（检测技术与自动化装置专业论文）基于气敏效应的微生物发酵乙醇浓度检测仪研究.pdf

摘要 基于气敏效应的微生物发酵乙醇浓度检测仪研究 摘要 乙醇浓度是微生物发酵过程中重要的过程参数，直接影响着 发酵过程的优化调控以及发酵产物的质量和产量。在现有的乙醇 浓度检测方法中，离线检测方法不仅滞后而且不能和控制系统相 连；基于光学和声学原理的在线检测技术只能实现乙醇和水二元 溶液的检测；基于生物学原理的检测技术尚不成熟且容易污染发 酵液。为了使先进的控制方法和策略应用到发酵生产过程中，有 效地实现对发酵过程的优化调控，迫切需要对发酵过程乙醇浓度 进行准确地在线检测。因此，研究微生物发酵乙醇浓度在线检测 技术具有重要的应用价值。 本文在详细分析现有乙醇浓度检测方法和发酵过程特点的基 础上，研究了基于气敏效应和气液相平衡原理的乙醇浓度在线检 测方法，该方法使用四个气敏传感器组成测量电桥，利用基于分 段最小二乘原理的曲线拟合法进行系统非线性校正；在此基础 上，给出了微生物发酵乙醇浓度在线检测仪的硬件和软件设计。 实验测试表明，基于气液相平衡原理建立的在线测量模型能 实现发酵过程乙醇浓度的在线检测。用于乙醇气体检测的传感器 电桥不仅精度高，而且能克服环境温度变化对测量带来的影响； 北京化工大学硕士学位论文 基于分段最小二乘原理的曲线拟合法能有效降低系统的非线性误 差。基于本文方法设计的乙醇浓度在线检测仪能够达到2 的测 量精度，为微生物发酵过程中乙醇浓度在线检测提供了一种有效 的方法。 关键词：乙醇浓度，气敏效应，气体检测，在线检测，微生物 发酵 i i r e s e a r c ho no n u n e m e a s u r i n gi n s t r u m e n tf o re t h a n o l c o n c e n t r a t i o ni nf e r m e n t a t i o nb a s e do ng a ss e n s i n g e f f e c t a b s t r a c t 1 1 1m ea n i m a l c u l ef e r m e n t a t i o np r o c e s s ，e t h a n 0 1c o n c e m r a t i o ni s o n eo ft h em o s ti n l p o r t a n t v a r i a b l e s ，a n dd i r e c t l yi n f l u e n c e st h e o p t i m i z a t i o n a n da u t o m a t i cc o n t r o l p e f f o m a n c e o ff e r m e n t a t i o n s y s t e ma sw e na st h eq u a l i t ya n dy i e l do ft h eo u t p u t t h ee x i s t i n g m e t h o d sf o re t h a n o lc o n c e n t r a t i o nm e a s u r e m e n t sa r ea l m o s to f b l i n e w h i c hr e s u l t si nt h ed e l a y t h eo n l i n em e a s u r e m e n t sb a s e do n o p t i c a l p r i n c i p l e a n da c o u s t i c p 打n c i p l eo n l y m e a s u r et h ee t h a n o l c o n c e n t r a t i o no fab i n a r ys o l u t i o no fe h a n o l - w a t e r t h em e t h o db a s e d o nb i o l o g i c a lp r i n c i p l ei sn o ty e tr i p ea n dc a nr e s u l ti nc o n t 锄i n a t i o n o fy e a s tm n s o 如r t h e rs t u d y i n gt h eo n - l i n em e a s u r eo fe t h a n o l c o n c e n t r a t i o ni nt h ef e m e n t i n gc o n d i t i o ni si n d i s p e n s 2 l b l e b a s e do nt h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h ec u l l r e n tm e t h o d so fe t h a n o l c o n c e n t r a t i o nm e a s u r e ，m e t h o do fe t h a n o lo n 1 i n em e a s u r eb a s e