一種基于成像化氣體傳感器陣列的發(fā)酵過程在線監(jiān)測的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種發(fā)酵過程監(jiān)測的方法，更具體地說，是涉及一種基于成像化氣體 傳感器陣列的發(fā)酵過程在線監(jiān)測的方法和裝置，屬于固態(tài)發(fā)酵過程監(jiān)測與控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 通過發(fā)酵過程監(jiān)測能了解發(fā)酵過程是否正常，而且能對不可測變量進行間接估 計，對發(fā)酵過程進行控制。目前，國內(nèi)外對發(fā)酵過程監(jiān)測的方法包括感官評價和理化檢驗。 傳統(tǒng)的感官判別方法從色澤、氣味等去判別發(fā)酵的過程，感官檢驗的結(jié)果不易量化，存在主 觀片面性，受主觀因素影響大；發(fā)酵的理化檢驗是以發(fā)酵生產(chǎn)過程產(chǎn)物的變化為基礎(chǔ)，進行 定性定量分析，成本高，費時費力，難以滿足快速檢測要求。因此，傳統(tǒng)的發(fā)酵過程監(jiān)測方法 難以做到快速、準確這一要求。為快速、有效、方便和無損的監(jiān)測發(fā)酵過程，近年來，電子鼻 技術(shù)逐漸應(yīng)用到發(fā)酵過程的快速檢測上。電子鼻技術(shù)有快速、無損的優(yōu)點，但研宄多局限于 利用金屬氧化物傳感器等傳統(tǒng)傳感器檢測發(fā)酵，難以區(qū)分相似物質(zhì)，且對環(huán)境中濕度的變 化敏感，容易引起檢測結(jié)果的偏差，對硫醇、胺等金屬鍵氣體靈敏度低，而這些氣體往往是 發(fā)酵腐敗的特征氣體，金屬氧化物氣體傳感器與反應(yīng)物之間主要是依靠范德華吸引力，這 種分子作用力是分子間的極弱作用力，靈敏度較差，而且金屬氧化物氣體傳感器在溫度高， 長時間工作后，響應(yīng)基準值容易發(fā)生偏移。成像化氣體傳感陣列監(jiān)測技術(shù)不但利用了分子 間的范德華力等弱力，而且引入了金屬鍵、極性鍵，具有較強的化學反應(yīng)，而且受空氣濕度 的影響小。成像化氣體傳感陣列監(jiān)測中使用的氣敏材料具有分子識別性功能，這種方法靈 敏度高，可以區(qū)分化學性質(zhì)極其相似的物質(zhì)，克服了常見傳感器難區(qū)分相似物質(zhì)的缺點，能 檢測出發(fā)酵過程中氣體的微量變化，從而比較準確地監(jiān)測發(fā)酵過程中狀態(tài)和內(nèi)部成分的變 化。因此，本發(fā)明提出基于成像化氣體傳感陣列的發(fā)酵過程在線監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的一個目的是提供一種快捷、準確和非侵入的基于成像化氣體傳感陣列的 發(fā)酵過程監(jiān)測方法，以解決傳統(tǒng)監(jiān)測方法易受環(huán)境影響和靈敏性低等問題。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0005] 一種基于成像化氣體傳感器陣列的發(fā)酵過程在線監(jiān)測的方法，包括如下步驟：
[0006] 步驟1，成像化氣體傳感器陣列的制備：通過微量取樣裝置取一定量的成像化氣 敏溶液固定到基底平板上，干燥后再進行下一個氣敏材料的固定，制成一個成像化氣體傳 感器陣列；
[0007] 步驟2,成像化氣體傳感器陣列顏色的采集：用氮氣作為載氣將發(fā)酵產(chǎn)物揮發(fā)的 氣體帶入到反應(yīng)室，和成像化氣體傳感器陣列發(fā)生顯色反應(yīng)，用掃描儀得到成像化氣體傳 感器陣列的圖像；
[0008] 步驟3,成像化氣體傳感器陣列顏色特征值的提?。涸谟嬎銠C內(nèi)先采用中值濾波 方法濾去圖像中的白噪聲，再用域值分割法把傳感器圖像從背景中分割出來，取傳感器樣 點周圍一定范圍的R、G、B平均值，提取顯色劑反應(yīng)前后R、G、B顏色變化的絕對值；
