[发明专利]一种多通道集成嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法

说明书

技术领域

本发明—一种多通道嗅觉模拟仪器和生物发酵过程在线分析方法—涉及计算机、精密测量、自动控制、精密机械、生物发酵、生物反应器、分析化学、应用数学领域，主要解决嗅觉模拟仪器集成化、小型化与自动化、多生物发酵过程在线检测、远程可视化与在线分析问题。

背景技术

生物发酵过程在线检测、控制与优化的目的是以较经济的方式获得高附加值产品。生物发酵过程影响因素错综复杂，是非线性随机过程。对发酵液溶解氧（DO）浓度、pH值、通气量、温度和发酵尾气成分与浓度（例如O₂和CO₂）等参数进行在线检测，可及时掌握微生物生长和代谢情况，改变控制策略（例如补料方式与时机），调整外部环境，以优化菌体生长和产物合成过程。现在，氨基酸、啤酒、青霉素等发酵过程计算机控制与优化系统，包括温度、葡萄糖补料控制与优化系统，已获得实际应用。

发酵尾气在线检测与分析的重要性就犹如通过检测人呼出的气体判断其身体状况是否异常一样。尾气O₂和CO₂含量常用顺磁氧分析仪和红外CO₂分析仪分别进行测量。随着计算机和传感器技术的发展，激光浊度计、生物传感器、高效液相色谱等方法可实现基质浓度、菌体活度与浓度、产物浓度等参数的在线检测，一些装置和仪器已商业化生产，但存在可靠性低、稳定性差等问题。

质谱仪是一种典型的发酵尾气分析仪器，有些质谱仪与计算机数据处理系统相连接可同时对多个发酵罐进行在线检测与分析，目前主要用于尾气O₂、CO₂在线检测。质谱分析方法的主要缺点是，（1）仪器价格十分昂贵。例如，美国产MAX300-LG质谱仪售价100万元人民币以上，难以大规模推广应用；（2）对有机挥发成分和NH₃、CO等无机气体灵敏度不高，难以真正实现多种成分在线检测与分析。

嗅觉模拟仪器利用性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，能快速进行气味定性定量分析，例如，确定呈味物质类别、强度、质量等级、真假、新鲜程度、调整产品配方和工艺，等等。应用对象包括：香料香精、茶、酒类物质香气质量评定，水果成熟度判定，肉制品新鲜程度确定，环境空气监测，战争毒气检测，疾病诊断，乃至细菌和血液气味分析，等等。事实上，绝对无气味的物质是不存在的。

随着材料科学和精密制造工艺的进步，以SnO₂为代表的金属氧化物半导体型气敏传感器的灵敏度已达1.0×10^-9V/V(1.0ppb),常用范围为1.0～10000ppm。嗅觉模拟研究的一个发展趋势是，在单个气敏器件具有必要灵敏度的前提下，用性能重叠的多个气敏传感器组成阵列，着重利用数据分析方法来提高仪器的选择性。

嗅觉模拟仪器应用前景广阔，但目前能力还相当有限。与嗅觉模拟/电子鼻有关的文献与专利检索结果如下：（1）文献。1990年以前60多篇，现在已达4000余篇。（2）专利。100多项国际专利和20几项国内专利大多是近几年申请或授权的，显示国内外已开始重视嗅觉模拟领域知识产权保护。（3）技术标准。通过对IHS国际标准数据库进行检索，未发现与嗅觉模拟有关的产品技术标准。经对ISI和EI数据库查询，未发现嗅觉模拟方法应用于发酵过程在线检测与分析的文献。

嗅觉模拟仪器的核心—气敏传感器阵列对醇、烃、烯、酯、醛、酮等有机挥发气和NH₃、O₂、CO等无机气体具有很高的灵敏度。SnO₂半导体型气敏传感器对发酵尾气从开始接触到达到稳定状态的响应时间小于10秒，直接以0～10V电压信号输出，不需要二次仪表放大，这对生物发酵过程在线检测来说是很有吸引力的。嗅觉模拟方法通过对发酵尾气众多成分在线检测，借助于计算机与数据分析方法，来确定发酵尾气成分与浓度，进而对底物浓度、菌体活度与浓度、产物浓度和DO、pH值、RQ等参数进行预测与优化。

很多生物发酵已实现规模化生产，无论是在实验室，还是在生产车间，常常是多个发酵罐同时运行。为了将嗅觉模拟方法应用于多个生物发酵过程在线检测与分析，需要解决的关键问题是：

(i)、气敏传感器选择、更换与在线校正