本發明專利技術公開了一種基于成像化氣體傳感器陣列的發酵過程在線監測的方法，包括如下步驟：制備成像化氣體傳感器陣列，采集成像化氣體傳感器陣列顏色，提取成像化氣體傳感器陣列顏色特征值，最后建立基于提取的成像化氣體傳感器陣列顏色特征與發酵狀態之間的回歸模型以實現發酵過程的在線監測。本發明專利技術的監測方法傳感器陣列由兩種不同類型的傳感器組成，對發酵過程樣本進行檢測，檢測結果客觀、傳感器用量小且費用低，分析過程簡單本發明專利技術的監測裝置操作簡便，并能準確、快速對發酵產生的揮發氣體進行檢測，從而判斷發酵的進程狀態。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種發酵過程監測的方法，更具體地說，是涉及一種基于成像化氣體 傳感器陣列的發酵過程在線監測的方法和裝置，屬于固態發酵過程監測與控制領域。
技術介紹
通過發酵過程監測能了解發酵過程是否正常，而且能對不可測變量進行間接估 計，對發酵過程進行控制。目前，國內外對發酵過程監測的方法包括感官評價和理化檢驗。 傳統的感官判別方法從色澤、氣味等去判別發酵的過程，感官檢驗的結果不易量化，存在主 觀片面性，受主觀因素影響大；發酵的理化檢驗是以發酵生產過程產物的變化為基礎，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，傳統的發酵過程監測方法 難以做到快速、準確這一要求。為快速、有效、方便和無損的監測發酵過程，近年來，電子鼻 技術逐漸應用到發酵過程的快速檢測上。電子鼻技術有快速、無損的優點，但研宄多局限于 利用金屬氧化物傳感器等傳統傳感器檢測發酵，難以區分相似物質，且對環境中濕度的變 化敏感，容易引起檢測結果的偏差，對硫醇、胺等金屬鍵氣體靈敏度低，而這些氣體往往是 發酵腐敗的特征氣體，金屬氧化物氣體傳感器與反應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，響應基準值容易發生偏移。成像化氣體傳感陣列監測技術不但利用了分子 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，而且受空氣濕度 的影響小。成像化氣體傳感陣列監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，可以區分化學性質極其相似的物質，克服了常見傳感器難區分相似物質的缺點，能 檢測出發酵過程中氣體的微量變化，從而比較準確地監測發酵過程中狀態和內部成分的變 化。因此，本專利技術提出基于成像化氣體傳感陣列的發酵過程在線監測。
技術實現思路
本專利技術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 發酵過程監測方法，以解決傳統監測方法易受環境影響和靈敏性低等問題。 本專利技術的技術方案為： ，包括如下步驟： 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； 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酵產物揮發的 氣體帶入到反應室，和成像化氣體傳感器陣列發生顯色反應，用掃描儀得到成像化氣體傳 感器陣列的圖像； 步驟3,成像化氣體傳感器陣列顏色特征值的提取：在計算機內先采用中值濾波 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，提取顯色劑反應前后R、G、B顏色變化的絕對值； 步驟4,監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 征與發酵狀態之間的回歸模型以實現發酵過程的在線監測。 作為本專利技術的進一步改進，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，它們能與大多數氣體化合物發生顏色反應。基底平板選用反相硅膠平板、聚 四氟乙烯等疏水性材料，性能穩定，易固定成像化氣敏溶液。 作為本專利技術的進一步改進，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、反應室、掃描儀、電磁閥A、電磁閥 B、電磁閥C，氮氣瓶經過電磁閥A連接到集氣室內，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室中，反應室內部 放置有成像化氣體傳感器陣列。 作為本專利技術的進一步改進，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前的圖像，下標a 為成像化傳感器陣列與氣體反應后的圖像。 作為本專利技術的進一步改進，步驟4中所述的監測模型構建的具體步驟為： 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； 第4. 2步：針對理化分析獲得的不同發酵狀態下的生物量濃度、產物濃度等反映 發酵進程狀態的特征劃分發酵過程狀態； 第4. 3步：建立壓縮后的特征變量與發酵狀態之間的回歸模型； 第4. 4步：收集外部獨立樣本，驗證所建立的發酵過程狀態回歸模型。 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酵狀態之間 的分類模型。 本專利技術的有益效果是：1、本專利技術的監測方法傳感器陣列由兩種不同類型的傳感器 組成，對發酵過程樣本進行檢測，檢測結果客觀、準確、方便，傳感器用量小且費用低，分析 過程簡單；2、本專利技術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、本專利技術的監測裝置操作簡便，并能準確、快速對發酵產生的 揮發氣體進行檢測，從而判斷發酵的進程狀態。【附圖說明】 圖1為本專利技術基于成像化氣體傳感陣列的固態發酵過程監測裝置結構示意圖。 圖2為圖1中成像化氣體傳感器陣列7的結構示意圖。 圖3為本專利技術基于成像化氣體傳感陣列的發酵過程監測流程圖。 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】 本專利技術通過成像化氣體傳感陣列裝置來監測發酵過程，發酵過程產生的揮發性氣 體與成像化氣體傳感陣列發生顯色反應，然后利用掃描儀獲取傳感器陣列顯色反應前后圖 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酵狀態建立過程監測模型，得到發酵過程中 產物的變化，從而監測發酵過程。 本專利技術基于成像化氣體傳感陣列的發酵過程監測所采用的技術方案是：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 收集室內樣品揮發的氣體帶到反應室內，與反應室內成像化氣體傳感陣列發生顏色反應； 傳感器顏色反應裝置置于恒溫箱內，顏色反應裝置包括氣體收集室、反應室、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；最后根據提取的顏 色特征值和發酵狀態建立發酵過程在線監測模型。 下面結合附圖進一步說明本專利技術的【具體實施方式】。 如圖1，本專利技術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動控制程序、計算機的圖像處理程 序和模式識別系統組成。所述氮氣瓶1經過電磁閥A2連接到集氣室3內，然后通過集氣室 3 (存放發酵產物揮發的氣體）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上的反應室7中，反應室7內部放置有成像化本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種基于成像化氣體傳感器陣列的發酵過程在線監測的方法，其特征在于，包括如下步驟：步驟1，成像化氣體傳感器陣列(8)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(8)；步驟2，成像化氣體傳感器陣列(8)顏色的采集：用氮氣作為載氣將發酵產物揮發的氣體帶入到反應室(7)，和成像化氣體傳感器陣列(8)發生顯色反應，用掃描儀(6)得到成像化氣體傳感器陣列(8)的圖像；步驟3，成像化氣體傳感器陣列(8)顏色特征值的提取：在計算機(9)內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，提取顯色劑反應前后R、G、B顏色變化的絕對值；步驟4，監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(8)顏色特征與發酵狀態之間的回歸模型以實現發酵過程的在線監測。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：江輝，張航，梅從立，李康吉，劉國海，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32
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