專利名稱：一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電阻抗成像技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
微生物發(fā)酵是當(dāng)前生物制藥過程中的一項主要工序，在工業(yè)生產(chǎn)過程中微生物發(fā)酵是在大型的發(fā)酵罐中進(jìn)行，且通常發(fā)酵時間從幾天到幾個星期不等。在發(fā)酵過程中要定期對發(fā)酵罐內(nèi)液體進(jìn)行檢驗分析以確保發(fā)酵過程正常和及時發(fā)現(xiàn)如發(fā)酵菌體生長不正常、發(fā)酵過程有雜菌污染等問題?，F(xiàn)有技術(shù)采用在發(fā)酵罐內(nèi)安裝傳感器來監(jiān)測溫度，溶氧率等參數(shù)并結(jié)合定期提取發(fā)酵液分析等方法對發(fā)酵過程進(jìn)行監(jiān)控。但是，一旦發(fā)現(xiàn)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(bǔ)救。究其原因，主要是對一些重要參數(shù)，如基質(zhì)濃度、發(fā)酵產(chǎn)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(shù)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(nèi)部的信息。此技術(shù)已經(jīng)初步用于醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。此技術(shù)的基本原理是根據(jù)不同物質(zhì)表現(xiàn)出不同的電學(xué)性質(zhì)再通過二維或三維圖像的形式表現(xiàn)出此不同。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過可移動的圈電極并利用電阻抗斷層成像技術(shù)通過微機(jī)控制來實現(xiàn)對發(fā)酵液的實時監(jiān)測。為實現(xiàn)上述目的，設(shè)計一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括發(fā)酵罐、圈電極、螺桿、電機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌設(shè)有處理軟件的微機(jī)、直線移動裝置，其特征在于發(fā)酵罐的內(nèi)壁設(shè)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(shè)有絕緣層，圈電極的接線端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的另一端連接微機(jī)的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發(fā)酵罐的底部后連接電機(jī)；電機(jī)的控制信號輸入端連接微機(jī)的另一路信號端，發(fā)酵罐的液位傳感器的信號端連接微機(jī)的又一信號端；微機(jī)內(nèi)所嵌設(shè)的處理軟件執(zhí)行如下步驟a、開始；b、是否進(jìn)行掃描；不掃描，則返回開始；確認(rèn)掃描，則設(shè)定掃描區(qū)域；c、設(shè)定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設(shè)定的掃描區(qū)域內(nèi)圈電極進(jìn)行逐層多頻掃描；e、掃描數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(guān)發(fā)酵參數(shù)；g、參數(shù)分析、異常報警將所獲取的發(fā)酵參數(shù)與正常發(fā)酵參數(shù)值進(jìn)行比較，若超出正常范圍則進(jìn)行報警；h、是否生成參數(shù)圖像，否，則進(jìn)入“是否循環(huán)監(jiān)測”步驟；是，則生成相應(yīng)參數(shù)圖像后再進(jìn)入“是否循環(huán)監(jiān)測”步驟；i、如果循環(huán)監(jiān)測，則返回“在設(shè)定的掃描區(qū)域內(nèi)圈電極進(jìn)行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環(huán)監(jiān)測，則判斷“是否變更掃描區(qū)域”；j、變更掃描區(qū)域，則返回“設(shè)定掃描區(qū)域”步驟；不變更掃描區(qū)域，則結(jié)束；所述的發(fā)酵參數(shù)，包括發(fā)酵罐內(nèi)溫度、基質