微生物发酵乙醇浓度在线检测技术及其仪器化研究

【摘要】：微生物发酵工程是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。乙醇浓度是发酵过程中重要的过程参数,直接影响着发酵过程的控制和优化,以及发酵产物的质量和产量。为了对发酵过程进行有效的优化控制,使先进的控制算法与策略得以实际应用,迫切需要对乙醇浓度参数进行在线实时检测。由于受生物传感技术发展水平的限制,目前乙醇浓度的检测大多采用离线的方法,不仅滞后大,且容易污染发酵液;在线检测技术尚不成熟,缺乏智能性。因此,研究微生物发酵过程中乙醇浓度在线检测技术,研制智能化乙醇浓度在线检测仪具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文在详细分析微生物发酵过程中乙醇浓度检测技术及仪器化的基础上,研究了乙醇浓度在线检测技术,给出了在线检测原理;将虚拟仪器技术与系统辨识相结合,建立了乙醇浓度的在线测量模型及相应算法,研制了乙醇浓度在线检测仪,并对该检测仪的测量精度和误差补偿方法进行了研究。该检测仪采用半导体气敏元件来实现乙醇浓度的探测;利用嵌入式技术,以微控制器(MCU,Micro Controller Unit)为核心的嵌入式系统完成信号采集、数据分析与处理;并通过RS-485总线和控制器局域网(CAN, ControllerArea Network)总线通讯接口,实现了与发酵智能测控系统的通讯。 实验研究表明,乙醇浓度在线检测原理正确可行,所研制的检测仪具有较高的检测精度,能适应多种混合物溶液的乙醇浓度检测,能够实现乙醇浓度在线检测的各种设计功能,很好地满足了微生物发酵工业生产自动化的要求。