[发明专利]发酵罐尾气在线分析仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动发酵设备及工艺控制在线检测装置，具体来说涉及一种发酵罐尾气在线分析仪。

背景技术

代谢（metalsolism）是细胞内发生的各种化学反应的总称，由分解代谢(catabolism)和合成代谢(anabolism)两个过程组成。分解代谢是指细胞将大分子物质降解成小分子物质，并在这个过程中产生能量的过程。合成代谢是指细胞利用简单的小分子物质合成复杂大分子的过程，在这个过程中要消耗能量。无论是分解代谢还是合成代谢，代谢途径都是由一系列连续的酶促反应构成的，无论是好氧微生物还是厌氧微生物都会产生CO₂，所以微生物呼出气体中CO₂ 含量的改变可反映菌体代谢的变化，在发酵代谢调控中有着非常重要的意义。除此之外，好氧微生物对底物的同化作用可以通过其呼吸活性进行测定。用氧电极可以直接测量微生物的呼吸活性。测量的原理基本上都是用适合的微生物电极与氧电极组成，利用微生物的同化作用耗氧，通过测量氧电极电流的变化量来测量氧气的减少量，从而达到测量底物浓度的目的。

微生物在生长代谢过程中，O₂的消耗、CO₂的产生可以比较容易检测，但大多数微生物发酵后产生有臭味的气体，这些带臭味的气体大多数是一些挥发性的醛类、酸类、醇类、酯类、胺类、硫醇类、酚类、噻唑、吲哚和呋喃类杂环化合物类等。一般简单的发酵气味由几十种上述化合物组成，复杂的发酵气味由几百种上述化合物组成。浓度不同呈现的主体气味不同，比如低浓度的吲哚呈现出香气，高浓度的吲哚呈现出粪便的臭气。用目前市场上用的环境气体分析仪（一般只能测定氧气、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、甲醛、二氧化硫等8~10种）或汽车尾气分析仪（测排气中一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物成份）是无法进行检测的。

实验室研究用的发酵罐有用气质联用仪（GC-MS）测定发酵尾气成分的报导，但气质联用仪价格昂贵，且需要专门的进样装置，其检测过程复杂、时间较长，不能用于工业发酵生产在线检测中。目前，发酵工业自动控制水平低，例如谷氨酸发酵，多数生产厂基本的检测控制参数有：在线检测发酵液温度、罐内压力、通风量、排气流量、连续流加氨水流量等。离线检测发酵液的酸度、菌体浓度、糖浓度、谷氨酸浓度。根据这些参数值进行人工控制，可以生产，但是过程不稳定，情况不太明又不及时，生产只是一般水平。有些厂自动控制发酵液温度、罐内压力、进罐空气流量，使这些参数稳定，提高了生产水平。有些厂增加在线检测参数，应用电子计算机，都取得可喜的成果，但要实现最优化控制还有一段距离。微生物发酵生成产物的同时都要产生CO₂和挥发性气味成分，产生CO₂的量和挥发性气味成分的量与细胞代谢密切相关，因此，在线连续检测记录发酵排气中的成分及浓度是很重要和很有意义的。通过检测可以对发酵过程进行代谢调控，做到对发酵过程“情况明、过程稳、生产优”。

近年来，电子鼻技术逐渐应用到发酵过程的快速检测上。电子鼻技术有快速、无损的优点，但研究多局限于利用金属氧化物传感器等传统传感器检测发酵，难以区分相似物质，且对环境中湿度的变化敏感，容易引起检测结果的偏差，对硫醇、胺等气体灵敏度低，而这些气体往往是发酵腐败的特征气体，金属氧化物气体传感器与反应物之间主要是依靠范德华吸引力，这种分子作用力是分子间的极弱作用力，灵敏度较差，而且金属氧化物气体传感器在温度高，长时间工作后，响应基准值容易发生偏移。

红外线传感器和新型气敏材料制成的气体传感阵列监测技术不但利用了分子间的范德华力等弱力，而且引入了金属键、极性键，具有较强的化学反应，而且受空气湿度的影响小。新型气敏材料制成的气体传感阵列监测中使用的气敏材料具有分子识别性功能，这种方法灵敏度高，可以区分化学性质极其相似的物质，克服了常见传感器难区分相似物质的缺点，能检测出发酵过程中气体的微量变化，从而比较准确地监测发酵过程中状态和内部成分的变化。通过尾气数据获取的微生物生理代谢参数，对发酵过程进行了工艺优化。

微生物发酵从形态上分液体发酵和固态发酵，液体发酵绝大多数为单菌种纯种发酵，固态发酵既可以是单菌种纯种发酵，又可以是多菌种混合发酵。其发酵尾气特点有所不同，固态发酵尾气湿度大，尾气中可能带有粉尘、菌体孢子等固态微粒；液体发酵尾气湿度也大，但尾气中不会有固态微粒。

发明内容