(zhì)體積、基質(zhì)濃度、發(fā)酵產(chǎn)物的體積、發(fā)酵產(chǎn)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(fā)酵罐內(nèi)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(fā)酵罐的底部后再連接設(shè)于發(fā)酵罐外的一個電機(jī)，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(jù)獲取阻抗值計算生成相關(guān)發(fā)酵參數(shù)，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(fā)酵液的參考阻抗值，a表示發(fā)酵液的溫度系數(shù)，T表示發(fā)酵罐內(nèi)溫度，AT表示溫度變化值，Δ R表示發(fā)酵液阻抗變化值成和Rh分別表示發(fā)射I 5kHz低頻電流所獲得的阻抗值和發(fā)射IMHz 5 MHz高頻電流所獲得的阻抗值，Ic1為該發(fā)酵液中正常菌落電阻系數(shù)，P!為該發(fā)酵液中正常菌落電阻率，V1為菌落體積、V2為基質(zhì)體積，V3為發(fā)酵產(chǎn)物體積；v為發(fā)酵罐中發(fā)酵液總體積，由發(fā)酵罐所附帶的液位傳感器所獲得；k2表示發(fā)酵液內(nèi)正常基質(zhì)的電阻系數(shù)、P2表示發(fā)酵液內(nèi)正常基質(zhì)的電阻率、k3表示發(fā)酵液內(nèi)正常發(fā)酵產(chǎn)物的電阻系數(shù)、P3表示發(fā)酵液內(nèi)正常發(fā)酵產(chǎn)物的電阻率、C2表示發(fā)酵液內(nèi)基質(zhì)的體積濃度，C3表示發(fā)酵液內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)物的體積濃度。圈電極的接線端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)字控制通路與微機(jī)的端口進(jìn)行通訊連接。所述的處理軟件為LabVIEW軟件。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡采用PXI數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，可對發(fā)酵罐內(nèi)部發(fā)酵液進(jìn)行實時和全方位監(jiān)控，并能生成直觀的二維和三維的發(fā)酵罐內(nèi)圖像，圖像可分析出發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵過程的多種指標(biāo)的參數(shù)值或變化值，并能及時報警，便于人們及早干預(yù)。
圖I為本發(fā)明實施例中的原理連接框圖。圖2為本發(fā)明中發(fā)酵罐的示意圖。圖3為本發(fā)明中發(fā)酵罐的水平剖示圖。圖4為本發(fā)明中的處理流程框圖。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(cè)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(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地說明。
實施例
本發(fā)明應(yīng)用電阻抗斷層成像技術(shù)對發(fā)酵罐內(nèi)液體也即發(fā)酵液進(jìn)行實時監(jiān)測和成像，通過圖像可對基質(zhì)體積/濃度、發(fā)酵產(chǎn)物的體積/濃度進(jìn)行實時觀察和測量，從而對發(fā)酵過程進(jìn)行有效控制并及時發(fā)現(xiàn)菌污染等問題及早進(jìn)行干預(yù)。參見圖I 圖4，在發(fā)酵罐3的內(nèi)壁設(shè)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(shè)有絕緣層，以防止發(fā)酵罐帶電，本例中絕緣層隨形于圈電極呈圓環(huán)狀，圈電極2的接線端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的一端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4的另一端連接微機(jī)6的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發(fā)酵罐的底部后連接電機(jī)5 ;電機(jī)5的控制信號輸入端連接微機(jī)6的另一路信號端，發(fā)酵罐3的液位傳感器的信號端連接微機(jī)6的又一信號端；微機(jī)內(nèi)所嵌設(shè)的處理軟件執(zhí)行如下步驟a、開始；b、是否進(jìn)行掃描；不掃描，則返回開始；確認(rèn)掃描，則設(shè)定掃描區(qū)域；c、設(shè)定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設(shè)定的掃描區(qū)域內(nèi)圈電極進(jìn)行逐層多頻掃描；e、掃描數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(guān)發(fā)酵參數(shù)；g、參數(shù)分析、異常報警將所獲取的發(fā)酵參數(shù)與正常值進(jìn)行比較，若超出正常范圍則進(jìn)行報警；h、是否生成參數(shù)圖像，否，則進(jìn)入“是否循環(huán)監(jiān)測”步驟；是，則生成相應(yīng)參數(shù)圖像后再進(jìn)入“是否循環(huán)監(jiān)測”步驟；i、如果循環(huán)監(jiān)測，則返回“在設(shè)定的掃描區(qū)域內(nèi)圈電極進(jìn)行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環(huán)監(jiān)測，則判斷“是否變更掃描區(qū)域”；j、變更掃描區(qū)域，則返回“設(shè)定掃描區(qū)域”步驟；不變更掃描區(qū)域，則結(jié)束；所述的發(fā)酵參數(shù)，包括發(fā)酵罐內(nèi)溫度、基質(zhì)體積、基質(zhì)濃度、發(fā)酵產(chǎn)物的體積、發(fā)酵產(chǎn)物的濃度。本例中，處理軟件可選用LabVIEW軟件，本例中二維和三維圖像簡稱為“阻抗圖”。本發(fā)明中直線移動裝置可采用沿發(fā)酵罐內(nèi)壁圓周均布螺桿1，螺桿為垂直放置，且每根螺桿的底端穿過發(fā)酵罐的底部后再連接設(shè)于發(fā)酵罐外的一個電機(jī)5，螺桿I的頂部由下至上垂直貫穿絕緣層并螺紋連接絕緣層。本例中，在發(fā)酵罐內(nèi)壁共設(shè)了三根螺桿1，三根螺桿I分別位于等邊三角形的三個頂點上，然后圈電極2外側(cè)所連接的絕緣層的環(huán)壁上對應(yīng)三根螺桿處垂直設(shè)有三個螺紋孔，三根螺桿I分別穿入三個螺紋孔內(nèi)，每根螺桿I的底部穿過發(fā)酵罐的底部后再連接設(shè)于發(fā)酵罐外的電機(jī)5，貫穿發(fā)酵罐處的螺桿的外表面設(shè)為光滑面并且設(shè)有密封圈，當(dāng)微機(jī)控制電機(jī)5正、反旋轉(zhuǎn)時，三個電機(jī)會同步驅(qū)動三根螺桿進(jìn)行正反旋轉(zhuǎn)，從而使絕緣層帶動圈電極沿三根螺桿進(jìn)行上下升降運(yùn)動。本發(fā)明中圈電極2中每個電極的接線端分別--對應(yīng)連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的前
置放大電路的一端所設(shè)置的多路接線端，前置放大電路的另一端再依次連接前置濾波電路、數(shù)據(jù)采集卡的一端、信號處理電路的一端；數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)字控制通路與微機(jī)的端口進(jìn)行通訊連接。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。
本例中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡可采用National Instruments的PXI數(shù)據(jù)采集卡，這種數(shù)據(jù)采集卡上除設(shè)有數(shù)-模轉(zhuǎn)換器和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器外，還包含一組數(shù)字模擬開關(guān)，這組數(shù)字模擬開關(guān)由一路數(shù)字控制通路經(jīng)通信端口與微機(jī)進(jìn)行通訊連接，此數(shù)字模擬開關(guān)的目的是用來選擇在圈電極中哪些電極作為激勵電極哪些電極作為測量電極的，并且此數(shù)字模擬開關(guān)是由微機(jī)控制。