do n v 印o r 二l i q u i de q u i l i b r i al a wa n de t h a n o lg a ss e n s o ri ss t u d i e d b a s e do n t h i s ， t h eha r d w a r ea n ds o r w a r ed e s i g l lo fe t h a n o lc o n c e n t r a t i o n m e a s u r i n gi n s t l l l m e n ta r ep r o v i d e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eo n l i n em e a s u r e m e n t m o d e lb a s e do nv 印o r _ 1 i q u i d e q u i l i b r i a l a wa n dg a s s e n s i n g c a n m e a s u r ee t h a n o lc o n c e n t r a t i o no n l i n e ，a 1 1 dt h ee t h a n o lc o n c e n t r a t i o n m e a s u r i n gi n s t m m e n tc a nm e a s u r eo n l i n ew i t h 士2 p r e c i s i o n t t l i s i i l 北京化工大学硕士学位论文 m e e t st h ed e m a n do ft h em e a s u r eo fe t h a n o lc o n c e n t r a t i o n ，c a na d a p t t ot h ee t h a n o lm e a s u r ei nf 锄e n t i n gc o n d i t i o n k e yw o l 王d s ：e t h a n o l c o n c e n t r a t i o n ，g a ss e n s i n g ，g a s m e a s u r e m e n t ，o n l i n em e a s u r i n g ，a n i m a l c u l ef e r m e n t a t i o n i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：瓢宅毳日期：胡，多岁 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属 北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在2 年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本 授权书。 作者签名：氍莞 导师签名： 日期：旦桶多 日期： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 微生物发酵是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础。当前，微生物 工程在基因工程等生物技术的支持下，其应用范围越来越广，已深入到工农业生 产、医疗保健、环境保护等很多领域，不仅促进了传统产业的技术改造而且对人 类社会产生了深远的影响，显示出了巨大的经济效益潜力。 乙醇浓度是微生物发酵过程中重要的过程参数，直接影响着发酵过程的优化 调控以及发酵产物的质量和产量。掌握乙醇浓度信息对准确把握发酵过程所处状 态，实现发酵过程的优化调控都具有重要意义。 当前，许多发酵工业、化工生产部门仍然采用间隙取样，离线分析的乙醇 浓度检测方法。这些离线测量方法所测得的数据只能凭经验用于大致估计取样 时的发酵状态，不能为过程控制系统所用。这对于提高发酵工业的生产效率和 自动化程度都很不利。 随着乙醇浓度测量新原理、新技术的出现，乙醇浓度的在线检测成为可能并 获得很大发展，出现了基于光学原理、声学原理、生物学原理和气敏传感器原理 的检测技术。基于这些原理和技术制成的测量仪器根据其特点被用于不同的场合 并发挥着积极的作用。但是，对于微生物发酵过程中乙醇浓度的在线检测，由于 发酵过程的复杂性以及现有检测手段的局限性，还不能满足当前发酵生产对乙 醇浓度在线检测的需求。为了使先进的控制方法和策略应用到微生物发酵中， 实现发酵过程的优化调控，提高发酵产物的质量和产量，迫切需要对发酵环境下 乙醇浓度进行准确地在线测量。 ，。 1 2 乙醇浓度检测技术研究现状 为了满足生产生活中对于乙醇浓度测量的需求，人们逐渐发展出了各种乙 醇浓度测量方法。这些基于不同原理的测量方法根据其特点和使用条件不同而 被应用于不同的场合。 从最早的基于密度方法的比重瓶法、蒸馏法，基于化学方法的化学滴定法 到现代基于光谱分析的红外吸收光谱法、气相色谱法、近红外漫反射法等，这 些乙醇浓度测量方法其测量精度越来越高，操作越来越简便。