一個電機(5)，螺桿(I)的頂部由下至上垂直貫穿...

【專利技術屬性】
技術研發人員：喬國鋒，
申請(專利權)人：上海杰穆實業有限公司，
類型：發明
國別省市：