一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法
一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种发酵过程监测的方法，更具体地说，是涉及一种基于成像化气体 传感器阵列的发酵过程在线监测的方法和装置，属于固态发酵过程监测与控制领域。
【背景技术】
[0002] 通过发酵过程监测能了解发酵过程是否正常，而且能对不可测变量进行间接估 计，对发酵过程进行控制。目前，国内外对发酵过程监测的方法包括感官评价和理化检验。 传统的感官判别方法从色泽、气味等去判别发酵的过程，感官检验的结果不易量化，存在主 观片面性，受主观因素影响大；发酵的理化检验是以发酵生产过程产物的变化为基础，进行 定性定量分析，成本高，费时费力，难以满足快速检测要求。因此，传统的发酵过程监测方法 难以做到快速、准确这一要求。为快速、有效、方便和无损的监测发酵过程，近年来，电子鼻 技术逐渐应用到发酵过程的快速检测上。电子鼻技术有快速、无损的优点，但研宄多局限于 利用金属氧化物传感器等传统传感器检测发酵，难以区分相似物质，且对环境中湿度的变 化敏感，容易引起检测结果的偏差，对硫醇、胺等金属键气体灵敏度低，而这些气体往往是 发酵腐败的特征气体，金属氧化物气体传感器与反应物之间主要是依靠范德华吸引力，这 种分子作用力是分子间的极弱作用力，灵敏度较差，而且金属氧化物气体传感器在温度高， 长时间工作后，响应基准值容易发生偏移。成像化气体传感阵列监测技术不但利用了分子 间的范德华力等弱力，而且引入了金属键、极性键，具有较强的化学反应，而且受空气湿度 的影响小。成像化气体传感阵列监测中使用的气敏材料具有分子识别性功能，这种方法灵 敏度高，可以区分化学性质极其相似的物质，克服了常见传感器难区分相似物质的缺点，能 检测出发酵过程中气体的微量变化，从而比较准确地监测发酵过程中状态和内部成分的变 化。因此，本发明提出基于成像化气体传感阵列的发酵过程在线监测。
【发明内容】
[0003] 本发明的一个目的是提供一种快捷、准确和非侵入的基于成像化气体传感阵列的 发酵过程监测方法，以解决传统监测方法易受环境影响和灵敏性低等问题。
[0004] 本发明的技术方案为：
[0005] 一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，成像化气体传感器阵列的制备：通过微量取样装置取一定量的成像化气 敏溶液固定到基底平板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一个成像化气体传 感器阵列；
[0007] 步骤2,成像化气体传感器阵列颜色的采集：用氮气作为载气将发酵产物挥发的 气体带入到反应室，和成像化气体传感器阵列发生显色反应，用扫描仪得到成像化气体传 感器阵列的图像；
[0008] 步骤3,成像化气体传感器阵列颜色特征值的提取：在计算机内先采用中值滤波 方法滤去图像中的白噪声，再用域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，取传感器样 点周围一定范围的R、G、B平均值，提取显色剂反应前后R、G、B颜色变化的绝对值；
[0009] 步骤4,监测模型的建立与验证：建立基于提取的成像化气体传感器阵列颜色特 征与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程的在线监测。
[0010] 作为本发明的进一步改进，步骤1中所述的成像化气敏溶液主要有卟啉类化合物 和酸碱指示剂，它们能与大多数气体化合物发生颜色反应。基底平板选用反相硅胶平板、聚 四氟乙烯等疏水性材料，性能稳定，易固定成像化气敏溶液。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述步骤2中的成像化气体传感器阵列反应和颜色采 集都在恒温箱中进行，所述恒温箱中还包括气体收集室、反应室、扫描仪、电磁阀A、电磁阀 B、电磁阀C，氮气瓶经过电磁阀A连接到集气室内，然后通过集气室中的另一管路分别和电 磁阀B和电磁阀C相连，所述电磁阀C所在的管路连通到扫描仪上的反应室中，反应室内部 放置有成像化气体传感器阵列。