同时，为了满足 生产生活对自动化方面提出的更高要求，伴随着新的理论的出现又发展了能够 实现在线测量的乙醇浓度检测方法。基于光学原理、基于声学原理的乙醇浓度 北京化工大学硕士学位论文 测量方法以及半导体气敏传感器的出现就在一定程度上满足了人们的这种要 求。同样，这些方法也根据其特点和使用条件而被应用于不同的场合。 1 2 1 乙醇浓度离线检测技术 最早发展的乙醇浓度检测方法都是离线测量。典型的离线测量方法根据测 量原理可以划分为基于密度方法的测量和基于光谱分析方法的测量。典型的离 线测量方法如：比重瓶法、蒸馏法等属于基于密度方法的测量；红外吸收光谱 法、分光广度法等属于光学分析的测量。这些方法都需要对待测物进行取样， 然后对样品进行离线处理、测量从而得出被测物的乙醇浓度含量。 ( 1 ) 基于密度方法的测量 基于密度方法的乙醇浓度测量是应用最久远、最广泛的测量方法，直到现在 仍旧在工农业生产中发挥着重要的作用。 比重瓶法就是依据比重原理，由待测液体与同温度、同体积下纯水的质量比 值直接得出液体的密度，再由密度和浓度之间的对应关系得到待测液体的浓度。 比重瓶的体积可通过注入蒸馏水，由天平称其质量算出，若称得空比重瓶的 重量为，充满密度为风的蒸馏水时的质量为m 。，则所l = m o + 风 因此圪：盟 ( 1 1 ) p q 如果再将待测密度为p 的液体注入比重瓶，再称待测液和比重瓶的质量为 ， 则 p = ( 聊2 一) ( 1 2 ) 即 ：风坠 ( 1 3 ) m i 一肌o 测得待测液体密度，就可以通过密度和浓度对应关系得到液体浓度。 蒸馏法测乙醇浓度同样是基于密度方法的测量，所不同的是蒸馏法需要对 待测溶液进行一次蒸馏操作，再对馏出液应用比重瓶法从而得出溶液中乙醇浓 度。 比重瓶法和蒸馏法测量乙醇浓度，测量精度高并已经作为国家标准写入标 准手册，这些方法正被广泛应用于酿酒、食品等工业生产中。虽然这种方法作 为国标而被广泛应用，但是基于这种方法的分析操作很费时，以酿酒工业中对 啤酒中酒精度的测量为例，即使是一位熟练的操作员一天也只能完成几个样品 浓度分析。 ( 2 ) 基于光学原理的测量 2 第一章绪论 红外吸收光谱法和分光光度法是两种用于酒类溶液中乙醇浓度检测的常用 方法，其依据的原理是乙醇在光谱的红外区等一些特定的光谱区有特征吸收存 在，通过测量特征吸收情况就可以得出相应的乙醇浓度【l 】。 光谱的红外区域包括波长从0 7 5 1 0 0 0 舳范围内的电磁波。红外光谱根据不 同的波长范围分为三个区，即近红外区，中红外区和远红外区。利用红外光谱对 酒精浓度进行定量分析遵循比尔一朗伯定律。根据这一定律，一定波长的光通过 样品时，见图1 1 ，透射光强，；与入射光强厶，成正比，与样品的厚度，及浓度c 的 指数成反比【2 1 。 即 厶= 厶丑1 0 吨 ( 1 4 ) 样品浓发( c ) j 图l - l 光通过被测样品 f i g 1 - ll i g h tp 鹕t 1 1 r 0 1 l g l l 吐l es 锄p i i l g 式中e 为样品对波长为旯的光波的吸收系数，它是物质的常数，e ，越大 表示样品吸收波长为见的光波的能力越强。若c 以聊d ，三为单位，以c 研为单 位，则易记为s ；称为摩尔吸光系数，它是物质分子吸收波长为五光的能力强弱 的量度。 设透光率为丁，则 ， 丁= = 1 0 1 ( 1 5 ) f o a 定义其光度为彳，则 彳= 一l o g r = 毛c ，( 1 - 6 ) 吸光度彳与样品的浓度c 及厚度，成正比。占，为单位浓度、单位厚度的吸光 度，它由样品的本质决定，与样品的浓度及厚度无关。 红外吸收光谱法也广泛应用于酿酒工业中，但是使用这种方法只能测量浓 度较低情况下的乙醇浓度，因为这种方法所遵循的比尔定律只有在描述稀溶液 的光谱吸收时才是有效的，在高浓度时，由于吸收特定波长的辐射能力发生变 化从而会导致较大的偏差。为了克服这个问题，在生产中，一般是稀释溶液并 选择吸光度随波长改变尽可能小的光谱区域来降低偏差满足测量要求3 1 。 采用光谱分析的方法，通过间隔性的自动取样乙醇，再利用高性能液体色 谱分析乙醇浓度【4 1 ，能在一定意义上实现“在线检测”。当然，这种检测技术 3 北京化工大学硕士学位论文 本质上还是属于离线测量，只不过实现了自动取样自动分析。 1 2 2 乙醇浓度在线检测技术 随着生产发展，开始出现了对乙醇浓度在线检测方面的需求，在这些需求 的驱动下了发展了基于不同原理的乙醇浓度在线检测技术。根据不同的检测原 理与方法，对于乙醇浓度的在线检测可分为：基于光学原理的检测技术、基于 声学原理的检测技术、基于生物学原理的检测技术和基于半导体敏感材料的检 测技术。 基于不同原理的检测技术有其不同的特点，根据其不同的特点而被应用于 不同的场合。 ( 1 ) 基于光学原理的乙醇浓度检测 基于光学原理的乙醇浓度检测技术包括光纤传感器和液芯光波导传感器等。 光纤浓度传感器是根据被测溶液折射率取决于其浓度和温度的原理进行测 量的1 5 j 。 根据全反射原理，当光线从光密介质( 折射率为刀) 向光疏介质( 折射率 以 咒) 入射时，随着光线入射角增大，反射光线的强度逐渐增强，而折射光线 的强度逐渐减弱，当入射角大于临界角时，折射光不复存在，入射光线全部 反射，临界角q 。