[0009] 步驟4,監(jiān)測模型的建立與驗證：建立基于提取的成像化氣體傳感器陣列顏色特 征與發(fā)酵狀態(tài)之間的回歸模型以實現(xiàn)發(fā)酵過程的在線監(jiān)測。
[0010] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟1中所述的成像化氣敏溶液主要有卟啉類化合物 和酸堿指示劑，它們能與大多數(shù)氣體化合物發(fā)生顏色反應(yīng)?；灼桨暹x用反相硅膠平板、聚 四氟乙烯等疏水性材料，性能穩(wěn)定，易固定成像化氣敏溶液。
[0011] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟2中的成像化氣體傳感器陣列反應(yīng)和顏色采 集都在恒溫箱中進行，所述恒溫箱中還包括氣體收集室、反應(yīng)室、掃描儀、電磁閥A、電磁閥 B、電磁閥C，氮氣瓶經(jīng)過電磁閥A連接到集氣室內(nèi)，然后通過集氣室中的另一管路分別和電 磁閥B和電磁閥C相連，所述電磁閥C所在的管路連通到掃描儀上的反應(yīng)室中，反應(yīng)室內(nèi)部 放置有成像化氣體傳感器陣列。
[0012] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟3中所述的R、G、B為紅綠藍三原色，R= |Ra-Rb|，G= |Ga_Gb|，B= |Ba_Bb|，式中下標b為成像化傳感器陣列與氣體反應(yīng)前的圖像，下標a 為成像化傳感器陣列與氣體反應(yīng)后的圖像。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步改進，步驟4中所述的監(jiān)測模型構(gòu)建的具體步驟為：
[0014] 第4. 1步：通過獨立分量分析對提取的顏色特征變量進行降維，進一步壓縮變量；
[0015] 第4. 2步：針對理化分析獲得的不同發(fā)酵狀態(tài)下的生物量濃度、產(chǎn)物濃度等反映 發(fā)酵進程狀態(tài)的特征劃分發(fā)酵過程狀態(tài)；
[0016] 第4. 3步：建立壓縮后的特征變量與發(fā)酵狀態(tài)之間的回歸模型；
[0017] 第4. 4步：收集外部獨立樣本，驗證所建立的發(fā)酵過程狀態(tài)回歸模型。
[0018] 所述步驟4. 3中，利用BP-AdaBoost算法建立壓縮后的特征變量與發(fā)酵狀態(tài)之間 的分類模型。
[0019] 本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明的監(jiān)測方法傳感器陣列由兩種不同類型的傳感器 組成，對發(fā)酵過程樣本進行檢測，檢測結(jié)果客觀、準確、方便，傳感器用量小且費用低，分析 過程簡單；2、本發(fā)明的待檢測氣體直接通過成像化氣體傳感器陣列，氣體充分傳感器接觸， 檢測時間短，只需3-5分鐘；3、本發(fā)明的監(jiān)測裝置操作簡便，并能準確、快速對發(fā)酵產(chǎn)生的 揮發(fā)氣體進行檢測，從而判斷發(fā)酵的進程狀態(tài)。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發(fā)明基于成像化氣體傳感陣列的固態(tài)發(fā)酵過程監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2為圖1中成像化氣體傳感器陣列7的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3為本發(fā)明基于成像化氣體傳感陣列的發(fā)酵過程監(jiān)測流程圖。
