生物发酵过程菌体浓度在线检测系统的设计

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1、维普资讯http://www.cqvip.com计算机测量与控制．2003．11(5)·324·I咖IterMeasurement&Control文章编号：1671—4598(2003}05—0324—02中图分类号：1P212文献标识码：A生物发酵过程菌体浓度在线检测系统的设计乔晓艳，贾莲凤(山西大学电子信息技术系，山西太原030006)摘要：利用发酵液在无线电频率范围内的电容率是测量频率与菌体浓度的函数，提出了一种实时在线检测发酵过程菌体浓度的新方法，设计了检测传感器和自动检测系统，并且实验验证了该检测方法

2、及检测系统的可行性。关键词：菌体浓度；电容率分布；电容传感器；在线检测Design0fon—lineDetectingSystemofCellConcentrationiIlBio—fermentationProcessQIAOXiao-yan，JIADan—feng(Electronic&InfomlationDepartment，ShanxiUniversity，Taiyuan030006，China)A由：Basedonthatthedielectricpermittivityofcellsuspensi

3、onsismonotonicfunctionofthemeasuringfrequencyandcellconcentrationatradio—frequencies．anewmethodfordetectingcellconcentrationson—lineandin—situispmpo~1．Anautomaticaldetectingsystemandsens0raredesigned．Theexperimentresultsprovethefeasibilityofthisdetectingmeth

4、odanddetectingsystem．Keywords：cellconcentration；pennittivity；capacitancesensor；on—linedetection的电容率(即介电常数)定义为储存电荷的能力，当1引言在培养基中加入微生物菌种后，其电容率会显著增微生物发酵过程是极其复杂的生化反映过程，影加；当测量频率变化时，发酵液的电容率也会改变。响发酵的因素很多，如发酵液的成分、温度、Ph值、电容率随测量频率而变化的现象称为电容率分布。发溶氧、活菌的种类、浓度等等。上述因素中，活菌浓酵

5、液的电容率分布划分为三个主要区域：Ct一分布，B度是最重要的工艺参数，但目前尚无满足要求的在线一分布和7一分布。B一分布又称Maxwell—Wagner分检测仪，该仪器能对发酵过程菌体浓度进行准确的实布，发生在无线电频率范围内，主要是由于活的微生时在线检测。菌体浓度传统的测量方法是离线的，离物细胞具有离子不能透过细胞膜引起的_2J。G一分布线测量带来两个问题：一方面取样过程容易染菌；另的机理解释为：活的微生物细胞具有完整的细胞膜，一方面给发酵自动控制带来困难。因此，研制菌体浓而完整的细胞膜是良好的绝缘体。在一般

6、情况下，细度实时在线检测系统是非常必要的，它对了解发酵信胞内的带电离子很难穿过细胞膜到达细胞外部，细胞息、掌握和控制生物发酵过程、提高发酵质量具有重外的带电离子也很难渗透到细胞内部。如果将发酵液要意义。文章提出了一种实时在线检测发酵过程菌体置于电场内，在细胞膜内、外表面上会有大小相等、浓度的新方法，设计了菌体浓度自动检测系统，实现符号相反的电荷堆积，每个细胞就象一个小电容器。了发酵过程菌体浓度的在线检测。它在生化制药、食在一定条件下，单位体积内的活菌细胞所束缚的电荷品发酵、污水处理等工业领域有着很好的推广应用价

7、数量与活菌数目成正比。活菌浓度越大，所束缚的电值。荷量越多，发酵液的电容率就越大。因此，发酵液在2测量原理无线电频率范围内的电容率是测量频率和菌体浓度的函数_3J。当测量频率固定，发酵液的电容率和菌体浓微生物的存在会影响发酵液的电特性，发酵液的度是单值函数关系，这意味着可以通过测发酵液的电电特性可以用它的电导率和电容率来表征[1l。发酵液容率￡，来检测菌体浓度。基金项目：山西省自然科学基金资助项目(20011032)3检测系统设计收稿日期：2002—08—13。菌体浓度检测系统由发酵罐、电容传感器——铂作者简介

8、：乔晓艳(1970一)，女，山西省运城县人，硕士，讲电极、中间变换电路、A／D板、计算机、显示器、打师，主要从事检测技术、信号处理等方向的研究。印机等组成，如图1所示。贾莲凤(1947一)，女，山西省太原市人，教授，主要从事信号检测及智能控制等方向的研究。3．1传感器制作维普资讯http://www.cqvip.com第5期乔晓艳：生物发酵过程菌体浓度在线检测系统的设计·25_=被用作