的大小取决于相邻介质折射率的比值，即 纯：s i n l 竺( 1 7 ) 刀 溶液的折射率取决于它的浓度，临界角q 。随着溶液浓度的变化而变化。 利用测量临界角的方法间接测量溶液浓度的原理如图1 2 所示。 图中，由传光光纤发出的光线被透镜2 准直成平行光束，然后又被透镜3 聚焦 在棱镜6 与待测溶液的交界面上。该入射光束中的一部分光线，由于其入射角小于 临界角而折射进人溶液之中，其反射光通量很小，因此在光电接收器件c c d 的接 收面上形成了“暗区 ，入射光束中的另一部分光线，由于其入射角大于临界角 而产生全反射，从而在光电器件c c d 的接收面上形成了“亮区 。亮、暗区的交 界线位，取决于临界角的大小，亦即与被测溶液的浓度( 或者说折射率) 相对应。当 被测溶液的浓度变化时，亮、暗区交界线在c c d 上的位置也发生变化。据此就可 以测得溶液浓度的变化。 4 第一章绪论 l 、2 、3 、4 、5 为透镜，6 为梭镜 图l - 2 光纤浓度传感器 f i g 1 - 2f a b r i cs s o rf i o rm e a 吼h i n gl i q u i dc o n c 饿血o n 液芯光波导传感器也是利用乙醇浓度与折射率的关系原理进行测量【6 】。 在一定的浓度范围内，乙醇溶液浓度与折射率成线性关系，只要得到了乙醇 溶液的折射率，就可以确定其浓度值。乙醇的折射率测量如图1 3 所示。将已知折 射率为的液体灌入光波导管内，并将整个光波导管置于装满待测乙醇溶液的容 器中。待测乙醇溶液的折射率为刀，光源通过光学系统使光束射到光波导的入射 端面中心，光波导出射端面的辐射能量为【7 】： 三 e ( ，以) = 2 万，( o ) 【1 一( 1 一2 + ) 2 】 ( 1 8 ) 式中，( o ) 是入射辐射光强。若 j ( 0 ) 等于常数，乙醇浓度改变 ( 刀改变) 时，探测器探测到的光 能量e ( ，拧) 将随咒而变，经光 电转换成输出电信号，对电信 号进行处理就可以得出乙醇浓 度。 光 形形 驾f 以 测 滋 舭薛溶液形 器 图1 3 乙醇折射率测量 f i g 1 3m e 纲l i i 咖to f a l c o h o l 托劬c t i v ci n d e x 目前，已经有使用光纤传感器和液芯光波导传感器进行乙醇浓度测量并成功 应用的实例，在其应用场合上取得了不错的测量效果，其准确度达到了o 5 的 高精度。但是，基于光学原理的乙醇浓度测量，溶液中任何一种物质的浓度发 生变化均会引起折射率发生改变，进而导致相应的传感器输出信号变化，对乙 醇的单一选择性很差。事实上已经投入使用的基于光学原理的测量装置均是对 乙醇和水二元溶液的测量。此外，基于光学原理的测量在测量中还要考虑液体 温度变化的影响，且无论是光纤传感器还是液芯光波导传感器对安装都有一定 要求，这使其应用范围受到一定限制。 ( 2 ) 基于声学原理的乙醇浓度检测 北京化工大学硕士学位论文 该检测技术的原理是：液体中超声波的传播速度( p ) 是液体弹性模数和密度 的函数，超声波的速度随密度或弹性模量而变，同时也是溶液浓度( c ) 和温度( 丁) 的函到8 1 ，即存在关系式： c = f ( p ，丁) ( 卜9 ) 得到了超声波在溶液中的传播速度( p ) 以及溶液的温度( r ) ，就可以推测出被测 溶液浓度( c ) 。 由于声速不方便直接测量，因此在实际使用中，一般都是通过测量声波传播 一段固定长度距离所使用的时间来代替声速测量。目前，也已经有使用这种原理 的超声波乙醇浓度在线监测仪器投入使用纠。 和基于光学原理的测量一样，基于声学原理的乙醇浓度测量同样是一种乙醇 和水二元溶液的浓度测量。如果溶液是多溶质的混合溶液，则溶液中任何一种溶 质成分的改变都会引起超声波传播速度的变化，从而不能达到测量单一溶质浓度 的目的【1 0 j 。 ( 3 ) 基于生物原理的乙醇浓度检测 基于生物原理的乙醇浓度检测是利用微生物、酶等活性物质将待测物转化为 能被传感器所感知的物质再进行检测【1 1 1 。基于这种原理的传感器被称为生物传 感器，一般是由固定化酶或细胞和电化学或物理传感器组成的一种能测定溶液中 某种或某一类化学物质的传感器装置。其工作原理是使被检测物质进入生物敏感 膜层，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被响应的化学或物理换能 器转变成可定量的和可处理的电信号，再经过二次仪表放大并输出，便可知被测 物浓度。生物敏感膜是具有生物学活性的材料，它能够识别被测对象，是生物 传感器引起某种物理变化或化学变化的主要功能部件，也是传感器选择性的基础 和关键元件，其功能直接决定传感器的功能与质量【1 2 1 。 常用的生物传感器主要有酶电极和微生物电极。酶电极是酶与电化学传感器 相连结用来测量浓度的电极，当待测物与酶膜发生作用时所产生的物质能被电化 学传感器感知，从而可通过待测物与转化物质之间的对应关系推定待测物质的浓 度。微生物电极是将酶膜换成微生物，再与电化学传感器相连构成【l 引，其传感 原理与酶电极原理基本相同。 目前，还有一种利用固定化微生物和氧电极构成的微生物传感器。