專利名稱：一種微生物發酵過程的實時監測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型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裝置。
背景技術：
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。
發明內容本實用新型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裝置，包括發酵罐、圈電極、螺桿、電機、數據采集系統、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。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。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。數據采集系統中的數據采集卡采用PXI數據采集卡。本實用新型同現有技術相比，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。
圖I為本實用新型實施例中的原理連接框圖。圖2為本實用新型中發酵罐的示意圖。圖3為本實用新型中發酵罐的水平剖示圖。圖4為本實用新型中的處理流程框圖。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。·具體實施方式
現結合附圖對本實用新型作進一步地說明。
實施例本實用新型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3，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。參見圖4，微機內嵌設有處理軟件對各個相關部件進行控制，本例中處理軟件可選用LabVIEW軟件，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。本例中二維和三維圖像簡稱為“阻抗圖”。本實用新型中直線移動裝置為沿發酵罐內壁圓周均布螺桿1，螺桿為垂直放置，且每根螺桿的底端穿過發酵罐的底部后連接一個電機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，在發酵罐內壁共設了三根螺桿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外側所連接的絕緣層的環壁上對應三根螺桿處垂直設有三個螺紋孔，三根螺桿I分別穿入三個螺紋孔內，每根螺桿I的底部穿過發酵罐的底部后再連接設于發酵罐外的電機5，貫穿發酵罐處的螺桿的外表面設為光滑面并且設有密封圈，當微機控制電機5正、反旋轉時，三個電機會同步驅動三根螺桿進行正反旋轉，從而使絕緣層帶動圈電極沿三根螺桿進行上下升降運動。本實用新型中圈電極2中每個電極的接線端分別一一對應連接數據采集系統中的前置放大電路的一端所設置的多路接線端，前置放大電路的另一端再依次連接前置濾波電路、數據采集卡的一端、信號處理電路的一端；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。本例中數據采集系統中的數據采集卡可采用National Instruments的PXI數據采集卡，這種數據采集卡上除設有數-模轉換器和模-數轉換器外，還包含一組數字模擬開關，這組數字模擬開關由一路數字控制通路經通信端口與微機進行通訊連接，此數字模擬開關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，并且此數字模擬開關是由微機控制。當要對微生物發酵罐內的某一高度區域進行實施監測時，通過處理軟件預先設定所需監測的微生物發酵罐內的一段高度位置區域，然后再設定進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,200 kHz,500 kHz, I MHz, 2 MHz, 5 MHz ;然后處理軟件會對電機5發出信號，控制電機5帶動螺桿進行旋轉，帶有螺紋的旋轉螺桿使圈電極沿螺桿進行上、下升降運動，本實用新型中可先控制圈電極2到達預先設定的需要斷層掃描區域的最底層，依次采用設定的多個頻率進行斷層掃描，斷層掃描時微機6的處理軟件會控制數據采集卡上所設的數字模擬開關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定好頻率的電流信號進行多頻斷層掃描，并由數字模擬開關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6會控制圈電極向上移動一層再進行第二層的多頻斷層掃描，直至圈電極完成所設定高度區域的最高層的多頻斷層掃描；所有反饋的電壓信號被微機存儲在臨時存儲介質中；然后微機再控制采集臨時存儲介質中所反饋的電壓信號，并將電壓信號轉換成阻抗值，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域，分析這些二維和三維圖像獲取阻抗值，并計算生成相關發酵參數；具體為用阻抗值表示溫度T和溫度變化值AT可通過以下公式表示公式(I):R=R0+a T ;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酵液的參考阻抗值，a為已知的發酵液的溫度系數，此溫度系數可根據不同的發酵液進行提前測量計算并錄入微機的處理軟件中。因此公式(I)中的溫度T和公式(2)中的溫度變化值AT可計算。這些計算都可在處理軟件中的“圖像處理”步驟中進行處理。上述公式(I)和公式(2)所表示的溫度和阻抗值對應關系適用在100 Hz阻抗圖中。發酵罐中菌落濃度/體積，基質濃度/體積和發酵產物濃度/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分別表示發射低頻電流所獲得的像素所代表的低頻阻抗值和發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酵液內正常菌落已知的電阻系數，P !為該發酵液內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。而基質的體積和發酵產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)=VJV3=V-V1 ;公式(5)中V為發酵罐中發酵液總體積，此參數值是發酵過程中實時監測的基本參數，是通過發酵罐自身所附帶的液位傳感器所測量反饋到微機所獲得的已知值。Rh為上述公式(3)中所表述過的發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，1^2為發酵液內正常基質的電阻系數、P2為發酵液內正常基質的電阻率、k3為發酵液內正常發酵產物的電阻系數、P3`為發酵液內正常發酵產物的電阻率均為已知值，因此，通過公式(4)和公式(5)可計算得到基質體積V2、發酵產物體積V3。既然基質體積V2、發酵產物體積V3、發酵罐中發酵液總體積V都為已知了，那么發酵液內基質的濃度C2，發酵液內發酵產物的濃度C3都可通過如下公式計算而得公式⑷C2= V2/ V ;公式(7):C3 = V3/ V ;這樣便獲得了發酵參數，可與微機的處理軟件內所存儲的正常發酵參數進行比較，如果超出范圍值，則可進行報警。再接下去用戶可自行根據需要生成相應的參數圖像，比如可生成只指示發酵罐內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，這樣一旦菌落發生污染，所獲得的菌落阻抗頻譜值會發生變化，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，如果發生菌落污染，此阻抗頻譜值會發生變化。因為是實時監測，也可以設定循環監測的時間后進行循環斷層掃描監測。本實用新型中，斷層掃描的成像速度可大于20幀/秒，以實現實時成像。電阻抗斷層成像技術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。本實用新型中采用IOOHz到5MHz的多頻率阻抗掃描，以提取更多的被測物體的電特性。此本實用新型中產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域內相關參數的變化，如，溫度變化，基質濃度變化、發酵產物的濃度變化等，并可通過直接觀察實時的三維圖像來觀察整體發酵液在發酵罐內的動態變化。
權利要求1.一種微生物發酵過程的實時監測裝置，包括發酵罐、圈電極、螺桿、電機、數據采集系統、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。
2.如權利要求I所述的一種微生物發酵過程的實時監測裝置，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絕緣層并螺紋連接絕緣層。
3.如權利要求I所述的一種微生物發酵過程的實時監測裝置，其特征在于圈電極(2)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。
4.如權利要求3所述的一種微生物發酵過程的實時監測裝置，其特征在于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。
5.如權利要求3或4所述的一種微生物發酵過程的實時監測裝置，其特征在于數據采集系統中的數據采集卡采用PXI數據采集卡。
專利摘要本實用新型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。本實用新型同現有技術相比，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。
文檔編號C12M1/34GK202754994SQ2012203106
公開日2013年2月27日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者喬國鋒 申請人:上海杰穆實業有限公司