本文摘要：摘要:針對精準發(fā)酵過程特征氣體實時在線監(jiān)測的需求，采用可調(diào)諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)方法對發(fā)酵尾氣中CO2進行了檢測技術研究，并結合精準發(fā)酵工藝特點，研發(fā)了一套激光CO2在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，檢測量程為0～2%，實現(xiàn)了全量程范圍內(nèi)測量誤差小于0.08%，響
摘要:針對精準發(fā)酵過程特征氣體實時在線監(jiān)測的需求，采用可調(diào)諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)方法對發(fā)酵尾氣中CO2進行了檢測技術研究，并結合精準發(fā)酵工藝特點，研發(fā)了一套激光CO2在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，檢測量程為0～2%，實現(xiàn)了全量程范圍內(nèi)測量誤差小于0.08%，響應時間達到5.46s�，F(xiàn)場試驗結果表明，該系統(tǒng)具有較高的靈敏度、穩(wěn)定性與可靠性，并且使用壽命較長，適用于精準發(fā)酵過程特征氣體的在線監(jiān)測。
關鍵詞:精準發(fā)酵;可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術;特征氣體;尾氣檢測;在線監(jiān)測;CO2;激光氣體傳感器
發(fā)酵工業(yè)是傳統(tǒng)發(fā)酵技術和DNA重組、細胞融合等新技術相結合，并通過現(xiàn)代化工程技術手段生產(chǎn)有用物質(zhì)或直接用于工業(yè)化生產(chǎn)的一種大工業(yè)體系[1-3]。近年來，我國的生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，產(chǎn)品產(chǎn)量已經(jīng)位居世界前列，成為名副其實的發(fā)酵大國。在“十三五”規(guī)劃中，提出生物發(fā)酵產(chǎn)業(yè)將切實推動我國由發(fā)酵大國逐步走向發(fā)酵強國。國內(nèi)數(shù)以千計的生物發(fā)酵企業(yè)都將由高耗能、低質(zhì)量、人工控制的粗放規(guī)模型向智能化、高精度、低能耗的高效集約型結構轉(zhuǎn)型與升級。
食品論文投稿刊物：《糧食與食品工業(yè)》(雙月刊)創(chuàng)刊于2003年，是國家糧食局無錫科學研究設計院和中國糧油學會共同主辦的集糧油基礎理論、實際應用于一體的綜合科技期刊，已成為米、面、油、食品、淀粉及深加工、倉儲、檢化驗等行業(yè)發(fā)布新技術、新產(chǎn)品、新成果信息的良好載體，工程技術人員交流技術、切磋技藝的合適平臺，是中國糧油學會食品分會和發(fā)酵面食分會會刊、是中國糧油學會油脂分會的支持媒體。
生物發(fā)酵是一個利用微生物生長進行生產(chǎn)的過程，生產(chǎn)周期長，過程參數(shù)分散性大，通常測量控制的參數(shù)為pH、溶氧、溫度、轉(zhuǎn)速、多路補料量、壓力和通風量。目前，僅有極少數(shù)廠家對發(fā)酵過程特征氣體的組分體積分數(shù)進行在線檢測。然而傳統(tǒng)的發(fā)酵生產(chǎn)過程具有高度的非線性、時變性和復雜的相關性，發(fā)酵中氣體組分體積分數(shù)的變化反映了整個發(fā)酵過程物質(zhì)的變化情況，特別是進氣及尾氣中CO2的體積分數(shù)變化值，包含了非常有價值的過程反應信息，對于研究發(fā)酵工藝，提高發(fā)酵過程的可操控性，改善目的產(chǎn)物品質(zhì)、產(chǎn)率、一致性，以及智能調(diào)整通風及攪拌轉(zhuǎn)速，節(jié)能減排等方面具有重要的指導意義[4-7]。
當前，傳統(tǒng)的發(fā)酵尾氣檢測系統(tǒng)所采用的電子類氣體傳感器，大部分并不適合過程在線檢測分析。其中，電化學式傳感器壽命短、量程小、容易受到其他氣體的交叉干擾;電極類傳感器需要頻繁更換電極;色譜分析系統(tǒng)雖然具有較高的檢測精度，但分析時間長、操作復雜，不適宜在線檢測[8-9]。