该传感器 通过微生物的呼吸活性来测定乙醇浓度。用氧电极可直接测量微生物的呼吸活 性，因此当含醇类物质进入测试系统时，氧通过透气膜并被固定化微生物消耗， 引起膜附近溶液中的溶解氧减少，电极电流随着时间而明显减小，一直达到某个 稳定值【1 4 1 。 生物传感器灵敏、专一、微量、快速、准确，具有特异的生物分子识别功 6 第一章绪论 能与快速的物理化学方法相结台的特点，但使用这种原理的测量方法由于敏感元 件使用的是生物菌或生物酶，因此对温度有一定的要求，而且对于有可能污染生 物酶的测量环境也不能使用。 ( 4 ) 基于半导体敏感材料的乙醇浓度检测 金属氧化物半导体具有气敏效应，即金属氧化物半导体接触气体时，其电 阻率随气体种类及其浓度而发生变化【l5 1 。当气体种类和元件的工作条件不变 时，元件的电阻值与被测气体的浓度有对应关系。按照这一原理可以制作成半 导体乙醇气敏传感器用于乙醇气体的检测。 目前，使用半导体气敏传感器测量乙醇气体的应用非常广泛。例如，利用 其小巧、省电的特点可以制作成便携式酒精浓度检测仪【1 6 l 7 】来对人呼出气体中 的酒精浓度进行测量以检测人是否饮酒【1 8 1 9 1 ；在汽车上大量装备的用于乙醇气 体浓度检测的传感器也是这种半导体气敏传感器【2 0 1 ；此外，气敏传感器还被广 泛应用在工厂等需要对空气中乙醇浓度进行监测的场合【2 1 1 。 在一定条件下，可以使用半导体气敏传感器间接测量乙醇溶液的浓度，所 依据的就是气液相平衡原理，即在含有气体和液体的多相系统中，当气液相达 到平衡状态时，某种物质在气相中的浓度与在液相中的浓度有确定的关系，测 定了此种物质在气相中的浓度就可以间接得到其在液相中的浓度【2 2 捌。 半导体乙醇气敏传感器具有反应灵敏、后期处理电路简单的优点。但是， 气敏元件可能对一类物质成分都敏感，在接触到这些物质时均会引起其自身电 阻值的变化。这导致在测量混合气体中一种物质的浓度时产生较大的误差【2 4 1 。 基于半导体气敏传感器研制的用于酵母流加发酵生产中乙醇浓度在线检测的测 量仪【2 5 】就是依据气液相平衡原理进行测量，但是由于没有采取滤除杂质气体的 措施，在发酵过程中产生的其它气体成分就可能给检测带来较大的误差。此 外，半导体气敏传感器普遍对温湿度敏感【2 6 1 ，在温湿度变化大的应用场合应该 考虑采取补偿措施。 1 3 课题研究的意义与主要内容 1 3 1 本课题研究意义 微生物发酵是生化工程和现代生物技术及其产业化的基础，其重要性随着 现代生物技术的发展不断加强。在微生物发酵中，乙醇浓度直接影响着发酵过 程的优化调控以及发酵产物的质量与产量，是一个需要测量的重要过程参数。 目前，在发酵工业生产中，对于乙醇浓度的检测仍然大量采用间隙取样，离 线分析测量的方法，不仅费时费力，而且所得到的乙醇浓度信息缺乏实效性，不 能为过程控制系统所用。随着新的检测方法和检测手段的出现，乙醇浓度的在线 7 北京化工大学硕士学位论文 测量成为可能并发展了基于光学原理、声学原理、生物学原理和气敏传感器原理 的检测装置和仪器。但是针对发酵环境的乙醇浓度检测，基于上述原理的检测技 术则还不能满足发酵生产上的要求，例如，基于光学原理和声学原理的检测方法 只能实现乙醇和水二元溶液中乙醇浓度的测量；基于生物学原理的检测方法，发 酵环境会被生物敏感器污染；基于气敏传感器原理的检测方法虽能够用于发酵环 境但在排除发酵环境中其它气体成分干扰和环境温湿度变化干扰上还存在不足， 导致其检测精度不高。 随着生物技术的发展，发酵生产对自动化程度的要求越来越高，现有的乙 醇浓度检测技术已不能满足发酵生产对乙醇浓度检测提出的要求。为了将先进 的控制方法和策略应用到微生物发酵中，实现发酵过程的优化调控，提高发酵产 物的质量和产量，迫切需要对发酵过程中乙醇浓度进行准确地在线检测。因此， 研究微生物发酵乙醇浓度在线检测技术具有重要的应用价值。 1 3 2 本课题研究的主要内容 j 本课题针对微生物发酵过程，研究乙醇浓度在线检测方法及其误差修正方 法，在此基础上，研制微生物发酵乙醇浓度在线检测仪。 课题研究内容主要包括： ( 1 ) 针对微生物发酵过程的特点，研究用于微生物发酵过程的乙醇浓度在 线检测方法； ( 2 ) 设计微生物发酵乙醇浓度在线检测仪； ( 3 ) 结合酵母发酵生产谷胱甘肽过程，对研究的乙醇浓度在线检测方法、 误差修正方法及设计的乙醇浓度在线检测仪进行实验验证。 第二章微生物发酵乙醇浓度在线检测原理 2 1 引言 第二章微生物发酵乙醇浓度在线检测原理 微生物发酵所处的反应器是一个复杂的多相系统，具有时变性且所牵涉的参 数大多属于不可控因素，参数之间互为条件，相互制约。微生物发酵中乙醇浓 度检测具有以下特点： ( 1 ) 受发酵罐内温度、压力影响。乙醇是一种易挥发的物质，在温度、压 力变化时，发酵液中乙醇的溶解度会随之变化。 ( 2 ) 受发酵液中其他物质干扰。发酵液中其它成分，还有易溶解的有机溶 剂，都能对乙醇浓度检测造成影响。 ( 3 ) 检测方法不能污染发酵液或者干扰微生物发酵。 由微生物发酵过程中乙醇浓度检测的特点可知，在线检测乙醇浓度需要排 除环境温度影响、其他物质干扰并确保检测方法不破坏发酵过程。 