CN1346982A - 一种用于在线检测溶液中甲醇浓度的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于在线检测溶液中甲醇浓度的传感器。该传感器包括:中部设有载气管的管状壳体、半透膜、气敏电子元件和筛板等部件,将传感器设有半透膜的一端插入发酵罐,液相中的甲醇透过半透膜扩散到扩散腔,载气通过载气管穿过筛板上的筛孔进入扩散腔,与通过半透膜进入扩散腔的甲醇混合,载气与甲醇的混合物通过导气管导入气敏电子元件,即可实现对甲醇的浓度进行测定。本发明的传感器的响应时间小于120秒钟,能够满足在线检测控制的要求,不受发酵条件的影响,应用范围广泛,可用于以甲醇为碳源的酵母如汉逊酵母、球拟酵母、假丝酵母及毕赤酵母等的发酵中,或用于其他溶液中甲醇、乙醇等可挥发性有机气体的在线检测及控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体地说，涉及一种用于发酵过程的检测甲醇的传感器。
背景技术
在以甲醇为碳源的酵母如汉逊酵母(Hansenula)、球拟酵母(Torulopsis)、假丝酵母(Candida)及毕赤酵母(Pichia)的发酵中，过高的甲醇会抑制细胞的生长及产物的表达，因此需要通过不断流加甲醇将发酵液中的甲醇浓度控制在适当时范围内。为了避免甲醇流加过量，需要在线检测发酵液中的甲醇浓度。
目前文献报道的在线检测发酵液中甲醇浓度的方法主要有两种：
(1)硅胶管测量法，其原理为发酵液中甲醇从硅胶管外渗透过硅胶管壁，进入硅胶管内，被管内的载气带走，进入气敏电子元件，产生电信号(GuarnaM.M.，Lesnicki G.L.，Tam B.M.，et al.Biotechnol.Bioeng.，1997，56：279-286)。
(2)尾气测量法，发酵罐中放出的含甲醇的尾气进入气敏电子元件，产生电信号。(Katakura Y.，Zhang W.，Zhuang G.，et al.J.Ferment.Bioeng.，1998，86：482-487)。
但以上这些方法存在以下不足：
第一种方法受硅胶管壁扩散速率限制，实时性差，滞后严重(一般响应时间超过十分钟)，不能反映发酵罐中的瞬时甲醇浓度变化，难以适应甲醇浓度的自动化控制；
第二种方法容易受到氧气浓度、气量波动、气体组份、水份等较严重的干扰，信号稳定性差，且容易引起传感器中毒失效。
因此上述的方法不利于工业化应用推广。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是公开一种在线检测发酵液中甲醇浓度的传感器，以克服现有技术存在的响应时间慢、灵敏度低、抗环境干扰能力弱以及不便于工业化推广应用的缺陷。
本发明的技术构思：
(1)为了在线检测发酵罐中的瞬时甲醇浓度变化，必须提高甲醇的扩散速度，缩短传感器的响应时间。由于甲醇很容易通过分子扩散透过聚四氟乙烯、硅胶、聚乙烯等材料，本发明选用这些材料作为半透膜。发酵液中的甲醇可透过半透膜扩散到气相。甲醇在半透膜中的扩散速率主要由液相甲醇浓度决定。
(2)在气相侧用选择性气敏电子元件检测气相甲醇浓度，该电子元件的电阻随气相中甲醇浓度的变化而变化，即可依据扩散模型推算出液相中的甲醇浓度或用冷模实验作出标准曲线，通过对照标准曲线确定发酵液中的甲醇浓度。
(3)传感器的结构设计符合工业使用需要，可以高温灭菌，能方便地安装在发酵罐的通用接口上。
本发明的技术方案：
本发明的传感器包括：
一个中部设有载气管的管状壳体；
一个设置在载气管端部的半透膜；
一个设置在载气管内且与半透膜相邻的筛板，半透膜与筛板之间的空腔为扩散腔；
一个设置在载气管内、一端穿过筛板与扩散腔连通的导气管；
一个与导气管相连通的气敏电子元件。
上述的传感器是这样工作的：
将传感器设有半透膜的一端插入发酵罐，液相中的甲醇透过半透膜扩散到扩散腔；
载气通过载气管穿过筛板上的筛孔进入扩散腔，与通过半透膜进入扩散腔的甲醇混合，设置筛板的目的是改善扩散腔内气体流动状况，降低返混，防止扩散腔内的气体与载气通道的气体返混；
载气与甲醇的混合物通过导气管导入气敏电子元件，当载气流量恒定时，由于甲醇在半透膜中的扩散速率主要决定于液相甲醇的浓度，扩散腔内甲醇浓度与液相甲醇浓度成正比关系。因此，气敏电子元件所指示的载气中的甲醇浓度可以准确地反映出液相甲醇的浓度，即可实现对甲醇的浓度进行测定。
