[发明专利]一种微生物发酵过程的实时监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及电阻抗成像技术领域，具体地说是一种微生物发酵过程的实时监测系统。

背景技术

微生物发酵是当前生物制药过程中的一项主要工序，在工业生产过程中微生物发酵是在大型的发酵罐中进行，且通常发酵时间从几天到几个星期不等。在发酵过程中要定期对发酵罐内液体进行检验分析以确保发酵过程正常和及时发现如发酵菌体生长不正常、发酵过程有杂菌污染等问题。现有技术采用在发酵罐内安装传感器来监测温度，溶氧率等参数并结合定期提取发酵液分析等方法对发酵过程进行监控。但是，一旦发现如杂菌污染等异常情况，通常为时已晚，很难采取有效措施补救。究其原因, 主要是对一些重要参数，如：基质浓度、发酵产物的浓度、温度等缺乏合适的有效的在线实时测量方法。

电阻抗断层成像技术是通过附着在物体表面的电极注入和采集电压信号并重建成断层图像从而掌握物体内部的信息。此技术已经初步用于医学成像等领域。此技术的基本原理是根据不同物质表现出不同的电学性质再通过二维或三维图像的形式表现出此不同。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，通过可移动的圈电极并利用电阻抗断层成像技术通过微机控制来实现对发酵液的实时监测。

为实现上述目的，设计一种微生物发酵过程的实时监测系统，包括发酵罐、圈电极、螺杆、电机、数据采集系统、嵌设有处理软件的微机、直线移动装置，其特征在于：发酵罐的内壁设有直线移动装置，所述的直线移动装置的上部连接一圈电极，圈电极外层覆设有绝缘层，圈电极的接线端连接数据采集系统的一端，数据采集系统的另一端连接微机的一路信号端，直线移动装置的底端穿过发酵罐的底部后连接电机；电机的控制信号输入端连接微机的另一路信号端，发酵罐的液位传感器的信号端连接微机的又一信号端；微机内所嵌设的处理软件执行如下步骤：a、开始；b、是否进行扫描；不扫描，则返回开始；确认扫描，则设定扫描区域；c、设定多频断层扫描的多个频率；d、在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描；e、扫描数据采集和图像重建生成二维和三维图像：采集圈电极上的电压信号，并将电压信号转换成阻抗值后重建成二维和三维图像；f、图像处理：分析二维或三维图像，并获取阻抗值计算生成相关发酵参数；g、参数分析、异常报警：将所获取的发酵参数与正常发酵参数值进行比较，若超出正常范围则进行报警；h、是否生成参数图像，否，则进入 “是否循环监测”步骤；是，则生成相应参数图像后再进入“是否循环监测”步骤；i、如果循环监测，则返回“在设定的扫描区域内圈电极进行逐层多频扫描”步骤；如果不循环监测，则判断“是否变更扫描区域”；j、变更扫描区域，则返回“设定扫描区域”步骤；不变更扫描区域，则结束；所述的发酵参数，包括发酵罐内温度、基质体积、基质浓度、发酵产物的体积、发酵产物的浓度。

所述的多个频率为施加在圈电极上的频率在100 Hz～5 MHz 的10μA~5mA的微电流。

所述的直线移动装置为沿发酵罐内壁圆周均布螺杆，螺杆为垂直放置，且每根螺杆的底端穿过发酵罐的底部后再连接设于发酵罐外的一个电机，螺杆的顶部由下至上垂直贯穿绝缘层并螺纹连接绝缘层。

所述的根据获取阻抗值计算生成相关发酵参数，包括如下计算公式：

公式（1）：R=R₀+αT；

公式（2）：ΔT=ΔR/α；

公式（3）：R_l-R_h=k₁ρ₁V₁；

公式（4）：R_h= k₂ρ₂V₂+ k₃ρ₃V₃；

公式（5）：V₂+V₃=V-V₁； 

公式（6）：C₂＝V₂/ V；

公式（7）：C₃＝V₃/ V；