结合现有的乙醇浓度检测原理可知：基于光学、声学原理的检测技术都不 能很好地排除其他溶质浓度变化引起的干扰，事实上其他溶质的浓度变化可能 比乙醇浓度的变化更为剧烈从而严重干扰测量；基于生物原理的检测技术由于 生物传感器本身会污染发酵环境，而使它不适合用于发酵过程乙醇浓度检测； 基于半导体气敏传感器的检测技术具有响应速度快、重复性好的优点。根据气 液相平衡原理，可以通过测量发酵罐内的乙醇气体浓度间接得到液体浓度，且 这种测量方法不会影响发酵过程。本课题就是研究基于气敏效应的乙醇浓度在 线检测方法。 2 2 气敏传感器作用机理 2 - 2 1 气敏传感器作用机理 气敏传感器能够有选择地将气体浓度转化为相应的电信号【2 7 1 。自从1 9 6 2 年 用金属氧化物多晶制成的可燃气体传感器面世以来，金属氧化物半导体传感器在 世界范围内得到了广泛的研究和开发，应用领域也不断扩展【2 8 】。 根据控制机理不同，半导体气敏传感器可分为两类：一类是电阻控制型，主 要是金属氧化物半导体气敏传感器；另一类是非电阻型，这多是用半导体材料硅 制成的气敏传感器。目前，应用最多最广泛的是电阻控制型气敏传感器。 电阻控制型气敏传感器是通过敏感元件与被测气体的接触引起的电导变化来 9 北京化工大学硕士学位论文 检测气体。其气敏效应机理可以通过晶界势垒模型和颈部模型来解释。 ( 1 ) 晶界势垒模型 晶界势垒模型基于半导体气敏材料是由许多晶粒组成的多晶体，在晶粒接触 的界面处存在着势垒和界面态。界面态的引入主要是因为晶体的晶格结构在晶界 处突然终止，在晶体最外层的晶格原子将有未饱和键，这些键称为悬挂键，界面 态即与悬挂键对应的电子能态。以检测可燃性气体的跏q 材料为例，一般情况 下，界面处吸附氧化性气体( 如空气中的d 和q 等) ，界面态被氧原子所饱和。 由于氧从半导体晶粒表面吸附负电荷( 形成d 2 - 、d 一、d 一) 等： 三d 2 + p d 一 ( 2 - 1 ) 从而提高了界面势垒，阻碍了电子在晶粒之间的运动，因而材料表现出较高的电 阻率。若气敏元件接触可燃性气体，则可燃性气体与所吸附的氧发生反应。以 凰为例： d 一十_ 卫d + e ( 2 2 ) 反应释放出电子，降低了表面势垒，从而消弱了势垒对电子运动的阻碍作用，则 材料表现出较低的电阻率。该模型能较好的解释气敏元件在还原性气体中电阻率 下降的规律。 可见，还原性气体使气敏元件电阻率下降的反应实质上就是还原性气体的燃 烧反应。加热能促进气体的燃烧反应，故半导体气敏传感器通常在加热条件下使 用。 ( 2 ) 颈部模型 用透射电境观察表明，大部分实用氧化物半导体气敏传感器的微观结构是晶 界势垒模型和颈部模型的组合结构。颈部模型认为晶粒之间并非完整的界面，而 是一种较细的连接结构，像“颈部”一样。几个晶粒通过颈部连接构成晶粒团 块，晶粒团块内各晶粒之间的颈部直径是晶粒直径的o 瑚9 倍，各晶粒团块间 又是晶界势垒接触。由于n 型半导体吸附了氧，从而产生缺乏电子的表面空间 电荷层，使晶粒边界和颈部的电阻在元件中最高，该电阻代表了整个元件的阻 值，因此晶粒结合部的形状和数量对传感器的性能影响很大。晶粒为颈部结合 时，颈部的表面电导率是主要的。当颈部包含的厚度为整个表面空问电荷层厚度 ( 德拜长度) 时，元件接触气体后引起的电阻变化最大。因此，在制作半导体气敏 传感器时，用参杂催化剂、晶粒生长抑制剂等添加剂的办法来调整德拜长度以达 到克服传感器灵敏度和机械强度对氧化物半导体材料烧结温度和时间要求的矛 盾。 1 0 第二章微生物发酵乙醇浓度在线榆测原理 2 2 2 影响气敏传感器的因素 金属氧化物半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但其选择 性和稳定性仍存在一定问题，工作环境尤其是温湿度变化对其特性有较大影响。 ( 1 ) 温度变化对气敏传感器的影响 对于不同的气体，气敏传感器电阻值与温度存在不同的函数关系，并且这种 关系与不同的气敏元件及催化剂有关。 由于氧吸附的作用，金属氧化物半导体气敏传感器的灵敏度与温度密切相 关。对于每种传感器，其灵敏度都存在一个最佳工作温度。由图2 一l 可知， 跏q 气敏传感器的最佳工作温度为3 0 0 ，历d 气敏传感器的最佳工作温度为 4 5 0 5 0 0 。 图2 - l 气敏传感器灵敏度与温度的关系 f i g 2 - lr e l a t i o nb e 附咖g 够s 饥s o r ss e 衄i t i v i t ) ra n dt e m 】? e m t i l r e 。( 2 ) 湿度变化对气敏传感器的影响 湿度对传感器电导的影响与温度有关【2 9 ，3 们。在高温范围内，砌d ，气敏传感 器电导值随温度变化关系在干燥空气和潮湿空气中趋于一致。因此，选择气敏传 感器的工作温度时，应考虑湿度对电导的影响，尽可能选择较高的工作温度。 半导体气敏传感器电导与水蒸汽分压呈对数线性关系，可用式2 3 近似表 示： 北京化工大学硕十学位论文 g = g o = k 肌d ( 吃d ) 。 ( 2 - 3 ) 式中：g 0 和g 为干燥空气和潮湿空气中气敏传感器的电导； d 为水蒸汽分压； k ，d 为比例因子； x 为常数，约等于2 。 