當(dāng)要對微生物發(fā)酵罐內(nèi)的某一高度區(qū)域進(jìn)行實施監(jiān)測時，通過處理軟件預(yù)先設(shè)定所需監(jiān)測的微生物發(fā)酵罐內(nèi)的一段高度位置區(qū)域，然后再設(shè)定進(jìn)行斷層掃描的多個頻率，施加10 μ A 5mA微電流的頻率可選均勻分布的10 30個從100 Hz 5 MHz的頻率，例如取 100 Hz，200 Hz，500 Hz, I kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 20 kHz, 50 kHz, 100 kHz, 200kHz, 500 kHz, I MHz, 2 MHz, 5 MHz ;然后處理軟件會對電機(jī)5發(fā)出信號，控制電機(jī)5帶動螺桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，帶有螺紋的旋轉(zhuǎn)螺桿使圈電極沿螺桿進(jìn)行上、下升降運(yùn)動，本發(fā)明中可先控制圈電極2到達(dá)預(yù)先設(shè)定的需要斷層掃描區(qū)域的最底層，依次采用設(shè)定的多個頻率進(jìn)行斷層掃描，斷層掃描時微機(jī)6的處理軟件會控制數(shù)據(jù)采集卡上所設(shè)的數(shù)字模擬開關(guān)來控制選擇圈電極上的若干電極作為激勵電極，然后對這些選定作為激勵電極的電極依次施加事先設(shè) 定好頻率的電流信號進(jìn)行多頻斷層掃描，并由數(shù)字模擬開關(guān)所選擇的作為測量電極的電極米集反饋的電壓信號，這樣完成一層的多頻斷層掃描后，微機(jī)6會控制圈電極向上移動一層再進(jìn)行第二層的多頻斷層掃描，直至圈電極完成所設(shè)定高度區(qū)域的最高層的多頻斷層掃描；所有反饋的電壓信號被微機(jī)存儲在臨時存儲介質(zhì)中；然后微機(jī)再控制采集臨時存儲介質(zhì)中所反饋的電壓信號，并將電壓信號轉(zhuǎn)換成阻抗值，重建成二維和三維圖像；這些二維和三維圖像上的某一像素即表示掃描部位空間上的某一區(qū)域，分析這些二維和三維圖像獲取阻抗值，并計算生成相關(guān)發(fā)酵參數(shù)；具體為用阻抗值表示溫度T和溫度變化值A(chǔ)T可通過以下公式表示
公式(I) R=R0+aT ；
公式(2) Δ T= Δ R/ a ；
其中，公式中R為從二維和三維圖像上顯示的像素所獲取的阻抗值，Rtl為在參考溫度下的已知的發(fā)酵液的參考阻抗值，a為已知的發(fā)酵液的溫度系數(shù)，此溫度系數(shù)可根據(jù)不同的發(fā)酵液進(jìn)行提前測量計算并錄入微機(jī)的處理軟件中。因此公式(I)中的溫度T和公式(2)中的溫度變化值A(chǔ)T可計算。這些計算都可在處理軟件中的“圖像處理”步驟中進(jìn)行處理。上述公式(I)和公式(2)所表示的溫度和阻抗值對應(yīng)關(guān)系適用在100 Hz阻抗圖中。發(fā)酵罐中菌落濃度/體積，基質(zhì)濃度/體積和發(fā)酵產(chǎn)物濃度/體積可通過不同頻率的阻抗圖計算，例如利用I kHz 5 kHz的低頻和I MHz 5 MHz的高頻的阻抗差值計算菌落體積，可采用公式(3) =R1-Rh=Ic1P J1，其中，R1和Rh分別表示發(fā)射低頻電流所獲得的像素所代表的低頻阻抗值和發(fā)射高頻電流所獲得的像素所代表的高頻阻抗值，這樣R1和Rh均為可測量值丸為該發(fā)酵液內(nèi)正常菌落已知的電阻系數(shù)，P !為該發(fā)酵液內(nèi)正常菌落已知的電阻率，V1為菌落體積。由于匕和P1均為已知值，因此％可計算。而基質(zhì)的體積和發(fā)酵產(chǎn)物的體積則可采用高頻阻抗值通過下列公式計算
公式(4) Rh= k2 P 2V2+ k3 P 3V3 ；
公式(5) =V^V3=V-V1 ；
公式(5)中V為發(fā)酵罐中發(fā)酵液總體積，此參數(shù)值是發(fā)酵過程中實時監(jiān)測的基本參數(shù)，是通過發(fā)酵罐自身所附帶的液位傳感器所測量反饋到微機(jī)所獲得的已知值。Rh為上述公式
(3)中所表述過的發(fā)射高頻電流所獲得的像素所代表的高頻阻抗值，那么這個Rh作為測量所獲得的值也是一個已知值，V1已由公式(3)計算而得，k2為發(fā)酵液內(nèi)正?；|(zhì)的電阻系數(shù)、P 2為發(fā)酵液內(nèi)正?；|(zhì)的電阻率、k3為發(fā)酵液內(nèi)正常發(fā)酵產(chǎn)物的電阻系數(shù)、P 3為發(fā)酵液內(nèi)正常發(fā)酵產(chǎn)物的電阻率均為已知值，因此，通過公式(4)和公式(5)可計算得到基質(zhì)體積V2、發(fā)酵產(chǎn)物體積V3。既然基質(zhì)體積V2、發(fā)酵產(chǎn)物體積V3、發(fā)酵罐中發(fā)酵液總體積V都為已知了，那么發(fā)酵液內(nèi)基質(zhì) 的濃度C2,發(fā)酵液內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)物的濃度C3都可通過如下公式計算而得
公式(6) C2 = N2/ N '