[0012] 作为本发明的进一步改进，步骤3中所述的R、G、B为红绿蓝三原色，R= |Ra-Rb|，G= |Ga_Gb|，B= |Ba_Bb|，式中下标b为成像化传感器阵列与气体反应前的图像，下标a 为成像化传感器阵列与气体反应后的图像。
[0013] 作为本发明的进一步改进，步骤4中所述的监测模型构建的具体步骤为：
[0014] 第4. 1步：通过独立分量分析对提取的颜色特征变量进行降维，进一步压缩变量；
[0015] 第4. 2步：针对理化分析获得的不同发酵状态下的生物量浓度、产物浓度等反映 发酵进程状态的特征划分发酵过程状态；
[0016] 第4. 3步：建立压缩后的特征变量与发酵状态之间的回归模型；
[0017] 第4. 4步：收集外部独立样本，验证所建立的发酵过程状态回归模型。
[0018] 所述步骤4. 3中，利用BP-AdaBoost算法建立压缩后的特征变量与发酵状态之间 的分类模型。
[0019] 本发明的有益效果是：1、本发明的监测方法传感器阵列由两种不同类型的传感器 组成，对发酵过程样本进行检测，检测结果客观、准确、方便，传感器用量小且费用低，分析 过程简单；2、本发明的待检测气体直接通过成像化气体传感器阵列，气体充分传感器接触， 检测时间短，只需3-5分钟；3、本发明的监测装置操作简便，并能准确、快速对发酵产生的 挥发气体进行检测，从而判断发酵的进程状态。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明基于成像化气体传感阵列的固态发酵过程监测装置结构示意图。
[0021] 图2为图1中成像化气体传感器阵列7的结构示意图。
[0022] 图3为本发明基于成像化气体传感阵列的发酵过程监测流程图。
[0023] 图中：1-氮气瓶、2-电磁阀A、3-集气室、4-电磁阀B、5-电磁阀C、6-扫描仪、7-反 应室、8-成像化气体传感器阵列、9-恒温箱、10-计算机。
【具体实施方式】
[0024] 本发明通过成像化气体传感阵列装置来监测发酵过程，发酵过程产生的挥发性气 体与成像化气体传感阵列发生显色反应，然后利用扫描仪获取传感器阵列显色反应前后图 像，利用中值滤波去噪和域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，得到每个传感阵列 颜色的平均值和特征值，最后针对特征值和发酵状态建立过程监测模型，得到发酵过程中 产物的变化，从而监测发酵过程。
[0025] 本发明基于成像化气体传感阵列的发酵过程监测所采用的技术方案是：成像化气 体传感阵列由成像化气体传感器和基板组成，成像化气体传感器主要有卟啉类化合物和酸 碱指示剂，基板一般选用反相硅胶平板、聚四氟乙烯等疏水性材料；氮气作为载气将气体 收集室内样品挥发的气体带到反应室内，与反应室内成像化气体传感阵列发生颜色反应； 传感器颜色反应装置置于恒温箱内，颜色反应装置包括气体收集室、反应室、扫描仪和电磁 阀；将扫描仪得到成像化气体传感阵列反应前后图像传入到计算机，用中值滤波去噪和域 值分割法把传感器图像从背景中分割出来，求得每个传感器样点的R、G、B颜色平均值，再 将每个传感器反应前后的颜色值相减的绝对值作为该传感器的特征值；最后根据提取的颜 色特征值和发酵状态建立发酵过程在线监测模型。
[0026] 下面结合附图进一步说明本发明的【具体实施方式】。
[0027] 如图1，本发明装置由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括图中：1-氮气瓶、 2-电磁阀A、3-集气室、4-电磁阀B、5-电磁阀C、6-扫描仪、7-反应室、8-成像化气体传感 器阵列、9-恒温箱、10-计算机。软件部分由扫描仪的驱动控制程序、计算机的图像处理程 序和模式识别系统组成。所述氮气瓶1经过电磁阀A2连接到集气室3内，然后通过集气室 3 (存放发酵产物挥发的气体）中的另一管路分别和电磁阀B4和电磁阀C5相连，其中电磁 阀C5所在的管路连通到扫描仪6上的反应室7中，反应室7内部放置有成像化气体传感器 阵列8,计算机9通过连接扫描仪6来分析传感器的扫描结果。