可见，水蒸气对气敏元件的作用类似于还原性气体。 此外，气敏元件的特性还受其它因素，比如器件结构、表面修饰处理等影响 ，【3 。在具体应用中应该采取适当的方法尽量降低甚至消除这些因素的影响，以 尽可能提高测量的准确性。 2 3 传感器电桥测量原理 2 3 1 气敏传感器基本测量电路 气敏敏感元件在室温下虽能吸附气体，但其电导率变化不大，但当增加到一定 温度后，电导率就发生较大的变化，因此气敏元件在使用时需要加热到一个合适的 温度，以保证传感器敏感元件处于最佳感应条件下。一般砌d 气敏元件的最佳工 作温度在3 0 0 左右，历d 气敏元件的最佳工作温度为4 5 0 5 0 0 。实际应用 中，气敏传感器都配有合适的加热器以保证最佳工作温度。如图2 2 为气敏传感器 最基本的测量电路。 匙是气敏敏感元件电阻，用于感应相应的气体，为加热电阻的供电电源， 用于给敏感材料足加热，以维持传感器的敏感元件处于一个最佳工作温度下。月， 为外接的负载电阻，用于输出电压信号。 当被测气体和敏感元件r 。接触时，将导致敏感元件尺。的电阻值发生变化，变 化的大小和气体的浓度成一定的关系。于是敏感元件尺。和负载电阻碍就组成了分 压电路，由电路原理可以计算出r 。 敏感元件电阻足计算公式为： 矿一矿 j r c = 丑尺， 。 l ( 2 4 ) 1 2 第二章微生物发酵乙醇浓度在线榆测原理 图2 - 2 气敏传感器基本测量电路 f i g 2 - 2b 髂i cm e a s l l l a m e n tc i r c u i to fs 锄i c o n d u c t o rg 船s e n s o r 2 3 2 气敏传感器的温度补偿 气敏传感器在测量中受环境温湿度变化的影响很大，不考虑温湿度变化因素 会给测量带来较大误差。如图2 3 所示说明了环境温湿度变化给测量带来的影响。 图中r 。为乙醇气敏传感器敏感元件的电阻值，一欲。为气敏传感器正常工作 时待测气体浓度导致敏感元件的电阻值的变化值，一哦为气敏传感器受到诸如温 度、湿度等环境因素影响导致的电阻值的变化值；尼是采样电阻，一般选用金属 膜电阻，温湿度等环境变化对它的影响很小。采样电阻本身所产生的温度影响也 可以忽略不计。 l l s 飓 图2 - 3 温湿度对传感器测量的影响 f i g 2 - 3h p a c to fg a ss e 璐o rc 卸s e db yt e l n p e m n 玳龃dh u n l i d 时 根据电路原理，图2 3 中取样电阻足在有环境干扰和理想无干扰情况下的 输出电压和分别为： 。 卅c i 币i 商 ( 2 - 5 ) 北京化工大学硕士学位论文 ( 2 - 6 ) 其中，为有干扰情况下的输出电压，为理想情况下的输出电压，圪为 电路供电电压。 将2 5 和2 6 两式相减，可以得到由于环境温湿度变化导致的输出误差，即 = 一 = 哥薄舞面一而毒面1 陆7 ) 对2 7 式进行因式分解并化简可得 圪，： 垒垡堡 “( 心+ b 一戗一哦) ( 盈+ b 一越) r 2 8 、 由2 8 式可知，由于温湿度等环境因素对乙醇气敏传感器的影响，采用标准 的气敏传感器取样电路进行电压提取将会导致采集的信号出现误差。尤其是在环 境温湿度波动比较大( 蝇较大) 的环境下，这种误差会变得很大。 实际上，得益于现代制作工艺的发展以及各种更高性能的敏感材料的应用， 气敏传感器的检测精度已经获得了很大提高，环境温湿度变化对测量的干扰已经 得到了比较大的改善。但是正如上面分析的那样，环境温湿度的干扰，仍是制约 乙醇气敏传感器测量精度提高的一个重要的因素。 如图2 _ 4 是t g s 2 6 2 0 乙醇气敏传感器的温湿度特性，其中足l 是2 0 ，湿度 为6 5 条件下的传感器敏感元件的电阻值，足为3 0 0 p p m 乙醇气体浓度条件下 的传感器敏感元件电阻值。 从图中我们可以看到，尽管在生产气敏传感器的过程中采用了很多先进的制 作工艺和方法来提高传感器性能，但是环境温湿度的影响仍旧是传感器产生测量 误差的一个主要因素。有效降低甚至避免环境温湿度的影响，是气体检测应用中 特别需要注意的问题。 为了克服环境温湿度变化对测量的影响，人们采取在原有测量电路上与负载 电阻串联热敏电阻和湿敏电阻的方法来补偿由于环境温湿度变化引入的误差。这 种方法在一定程度上克服了环境温湿度变化对测量带来的干扰，但在具体应用上 却很难找到和气敏传感器敏感元件温湿度效应相匹配的热敏和湿敏电阻，这导致 这种方法的补偿效果既有限又不稳定。 1 4 第二章微生物发酵乙醇浓度在线检测原理 1 0 id l j 。f ，、口c o l f 5 0 9 6 l 、8 心i 。 一、渤心是二 1 、 一 一 ， ，! o 一- c ：、 - o v o p li 【：u i u 一2 01 0o1 0 2 03 040沁 a m b i e 丌tt e m p 哪i u 伦( 1 c ) 图2 4 乙醇气敏传感器的温湿度特性 f i g 2 _ 4c h a r a c t 丽s t i co fe 血孤o lg 弱鼢塔o r st 锄p e = m t i l 】他锄dh u m i d i 哆 同样是基于串联热敏、湿敏电阻来补偿环境温湿度变化影响的思路。