光學傳感器是目前最適合實現(xiàn)在線分析的一種技術，其中傳統(tǒng)紅外傳感器由于受濕度、溫度影響較大，同時存在交叉干擾問題，而可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，TDLAS)利用半導體激光器的窄線寬和波長隨注入電流改變的特性，針對氣體的“指紋光譜”進行掃描，實現(xiàn)氣體的定量分析。TDLAS技術具有分辨率高、選擇性強、響應時間短及壽命長等優(yōu)點，非常適合應用于發(fā)酵過程特征氣體的在線檢測分析，有效克服了現(xiàn)有傳感器存在的問題[10-12]。本文針對精準發(fā)酵過程特征氣體實時在線檢測的需求，采用TDLAS技術，搭建了精準發(fā)酵激光尾氣在線檢測分析裝置，實現(xiàn)了對發(fā)酵尾氣中CO2氣體的實時在線檢測與分析。
1TDLAS技術原理
特定種類的氣體(如CO2)對光的吸收遵循朗伯-比爾定律，如式(1)所示，lnII0()=-PS()Tφ(ν)CL，(1)其中，I0為無氣體吸收時的光強;I為經(jīng)過氣體吸收后光強;S()T為與溫度相關的氣體特征吸收譜線強度;φ(ν)為線性函數(shù)，決定了被測氣體組分吸收譜線的特征;P為氣體介質(zhì)的總壓強;L為氣體對光能吸收的總光程;C為氣體的體積分數(shù)�？梢姡庾V吸收的強度與氣體的體積分數(shù)成正比，通過對不同體積分數(shù)氣體的吸收光譜進行標定，可以實現(xiàn)對氣體體積分數(shù)的反演與定量分析。
半導體激光器在掃描電流的驅(qū)動下循環(huán)發(fā)射激光，輸出波長由短波長向長波長移動。激光束沿光纖傳輸并進入氣體吸收池內(nèi)，光束在氣室內(nèi)的光程與氣室光學結構密切相關[13]。氣室內(nèi)充有待測氣體，入射激光束經(jīng)過待測氣體充分吸收后從氣體吸收池出射，并照射到光電探測器的光敏面上。產(chǎn)生的光電流經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后保存到處理器內(nèi)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理最終得到氣體的吸收光譜。氣體的吸收光譜由公式(1)描述，不同氣體具有不同的特征吸收波長，對于不同體積分數(shù)的氣體，其吸收光譜峰值大小不同，借此，可以實現(xiàn)對氣體成分的定性識別與定量分析。
2精準發(fā)酵過程特征氣體在線檢測系統(tǒng)
精準發(fā)酵過程特征氣體在線監(jiān)測實驗系統(tǒng)主要由激光氣體分析儀、通氣管路、尾氣處理系統(tǒng)等構成。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，計算機實時顯示尾氣中CO2的體積分數(shù)，實現(xiàn)對發(fā)酵整個過程的在線監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳送到控制單元，進而對發(fā)酵工藝流程自動調(diào)控。本文基于TDLAS技術開發(fā)了新一代激光CO2氣體檢測分析裝置，該系統(tǒng)主要由光學單元、控制單元與信號采集處理單元組成。
其中光學單元包括可調(diào)諧半導體激光器、光纖和赫里奧特多次反射長光程氣室(3m光程)等，用于激光信號的發(fā)射與傳輸，是本系統(tǒng)的核心硬件部分。通過對CO2在近紅外波段吸收譜線的分析，本文采用1609nm作為CO2氣體檢測的吸收波長�？刂茊卧囟瓤刂破鳌㈦娏黩�(qū)動器，用于精確地控制激光器的溫度與電流，通過對驅(qū)動電流加載鋸齒波調(diào)制信號，使激光輸出功率隨驅(qū)動電流產(chǎn)生周期性的變化。與此同時，激光輸出波長會隨驅(qū)動電流同步發(fā)生周期性的變化。激光波長的變化區(qū)間即為待測氣體吸收峰的激光掃描區(qū)間。采用溫度精確控制的半導體激光器作為光源，可以有效抑制波長漂移，使得裝置測量精度高、穩(wěn)定性好并且使用壽命長。
信號采集處理單元包括光電探測器、A/D轉(zhuǎn)換器與信號處理模塊等，用于對含有氣體體積分數(shù)信息的激光光譜信號進行采集、分析處理[14]。由于可調(diào)諧半導體激光器與光電探測器光譜分辨率高，可以精細分辨各氣體的吸收特征峰，使得系統(tǒng)不受環(huán)境中其他氣體的影響。而且，激光器可調(diào)諧頻率較高，從控制光源激發(fā)到光電探測器響應并獲取光譜所需時間很短，使得系統(tǒng)響應快。
鑒于發(fā)酵過程現(xiàn)場散熱條件無法保證的問題，為了確保半導體激光器的頻率穩(wěn)定和CO2氣體特征吸收峰的快速提取，該系統(tǒng)引入了參考氣體吸收池，對吸收峰的漂移進行實時校正，在一定程度上解決了傳感器的漂移，有效提高了CO2氣體特征吸收峰識別的準確性并為氣體體積分數(shù)值的精確定量分析提供了基礎。同時，根據(jù)發(fā)酵過程檢測的特點，系統(tǒng)裝置中還添加了基于硅膠和分子篩的氣體預處理裝置，可以有效去除水分和發(fā)酵過程中產(chǎn)生的泡沫等，從而保護氣體分析裝置正常運行。