[0028] 如图2所示的成像化气体传感阵列，成像化气体传感器阵列8由成像化气体传感 器和硅胶板组成。成像化气体传感器由卟啉类化合物和酸碱指示剂传感器组成。为避免环 境湿度对传感器精度的影响，选择具有良好疏水性的反相硅胶平板、聚四氟乙烯等作为传 感器载体，其微小的孔径可以帮助吸附气体分子加快检测速度。其中，扑啉类化合物传感器 的色敏材料主要是四苯基金属卟啉或自由基卟啉，用于检测路易斯碱；pH指示剂传感器主 要用于酸碱性气体检测；选用氯苯、二氯甲苯或氯仿作为溶剂，用毛细管点样法将气敏材料 固定在反相硅胶板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一个成像化气体传感器 阵列8。
[0029] 本发明对固态发酵过程监测具有通用性，本发明将被检测发酵样品散发的成像化 气体传感器阵列8相接触，被测气体与成像化气体传感器阵列8中的卟啉类化合物传感器、 pH指示剂传感器反应，由于成像化气体传感器阵列8的颜色 变化及变化的大小与被测气体 的种类和浓度有关，因此，根据成像化气体传感器阵列8发生的颜色变化可检测不同的发 酵样品的特性。被测气体与成像化传感器发生颜色反应，稳定后通过扫描仪6采集反应前 后的图像，将信号输入计算机10进行分析，成像化气体传感器阵列8中的多个传感器对被 测气体的响应便构成了被测气体的气味的响应谱。每个被测气体都会有它的特征响应谱， 根据该特征响应谱便可区分气体的种类和浓度。从成像化气体传感器阵列8输出的图像中 提取特征，进而用模式识别来评价发酵。本发明具体操作步骤如下：
[0030] (1)成像化气体传感器阵列的制备：选用氯苯、二氯甲苯或氯仿作为溶剂，用毛细 管点样法将气敏材料固定在反相硅胶板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一 个成像化气体传感器阵列8 ;
[0031] (2)成像化气体传感器阵列颜色的采集：恒温箱9设定为合适温度，恒温箱中有气 体收集室3、反应室7、扫描仪6,用氮气作为载气将发酵产物挥发的气体带入到反应室7,和 成像化气体传感器阵列8发生显色反应，用扫描仪6得到传感器阵列8的图像；
[0032] (3)成像化气体传感器阵列颜色特征值的提取：先用中值滤波方法滤去图像中的 白噪声，再用域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，取传感器样点周围100个像素 的R、G、B平均值，R、G、B为红绿蓝三原色，提取显色剂反应前后R、G、B颜色变化的绝对值， R= |Ra_Rb|，G= |Ga_Gb|，B= |Ba_Bb|，式中下标b为成像化传感器阵列与气体反应前的 图像，下标a为成像化传感器阵列与气体反应后的图像；
[0033] (4)监测模型的建立与验证：建立基于提取的颜色特征与发酵状态之间的回归模 型以实现发酵过程的在线监测。首先，通过独立分量分析对提取的颜色特征变量进行降维， 进一步压缩变量；其次，针对理化分析获得的不同发酵状态下的生物量浓度、产物浓度等反 映发酵进程状态的特征划分发酵过程状态；再次，利用BP-AdaBoost算法建立压缩后的特 征变量与发酵状态之间的分类模型；最后收集外部独立样本，验证所建立的发酵过程状态 监测模型。其中，基于BP-AdaBoost算法分类模型构建的具体步骤如下：
[0034] ①BP网络初始化。选择m组训练样本（由提取的颜色特征和发酵状态组成），初 始化训练样本的分布权值Dji) = 1/m，根据训练样本输入输出维数确定网络结构，初始化 BP网络权值和阈值。
[0035] ②弱分类器预测。当训练到第t个弱分类器时，通过BP网络预测输出和实际发酵 类别可得到预测序列g(t)的预测误差和ei，计算公式如下：
[0037] ③计算预测序列权重。根据上步中预测序列g(t)的预测误差和ei计算序列的权 重at，计算公式如下：
[0039] ④训练样本权重调整。根据上步中预测序列权重at调整下一轮训练样本的权重， 调整公式如下：
[0041] 式中，Bt是归一化因子。
[0042]⑤强分类器构建。T次迭代结束后，可获得T组弱分类器函数f(gt，at)，再通过线 性组合可得到强分类器函数h(x)，其公式如下：
[0044] 本发明利用图1所示装置监测发酵方法的具体流程如下：
[0045] (1)恒温箱9调至设定温度，以一定的流量氮气直接通入反应室7,使成像化气体 传感器阵列8达到稳定状态，并用扫描仪6得到成像化气体传感器阵列8反前的图像；
[0046] (2)然后打开电磁阀A2和电磁阀B4,关闭电磁阀C5,此时载气对管路进行清洗；
[0047] (3)切换电磁阀B4、C5动作，载气将待检测气体带入反应室7与成像化气体传感器 阵列8反应，反应达到平衡后，扫描仪6扫描得到成像化气体传感器阵列8反应后的图像；