公式(7) C3 = V3/ V ；
這樣便獲得了發(fā)酵參數(shù)，可與微機(jī)的處理軟件內(nèi)所存儲的正常發(fā)酵參數(shù)進(jìn)行比較，如果超出范圍值，則可進(jìn)行報警。再接下去用戶可自行根據(jù)需要生成相應(yīng)的參數(shù)圖像，比如可生成只指示發(fā)酵罐內(nèi)溫度分布的溫度圖像，或菌落的阻抗頻譜值曲線圖，參見圖5，這樣一旦菌落發(fā)生污染，所獲得的菌落阻抗頻譜值會發(fā)生變化，通過在同一曲線圖上表述正常和污染后的非正常菌落阻抗頻譜值就可進(jìn)行直觀地比對。因此，此阻抗頻譜值可作為反映菌落生長狀況的指示，如果發(fā)生菌落污染，此阻抗頻譜值會發(fā)生變化。因為是實時監(jiān)測，也可以設(shè)定循環(huán)監(jiān)測的時間后進(jìn)行循環(huán)斷層掃描監(jiān)測。本發(fā)明中，斷層掃描的成像速度可大于20幀/秒，以實現(xiàn)實時成像。電阻抗斷層成像技術(shù)采用對被測物注入微安或毫安級的微弱電流，范圍從10微安培到5毫安培，從而觀測被測物的電特性，此微弱電流對菌落生長無影響。本發(fā)明中采用IOOHz到5 MHz的多頻率阻抗掃描，以提取更多的被測物體的電特性。本發(fā)明中所產(chǎn)生的二維或三維圖像通過圖像重建和測量手段可反映出被測區(qū)域內(nèi)相關(guān)參數(shù)的變化，如，溫度變化，基質(zhì)濃度變化、發(fā)酵產(chǎn)物的濃度變化等，并可通過直接觀察實時的三維圖像來觀察整體發(fā)酵液在發(fā)酵罐內(nèi)的動態(tài)變化。
權(quán)利要求
1.一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，包括發(fā)酵罐、圈電極、螺桿、電機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌設(shè)有處理軟件的微機(jī)、直線移動裝置，其特征在于發(fā)酵罐(3)的內(nèi)壁設(shè)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(shè)有絕緣層，圈電極(2)的接線端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的一端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4)的另一端連接微機(jī)(6)的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發(fā)酵罐的底部后連接電機(jī)(5);電機(jī)(5)的控制信號輸入端連接微機(jī)(6)的另一路信號端，發(fā)酵罐的液位傳感器的信號端連接微機(jī)(6)的又一信號端；微機(jī)內(nèi)所嵌設(shè)的處理軟件執(zhí)行如下步驟a、開始；b、是否進(jìn)行掃描；不掃描，則返回開始；確認(rèn)掃描，則設(shè)定掃描區(qū)域；c、設(shè)定多頻斷層掃描的多個頻率；d、在設(shè)定的掃描區(qū)域內(nèi)圈電極進(jìn)行逐層多頻掃描；e、掃描數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(guān)發(fā)酵參數(shù)；g、參數(shù)分析、異常報警將所獲取的發(fā)酵參數(shù)與正常發(fā)酵參數(shù)值進(jìn)行比較，若超出正常范圍則進(jìn)行報警；h、是否生成參數(shù)圖像，否，則進(jìn)入“是否循環(huán)監(jiān)測”步驟；是，則生成相應(yīng)參數(shù)圖像后再進(jìn)入“是否循環(huán)監(jiān)測”步驟；i、如果循環(huán)監(jiān)測，則返回“在設(shè)定的掃描區(qū)域內(nèi)圈電極進(jìn)行逐層多頻掃描”步驟；如果不循環(huán)監(jiān)測，則判斷“是否變更掃描區(qū)域”;j、變更掃描區(qū)域，則返回“設(shè)定掃描區(qū)域”步驟；不變更掃描區(qū)域，則結(jié)束；所述的發(fā)酵參數(shù)，包括發(fā)酵罐內(nèi)溫度、基質(zhì)體積、基質(zhì)濃度、發(fā)酵產(chǎn)物的體積、發(fā)酵產(chǎn)物的濃度。
2.如權(quán)利要求I所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，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(quán)利要求I所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的直線移動裝置為沿發(fā)酵罐內(nèi)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(fā)酵罐的底部后再連接設(shè)于發(fā)酵罐外的一個電機(jī)(5)，螺桿(I)的頂部由下至上垂直貫穿絕緣層并螺紋連接絕緣層。