本发明的传感器的优点是十分明显的：1、本传感器的响应时间小于120秒钟，远远优于其它测量方法。能够满足在线检测控制的要求。2、本传感器不受发酵罐的通气量、搅拌转速、溶解氧含量的影响。3、本传感器应用范围广泛，可用于以甲醇为碳源的酵母如汉逊酵母、球拟酵母、假丝酵母及毕赤酵母等的发酵中，或用于其他溶液中甲醇、乙醇等可挥发性有机气体的在线检测及控制。
附图说明
图1为本发明的传感器的结构示意图。
图2为发酵过程中传感器在线测定的甲醇浓度与取样后的样品离线用气相色谱测定的甲醇浓度的比较。
具体实施方式
由图1可见，本发明的传感器包括：
一个中部设有载气管5的管状壳体1；
一个设置在载气管5端部的半透膜2；
一个设置在载气管5内且与半透膜2相邻的筛板3，半透膜2与筛板3之间的空腔为扩散腔7；
一个设置在载气管5内、一端穿过筛板3与扩散腔7连通的导气管4；
一个与导气管4相连通的气敏电子元件6。
按照本发明，所说的半透膜2的表面积为3-500平方毫米，厚度为0-1毫米，材料为聚四氟乙烯、硅胶、聚乙烯等甲醇可透过材料，扩散腔7体积为1.5-2500立方毫米，半透膜2与筛板3之间的间距为0～30mm，导气管4直径范围0.1-5毫米，筛板3开孔孔径为0.1-2毫米，开孔率为0.5％-50％，所说的气敏电子元件6为一种有机气体敏感电阻，可采用日本Figaro公司生产的型号为TGS822电阻或其它公司类似产品。
实施例1
在重组毕赤酵母发酵过程中，用本发明的传感器在线检测发酵液中的甲醇浓度。其中：
半透膜材料为聚四氟乙烯，厚度为0.5毫米，表面积为45平方毫米，导气管直径为1.1毫米，筛板直径8毫米，开孔孔径0.8毫米，开孔率10％。气敏元件为日本Figaro公司生产的型号为TGS822的电阻。首先在发酵罐中装水，加不同浓度的甲醇(0.1-1％，v/v)作出传感器响应标准曲线，然后在发酵罐中装培养基及本传感器热灭菌后发酵。通过传感器的响应值与标准曲线的对照确定发酵液中的甲醇浓度。从第25小时开始向发酵罐中流加甲醇，图2为发酵过程中传感器在线测定的甲醇浓度与取样后的样品离线用气相色谱测定的甲醇浓度的比较，从图中可以看出，两者之间基本吻合。其中的偏差可以通过校正予以排除。因此该传感器可以较好地即时在线检测毕赤酵母发酵过程中甲醇的浓度。
Claims (10)
1.一种用于在线检测溶液中甲醇浓度的传感器，其特征在于，该传感器包括：
一个中部设有载气管(5)的管状壳体(1)；
一个设置在载气管(5)端部的半透膜(2)；
一个设置在载气管(5)内且与半透膜(2)相邻的筛板(3)，半透膜(2)与筛板(3)之间的空腔为扩散腔(7)；
一个设置在载气管(5)内、一端穿过筛板(3)与扩散腔(7)连通的导气管(4)；
一个与导气管(4)相连通的气敏电子元件(6)。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，半透膜(2)的表面积为3～500平方毫米，厚度为0～1毫米。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，扩散腔(7)体积为1.5～2500立方毫米。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，半透膜(2)与筛板(3)之间的间距为0～30mm。
5.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，导气管(4)直径为0.1～5毫米。
6.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，筛板(3)开孔孔径为0.1-2毫米，开孔率为0.5％-50％。
7.如权利要求1～6任一所述的传感器，其特征在于，半透膜(2)材料为聚四氟乙烯、硅胶或聚乙烯。
8.如权利要求3或4所述的传感器，其特征在于，半透膜(2)的表面积为3～500平方毫米，厚度为0～1毫米。
9.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，半透膜(2)的表面积为3～500平方毫米，厚度为0～1毫米。
10.如权利要求1所述的传感器，所况的气敏电子元件(6)为一种有机气体敏感电阻，可采用日本Figaro公司生产的型号为TGS822电阻或其它公司类似产品。
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