[0023] 圖中：1-氮氣瓶、2-電磁閥A、3-集氣室、4-電磁閥B、5-電磁閥C、6-掃描儀、7-反 應(yīng)室、8-成像化氣體傳感器陣列、9-恒溫箱、10-計算機。
【具體實施方式】
[0024] 本發(fā)明通過成像化氣體傳感陣列裝置來監(jiān)測發(fā)酵過程，發(fā)酵過程產(chǎn)生的揮發(fā)性氣 體與成像化氣體傳感陣列發(fā)生顯色反應(yīng)，然后利用掃描儀獲取傳感器陣列顯色反應(yīng)前后圖 像，利用中值濾波去噪和域值分割法把傳感器圖像從背景中分割出來，得到每個傳感陣列 顏色的平均值和特征值，最后針對特征值和發(fā)酵狀態(tài)建立過程監(jiān)測模型，得到發(fā)酵過程中 產(chǎn)物的變化，從而監(jiān)測發(fā)酵過程。
[0025] 本發(fā)明基于成像化氣體傳感陣列的發(fā)酵過程監(jiān)測所采用的技術(shù)方案是：成像化氣 體傳感陣列由成像化氣體傳感器和基板組成，成像化氣體傳感器主要有卟啉類化合物和酸 堿指示劑，基板一般選用反相硅膠平板、聚四氟乙烯等疏水性材料；氮氣作為載氣將氣體 收集室內(nèi)樣品揮發(fā)的氣體帶到反應(yīng)室內(nèi)，與反應(yīng)室內(nèi)成像化氣體傳感陣列發(fā)生顏色反應(yīng)； 傳感器顏色反應(yīng)裝置置于恒溫箱內(nèi)，顏色反應(yīng)裝置包括氣體收集室、反應(yīng)室、掃描儀和電磁 閥；將掃描儀得到成像化氣體傳感陣列反應(yīng)前后圖像傳入到計算機，用中值濾波去噪和域 值分割法把傳感器圖像從背景中分割出來，求得每個傳感器樣點的R、G、B顏色平均值，再 將每個傳感器反應(yīng)前后的顏色值相減的絕對值作為該傳感器的特征值；最后根據(jù)提取的顏 色特征值和發(fā)酵狀態(tài)建立發(fā)酵過程在線監(jiān)測模型。
[0026] 下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0027] 如圖1，本發(fā)明裝置由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括圖中：1-氮氣瓶、 2-電磁閥A、3-集氣室、4-電磁閥B、5-電磁閥C、6-掃描儀、7-反應(yīng)室、8-成像化氣體傳感 器陣列、9-恒溫箱、10-計算機。軟件部分由掃描儀的驅(qū)動控制程序、計算機的圖像處理程 序和模式識別系統(tǒng)組成。所述氮氣瓶1經(jīng)過電磁閥A2連接到集氣室3內(nèi)，然后通過集氣室 3 (存放發(fā)酵產(chǎn)物揮發(fā)的氣體）中的另一管路分別和電磁閥B4和電磁閥C5相連，其中電磁 閥C5所在的管路連通到掃描儀6上的反應(yīng)室7中，反應(yīng)室7內(nèi)部放置有成像化氣體傳感器 陣列8,計算機9通過連接掃描儀6來分析傳感器的掃描結(jié)果。
[0028] 如圖2所示的成像化氣體傳感陣列，成像化氣體傳感器陣列8由成像化氣體傳感 器和硅膠板組成。成像化氣體傳感器由卟啉類化合物和酸堿指示劑傳感器組成。為避免環(huán) 境濕度對傳感器精度的影響，選擇具有良好疏水性的反相硅膠平板、聚四氟乙烯等作為傳 感器載體，其微小的孔徑可以幫助吸附氣體分子加快檢測速度。其中，撲啉類化合物傳感器 的色敏材料主要是四苯基金屬卟啉或自由基卟啉，用于檢測路易斯堿；pH指示劑傳感器主 要用于酸堿性氣體檢測；選用氯苯、二氯甲苯或氯仿作為溶劑，用毛細管點樣法將氣敏材料 固定在反相硅膠板上，干燥后再進行下一個氣敏材料的固定，制成一個成像化氣體傳感器 陣列8。
[0029] 本發(fā)明對固態(tài)發(fā)酵過程監(jiān)測具有通用性，本發(fā)明將被檢測發(fā)酵樣品散發(fā)的成像化 氣體傳感器陣列8相接觸，被測氣體與成像化氣體傳感器陣列8中的卟啉類化合物傳感器、 pH指示劑傳感器反應(yīng)，由于成像化氣體傳感器陣列8的顏色