[0048] (4)切换到步骤（1)，将反应后的成像化传感器8还原到反应前的状态，消除前一 次的实验记忆；
[0049] (5)重复上述步骤，分别对一组标准样本和待测试样本进行多次平行测试；
[0050] (6)计算机10对采集到的前后图像进行颜色特征值提取，并对数据进行优化和建 模，以实现发酵过程的在线监测。
[0051] 成像化气体传感器阵列8显色后图像处理的过程如下：先经过中值滤波去噪，然 后将传感器颜色数据与背景通过固定阈值分割法进行分离，找到每个成像化气体传感器反 应前后图像的中心点，然后取每个颜色反应点中心周围约100个像素的R，G，B均值作为传 感器的颜色值，这样可有效去除边缘效应的不利影响。将每个传感器反应前后的颜色值相 减的绝对值就得到该传感器的特征值，得到待检测气体的特征矩阵，利用主成分分析处理 后得到特征值矩阵，建立基于提取的颜色特征与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程 的在线监测。
[0052] 应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明 之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定 的范围。
【主权项】
1. 一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其特征在于，包括如 下步骤： 步骤1，成像化气体传感器阵列（8)的制备：通过微量取样装置取一定量的成像化气敏 溶液固定到基底平板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一个成像化气体传感 器阵列（8); 步骤2,成像化气体传感器阵列（8)颜色的采集：用氮气作为载气将发酵产物挥发的气 体带入到反应室（7)，和成像化气体传感器阵列（8)发生显色反应，用扫描仪（6)得到成像 化气体传感器阵列（8)的图像； 步骤3,成像化气体传感器阵列（8)颜色特征值的提取：在计算机（9)内先采用中值滤 波方法滤去图像中的白噪声，再用域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，取传感器 样点周围一定范围的R、G、B平均值，提取显色剂反应前后R、G、B颜色变化的绝对值； 步骤4,监测模型的建立与验证：建立基于提取的成像化气体传感器阵列（8)颜色特征 与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程的在线监测。2. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤1中所述成像化气敏溶液主要有卟啉类化合物和酸碱指示剂，所述基 底平板选用反相硅胶平板或聚四氟乙烯疏水性材料。3. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤2中的成像化气体传感器阵列（8)反应和颜色采集都在恒温箱（9)中 进行，所述恒温箱（9)中还包括气体收集室（3)、反应室（7)、扫描仪（6)、电磁阀A(2)、电磁 阀B(4)、电磁阀C(5)，氮气瓶（1)经过电磁阀A(2)连接到集气室（3)内，然后通过集气室 (3)中的另一管路分别和电磁阀B(4)和电磁阀C(5)相连，所述电磁阀C(5)所在的管路连 通到扫描仪（6)上的反应室（7)中，反应室（7)内部放置有成像化气体传感器阵列（8)。4. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤3中所述的R、G、B为红绿蓝三原色，R=IRa-RbI，G=IGa-GbI，B= Ba-BbI，式中下标b为成像化传感器阵列与气体反应前的图像，下标a为成像化传感器阵 列与气体反应后的图像。5. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤4中所述的监测模型建立的具体步骤为： 步骤4. 1，通过独立分量分析对提取的颜色特征变量进行降维，进一步压缩变量； 步骤4. 2,针对理化分析获得的不同发酵状态下的生物量浓度、产物浓度等反映发酵进 程状态的特征划分发酵过程状态； 步骤4. 3,建立压缩后的特征变量与发酵状态之间的回归模型； 步骤4. 4,收集外部独立样本，验证所建立的发酵过程状态回归模型。6. 根据权利要求5所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤4. 3中，利用BP-AdaBoost算法建立压缩后的特征变量与发酵状态之间 的分类模型。