4.如權(quán)利要求I所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的根據(jù)獲取阻抗值計算生成相關(guān)發(fā)酵參數(shù)，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(fā)酵液的參考阻抗值，a表示發(fā)酵液的溫度系數(shù)，T表示發(fā)酵罐內(nèi)溫度，AT表示溫度變化值，Δ R表示發(fā)酵液阻抗變化值成和Rh分別表示發(fā)射I 5kHz低頻電流所獲得的阻抗值和發(fā)射IMHz 5 MHz高頻電流所獲得的阻抗值，Ic1為該發(fā)酵液中正常菌落電阻系數(shù)，P!為該發(fā)酵液中正常菌落電阻率，V1為菌落體積、V2為基質(zhì)體積，V3為發(fā)酵產(chǎn)物體積；v為發(fā)酵罐中發(fā)酵液總體積，由發(fā)酵罐所附帶的液位傳感器所獲得；k2表示發(fā)酵液內(nèi)正?；|(zhì)的電阻系數(shù)、P2表示發(fā)酵液內(nèi)正?；|(zhì)的電阻率、k3表示發(fā)酵液內(nèi)正常發(fā)酵產(chǎn)物的電阻系數(shù)、P3表示發(fā)酵液內(nèi)正常發(fā)酵產(chǎn)物的電阻率、C2表示發(fā)酵液內(nèi)基質(zhì)的體積濃度，C3表示發(fā)酵液內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)物的體積濃度。
5.如權(quán)利要求I所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于圈電極(2)的接線端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)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。
6.如權(quán)利要求5所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)字控制通路與微機(jī)的端口進(jìn)行通訊連接。
7.如權(quán)利要求I所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于所述的處理軟件為LabVIEW軟件。
8.如權(quán)利要求5或6所述的一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集卡采用PXI數(shù)據(jù)采集卡。
全文摘要
本發(fā)明涉及電阻抗成像技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種微生物發(fā)酵過程的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于發(fā)酵罐的內(nèi)壁設(shè)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(shè)有絕緣層，圈電極的接線端連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一端，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的另一端連接微機(jī)的一路信號端，直線移動裝置的底端穿過發(fā)酵罐的底部后連接電機(jī)；電機(jī)的控制信號輸入端連接微機(jī)的另一路信號端，發(fā)酵罐的液位傳感器的信號端連接微機(jī)的又一信號端。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，可對發(fā)酵罐內(nèi)部發(fā)酵液進(jìn)行實時和全方位監(jiān)控，并能生成直觀的二維和三維的發(fā)酵罐內(nèi)圖像，圖像可分析出發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵過程的多種指標(biāo)的參數(shù)值或變化值，并能及時報警，便于人們及早干預(yù)。
文檔編號C12M1/36GK102839122SQ201210222809
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者喬國鋒 申請人:上海杰穆實業(yè)有限公司