3實驗結果與分析
3.1性能測試
為了評估所研制激光CO2氣體檢測裝置的性能，首先將體積分數(shù)分別為0.101%、0.754%、1.02%、2.03%的CO2標準氣體依次通入氣室內(nèi)，流量設置為1L/min。系統(tǒng)裝置首先對不同體積分數(shù)的CO2氣體進行了數(shù)據(jù)采集，每種體積分數(shù)的CO2分別監(jiān)測5min，包含100個數(shù)據(jù)點，表明該激光CO2氣體檢測裝置具有較高的檢測精度，即使在0.1%的低體積分數(shù)下仍然保持著良好的穩(wěn)定性。表1列出了CO2標準氣體體積分數(shù)C、監(jiān)測CO2氣體體積分數(shù)平均值CA以及測量誤差ΔC與相對誤差δ。
其中，測量誤差ΔC為氣體體積分數(shù)測量平均值與標準氣體體積分數(shù)之間的差值。本文所研制的激光CO2氣體檢測裝置表現(xiàn)出了較高的檢測精度，測量誤差在測量區(qū)間內(nèi)始終小于0.08%。系統(tǒng)的響應時間t90通常定義為測試量變化一個步進值后，傳感器達到最終數(shù)值90%所需要的時間。
實驗中首先向多次反射吸收氣室內(nèi)通入體積分數(shù)0.754%的CO2，排除其他氣體的干擾。然后將1.02%的CO2標準氣體注入氣室內(nèi)，測試檢測裝置的響應曲線。紅色曲線為原始檢測數(shù)據(jù)的非線性擬合曲線，測試量變化之前CO2體積分數(shù)測量值穩(wěn)定在0.7%，測試量變化之后CO2體積分數(shù)測量值穩(wěn)定在0.96%。因此，0.934%為響應時間t90所對應的CO2體積分數(shù)測量值。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可得，本文所研制的激光CO2氣體檢測裝置的響應時間為5.46s，相比于傳統(tǒng)化學類氣體傳感器、礦用CO2傳感器通用技術的響應時間30s，性能得到明顯提升[15-16]。
3.2現(xiàn)場測試
上述實驗系統(tǒng)裝置在山東省科學院食品發(fā)酵研究院進行了初步試驗測試，對發(fā)酵小罐進行了24h在線監(jiān)測。試驗結果表明，研制的激光CO2氣體在線檢測系統(tǒng)監(jiān)測的CO2體積分數(shù)數(shù)據(jù)符合發(fā)酵規(guī)律，進一步驗證了該系統(tǒng)裝置在發(fā)酵環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性。
4結語
本文針對精準發(fā)酵過程特征氣體實時在線監(jiān)測的需求，將TDLAS技術引入傳統(tǒng)發(fā)酵行業(yè)，開展了精準發(fā)酵過程特征氣體在線檢測技術的研究，研發(fā)了一套CO2激光在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了發(fā)酵尾氣中CO2氣體的實時在線檢測與分析，檢測量程為0～2%，響應時間達到5.46s，全量程范圍內(nèi)測量誤差均小于0.08%，解決了現(xiàn)有傳統(tǒng)電子類氣體傳感器難以實時在線檢測的難題。試驗測試結果表明，基于TDLAS技術的精準發(fā)酵過程特征氣體檢測系統(tǒng)具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應時間短以及抗干擾能力強等優(yōu)點，非常適用于發(fā)酵工業(yè)的在線監(jiān)測、監(jiān)控，具有較大的應用潛力。我國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)規(guī)模龐大，對不同種類的氣體進行實時在線監(jiān)測的需求仍然有很大的成長空間，未來研究團隊將擴展氣體監(jiān)測的種類，進一步為發(fā)酵工藝的研究提供理論和技術支撐，促進我國發(fā)酵產(chǎn)業(yè)的升級改造。
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作者：喻鵬飛1a，王曉杉1a，于自強1a，魏玉賓1b，張婷婷1b，胡杰2，劉統(tǒng)玉1b，2，王兆偉1b*
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