【专利摘要】本发明公开了一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，包括如下步骤：制备成像化气体传感器阵列，采集成像化气体传感器阵列颜色，提取成像化气体传感器阵列颜色特征值，最后建立基于提取的成像化气体传感器阵列颜色特征与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程的在线监测。本发明的监测方法传感器阵列由两种不同类型的传感器组成，对发酵过程样本进行检测，检测结果客观、传感器用量小且费用低，分析过程简单本发明的监测装置操作简便，并能准确、快速对发酵产生的挥发气体进行检测，从而判断发酵的进程状态。
【IPC分类】G01N21/78
【公开号】CN104897660
【申请号】CN201510221299
【发明人】江辉, 张航, 梅从立, 李康吉, 刘国海
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种发酵过程监测的方法，更具体地说，是涉及一种基于成像化气体 传感器阵列的发酵过程在线监测的方法和装置，属于固态发酵过程监测与控制领域。
【背景技术】
[0002] 通过发酵过程监测能了解发酵过程是否正常，而且能对不可测变量进行间接估 计，对发酵过程进行控制。目前，国内外对发酵过程监测的方法包括感官评价和理化检验。 传统的感官判别方法从色泽、气味等去判别发酵的过程，感官检验的结果不易量化，存在主 观片面性，受主观因素影响大；发酵的理化检验是以发酵生产过程产物的变化为基础，进行 定性定量分析，成本高，费时费力，难以满足快速检测要求。因此，传统的发酵过程监测方法 难以做到快速、准确这一要求。为快速、有效、方便和无损的监测发酵过程，近年来，电子鼻 技术逐渐应用到发酵过程的快速检测上。电子鼻技术有快速、无损的优点，但研宄多局限于 利用金属氧化物传感器等传统传感器检测发酵，难以区分相似物质，且对环境中湿度的变 化敏感，容易引起检测结果的偏差，对硫醇、胺等金属键气体灵敏度低，而这些气体往往是 发酵腐败的特征气体，金属氧化物气体传感器与反应物之间主要是依靠范德华吸引力，这 种分子作用力是分子间的极弱作用力，灵敏度较差，而且金属氧化物气体传感器在温度高， 长时间工作后，响应基准值容易发生偏移。成像化气体传感阵列监测技术不但利用了分子 间的范德华力等弱力，而且引入了金属键、极性键，具有较强的化学反应，而且受空气湿度 的影响小。成像化气体传感阵列监测中使用的气敏材料具有分子识别性功能，这种方法灵 敏度高，可以区分化学性质极其相似的物质，克服了常见传感器难区分相似物质的缺点，能 检测出发酵过程中气体的微量变化，从而比较准确地监测发酵过程中状态和内部成分的变 化。因此，本发明提出基于成像化气体传感阵列的发酵过程在线监测。
【发明内容】
[0003] 本发明的一个目的是提供一种快捷、准确和非侵入的基于成像化气体传感阵列的 发酵过程监测方法，以解决传统监测方法易受环境影响和灵敏性低等问题。
[0004] 本发明的技术方案为：
[0005] 一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1，成像化气体传感器阵列的制备：通过微量取样装置取一定量的成像化气 敏溶液固定到基底平板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一个成像化气体传 感器阵列；
[0007] 步骤2,成像化气体传感器阵列颜色的采集：用氮气作为载气将发酵产物挥发的 气体带入到反应室，和成像化气体传感器阵列发生显色反应，用扫描仪得到成像化气体传 感器阵列的图像；
[0008] 步骤3,成像化气体传感器阵列颜色特征值的提取：在计算机内先采用中值滤波 方法滤去图像中的白噪声，再用域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，取传感器样 点周围一定范围的R、G、B平均值，提取显色剂反应前后R、G、B颜色变化的绝对值；