采用两 支同型号的乙醇气敏传感器，一支用来检测被测气体浓度，另一支作为负载电阻 并与被检测的气体隔绝，使之不能随着被测气体的变化而变化，而只与用于检测 的传感器有着相同的环境干扰变化。同型号的乙醇气敏传感器具有相同的热敏、 湿敏特性，当环境温湿度变化导致传感器气敏元件阻值产生偏差时，作为负载电 阻的传感器的敏感元件电阻值也会发生相应的变化，从而补偿了由于环境变化对 测量带来的干扰。 将负载电阻尺，换为一个同型号的气敏传感器作为补偿传感器，如图2 5 所 示。一哦是检测传感器与补偿传感器受温湿度等环境干扰影响导致的电阻值的 变化值。由于用于补偿的传感器的敏感元件接触被测气体后同样会产生阻值变 化，因此需要设法使补偿传感器与被测气体隔绝而只感应环境的变化。 1 5 北京化工大学硕士学位论文 图2 - 5 传感器作为负载电阻的测量电路 f i g 2 - 5m 趴玳釉tc 渤i to fu s i i i gg 勰s s o r 雒l o a dr i 曙i s t 弛c e 根据电路原理，采用补偿传感器方法的负载输出电压为： 蝴雨蒜赫 仁9 ， 则由于环境干扰而带来的输出误差为： = 一。 一 蝴c 雨耐) 吃+南， 仁坳 式中，为理想情况下，补偿传感器在无干扰影响情况下的电压输出值；为 有干扰情况下的测量值。对4 7 式进行化简，可得 。 圪，： ：些堡! 垒二垦二垡! 一 “ ( r + 尽一峨一2 哦) ( 吃+ b 一崛) ( 2 1 1 ) 在实际应用中，如果测量的气体浓度不是很高，则气敏传感器的变化将远远 小于敏感元件的电阻值，即哦匙，如果取尺：，= 尽，比较式2 8 和式2 1 1 ，可 知式2 1 1 的结果要小于式2 8 。也就是说，使用同型号的传感器作为负载电阻代替 普通金属膜电阻提高了抗环境变化干扰的能力。 在实际使用中，每种气敏传感器对于负载电阻都有一定的取值范围要求， 例如t g s 2 6 2 0 要求负载电阻咒的取值最低为4 5 0 q ，为了符合要求，一般还要 在测量电路中串接一个电阻，这个电阻同时可以起到传感器过电流保护的作用， 这个电阻应尽可能选择温湿敏特性比较稳定的电阻以减小温湿度变化带来的测量 1 6 第二章微生物发酵乙醇浓度在线检测原理 误差。 2 3 3 传感器电桥测量法 ， 使用同型号的电阻作为补偿元件的方法虽然在一定程度上补偿了环境温湿度 变化带来的误差，但是还不能满足课题对于更高精度的要求。尤其测量低浓度气 体时，欲。变化所能引起的输出电压的变化很小。为了提高测量精度和灵敏度有 必要寻找更好的方法。 由直流电桥的分析可知，使用电桥相对的两个臂同时作为检测臂，可以成倍 提高测量的灵敏度。因此，可以考虑使用两只同型号的乙醇气敏传感器组成电桥 相对的两个臂，同时检测气体浓度，这样当检测到气体时，两个臂上的敏感元件 可以同时动作，提高了检测灵敏度。如图2 6 所示。 图2 _ 6 电桥测量电路 f i g 2 - 6m e a e n tc 栅i to fd cb r i d g e 对于电桥的另个臂，若采用普通电阻则当有环境变化引起传感器电阻变化 时，则传感器和电阻的分压比例对电桥电源的分压比例就会发生变化，从而引起 误差；若另两个桥臂也使用同型号的气敏传感器作为补偿臂，则能在一定程度上 消弱这种误差，正如上一节分析的那样。 由电路原理可以得出： 圪，+ ： 堡! 鱼= 些! 舭( 吃一哦) + ( b 一蝇一哦) ( 2 1 2 ) ”d 舔卷卷与 取吃= b ，则输出电压信号为： 1 7 ( 2 1 3 ) 北京化工大学硕士学位论文 蝴雨丽0 筠赢 仁 。( 咒+ b 一峨一2 哦) ( 吃+ 匙一越) 卜一7 式中，为理想情况下传感器在没有温湿度度等环境干扰情况下的电压输出 值；为实际测量值。 比较式2 8 和式2 1 4 可知，采用电桥法进行乙醇气体浓度测量能减小环境 干扰提高测量精度。 2 4 乙醇浓度在线检测原理 2 4 1 气液相平衡原理 在微生物发酵过程中，发酵罐是密闭的，即发酵罐内的气体和液体处于动态 平衡。测得了发酵罐内某种物质的气体浓度就可以间接确定这种成分的液体浓 度。利用乙醇气敏传感器测得发酵罐内乙醇气体的浓度，依据气液相平衡原理就 可以间接确定乙醇液体的浓度。 图2 - 7 基于气液相平衡原理的测量 f i g 2 - 7b l o c kd i a g r a mo fl i q u i d - v a p o re q u i l 撕眦 在一定条件下，通过试验的方法得到一组气敏传感器输出和发酵液中乙醇浓 度的试验数据，这组数据要保证能比较全面的覆盖整个测量范围的信息。选择一 种合适的数据处理方法找出传感器输出和乙醇浓度的对应关系，这个对应关系就 是乙醇浓度的测量模型。这个测量模型依据实验数据采用适当的方法表达出传感 器输出和乙醇浓度之间的对应关系，如图2 - 7 所示。 南 i 一 一气 叱 叱 第二章微生物发酵乙醇浓度在线枪测原理 2 4 2 影响气液相平衡的因素 气液相平衡的实质就是物质的蒸发量与其凝结量达到平衡状态，即在相同时 间内，由气态变成液态的物质数量与从液态变为气态的物质数量相等。与蒸发相