[0009] 步骤4,监测模型的建立与验证：建立基于提取的成像化气体传感器阵列颜色特 征与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程的在线监测。
[0010] 作为本发明的进一步改进，步骤1中所述的成像化气敏溶液主要有卟啉类化合物 和酸碱指示剂，它们能与大多数气体化合物发生颜色反应。基底平板选用反相硅胶平板、聚 四氟乙烯等疏水性材料，性能稳定，易固定成像化气敏溶液。
[0011] 作为本发明的进一步改进，所述步骤2中的成像化气体传感器阵列反应和颜色采 集都在恒温箱中进行，所述恒温箱中还包括气体收集室、反应室、扫描仪、电磁阀A、电磁阀 B、电磁阀C，氮气瓶经过电磁阀A连接到集气室内，然后通过集气室中的另一管路分别和电 磁阀B和电磁阀C相连，所述电磁阀C所在的管路连通到扫描仪上的反应室中，反应室内部 放置有成像化气体传感器阵列。
[0012] 作为本发明的进一步改进，步骤3中所述的R、G、B为红绿蓝三原色，R= |Ra-Rb|，G= |Ga_Gb|，B= |Ba_Bb|，式中下标b为成像化传感器阵列与气体反应前的图像，下标a 为成像化传感器阵列与气体反应后的图像。
[0013] 作为本发明的进一步改进，步骤4中所述的监测模型构建的具体步骤为：
[0014] 第4. 1步：通过独立分量分析对提取的颜色特征变量进行降维，进一步压缩变量；
[0015] 第4. 2步：针对理化分析获得的不同发酵状态下的生物量浓度、产物浓度等反映 发酵进程状态的特征划分发酵过程状态；
[0016] 第4. 3步：建立压缩后的特征变量与发酵状态之间的回归模型；
[0017] 第4. 4步：收集外部独立样本，验证所建立的发酵过程状态回归模型。
[0018] 所述步骤4. 3中，利用BP-AdaBoost算法建立压缩后的特征变量与发酵状态之间 的分类模型。
[0019] 本发明的有益效果是：1、本发明的监测方法传感器阵列由两种不同类型的传感器 组成，对发酵过程样本进行检测，检测结果客观、准确、方便，传感器用量小且费用低，分析 过程简单；2、本发明的待检测气体直接通过成像化气体传感器阵列，气体充分传感器接触， 检测时间短，只需3-5分钟；3、本发明的监测装置操作简便，并能准确、快速对发酵产生的 挥发气体进行检测，从而判断发酵的进程状态。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明基于成像化气体传感阵列的固态发酵过程监测装置结构示意图。
[0021] 图2为图1中成像化气体传感器阵列7的结构示意图。
[0022] 图3为本发明基于成像化气体传感阵列的发酵过程监测流程图。
[0023] 图中：1-氮气瓶、2-电磁阀A、3-集气室、4-电磁阀B、5-电磁阀C、6-扫描仪、7-反 应室、8-成像化气体传感器阵列、9-恒温箱、10-计算机。
【具体实施方式】
[0024] 本发明通过成像化气体传感阵列装置来监测发酵过程，发酵过程产生的挥发性气 体与成像化气体传感阵列发生显色反应，然后利用扫描仪获取传感器阵列显色反应前后图 像，利用中值滤波去噪和域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，得到每个传感阵列 颜色的平均值和特征值，最后针对特征值和发酵状态建立过程监测模型，得到发酵过程中 产物的变化，从而监测发酵过程。
[0025] 本发明基于成像化气体传感阵列的发酵过程监测所采用的技术方案是：成像化气 体传感阵列由成像化气体传感器和基板组成，成像化气体传感器主要有卟啉类化合物和酸 碱指示剂，基板一般选用反相硅胶平板、聚四氟乙烯等疏水性材料；氮气作为载气将气体 收集室内样品挥发的气体带到反应室内，与反应室内成像化气体传感阵列发生颜色反应； 传感器颜色反应装置置于恒温箱内，颜色反应装置包括气体收集室、反应室、扫描仪和电磁 阀；将扫描仪得到成像化气体传感阵列反应前后图像传入到计算机，用中值滤波去噪和域 值分割法把传感器图像从背景中分割出来，求得每个传感器样点的R、G、B颜色平均值，再 将每个传感器反应前后的颜色值相减的绝对值作为该传感器的特征值；最后根据提取的颜 色特征值和发酵状态建立发酵过程在线监测模型。
[0026] 下面结合附图进一步说明本发明的【具体实施方式】。
[0027] 如图1，本发明装置由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括图中：1-氮气瓶、 2-电磁阀A、3-集气室、4-电磁阀B、5-电磁阀C、6-扫描仪、7-反应室、8-成像化气体传感 器阵列、9-恒温箱、10-计算机。软件部分由扫描仪的驱动控制程序、计算机的图像处理程 序和模式识别系统组成。所述氮气瓶1经过电磁阀A2连接到集气室3内，然后通过集气室 3 (存放发酵产物挥发的气体）中的另一管路分别和电磁阀B4和电磁阀C5相连，其中电磁 阀C5所在的管路连通到扫描仪6上的反应室7中，反应室7内部放置有成像化气体传感器 阵列8,计算机9通过连接扫描仪6来分析传感器的扫描结果。
[0028] 如图2所示的成像化气体传感阵列，成像化气体传感器阵列8由成像化气体传感 器和硅胶板组成。成像化气体传感器由卟啉类化合物和酸碱指示剂传感器组成。为避免环 境湿度对传感器精度的影响，选择具有良好疏水性的反相硅胶平板、聚四氟乙烯等作为传 感器载体，其微小的孔径可以帮助吸附气体分子加快检测速度。其中，扑啉类化合物传感器 的色敏材料主要是四苯基金属卟啉或自由基卟啉，用于检测路易斯碱；pH指示剂传感器主 要用于酸碱性气体检测；选用氯苯、二氯甲苯或氯仿作为溶剂，用毛细管点样法将气敏材料 固定在反相硅胶板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一个成像化气体传感器 阵列8。
[0029] 本发明对固态发酵过程监测具有通用性，本发明将被检测发酵样品散发的成像化 气体传感器阵列8相接触，被测气体与成像化气体传感器阵列8中的卟啉类化合物传感器、 pH指示剂传感器反应，由于成像化气体传感器阵列8的颜色 变化及变化的大小与被测气体 的种类和浓度有关，因此，根据成像化气体传感器阵列8发生的颜色变化可检测不同的发 酵样品的特性。被测气体与成像化传感器发生颜色反应，稳定后通过扫描仪6采集反应前 后的图像，将信号输入计算机10进行分析，成像化气体传感器阵列8中的多个传感器对被 测气体的响应便构成了被测气体的气味的响应谱。每个被测气体都会有它的特征响应谱， 根据该特征响应谱便可区分气体的种类和浓度。从成像化气体传感器阵列8输出的图像中 提取特征，进而用模式识别来评价发酵。本发明具体操作步骤如下：
[0030] (1)成像化气体传感器阵列的制备：选用氯苯、二氯甲苯或氯仿作为溶剂，用毛细 管点样法将气敏材料固定在反相硅胶板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一 个成像化气体传感器阵列8 ;
[0031] (2)成像化气体传感器阵列颜色的采集：恒温箱9设定为合适温度，恒温箱中有气 体收集室3、反应室7、扫描仪6,用氮气作为载气将发酵产物挥发的气体带入到反应室7,和 成像化气体传感器阵列8发生显色反应，用扫描仪6得到传感器阵列8的图像；
[0032] (3)成像化气体传感器阵列颜色特征值的提取：先用中值滤波方法滤去图像中的 白噪声，再用域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，取传感器样点周围100个像素 的R、G、B平均值，R、G、B为红绿蓝三原色，提取显色剂反应前后R、G、B颜色变化的绝对值， R= |Ra_Rb|，G= |Ga_Gb|，B= |Ba_Bb|，式中下标b为成像化传感器阵列与气体反应前的 图像，下标a为成像化传感器阵列与气体反应后的图像；
[0033] (4)监测模型的建立与验证：建立基于提取的颜色特征与发酵状态之间的回归模 型以实现发酵过程的在线监测。首先，通过独立分量分析对提取的颜色特征变量进行降维， 进一步压缩变量；其次，针对理化分析获得的不同发酵状态下的生物量浓度、产物浓度等反 映发酵进程状态的特征划分发酵过程状态；再次，利用BP-AdaBoost算法建立压缩后的特 征变量与发酵状态之间的分类模型；最后收集外部独立样本，验证所建立的发酵过程状态 监测模型。其中，基于BP-AdaBoost算法分类模型构建的具体步骤如下：
[0034] ①BP网络初始化。选择m组训练样本（由提取的颜色特征和发酵状态组成），初 始化训练样本的分布权值Dji) = 1/m，根据训练样本输入输出维数确定网络结构，初始化 BP网络权值和阈值。
[0035] ②弱分类器预测。当训练到第t个弱分类器时，通过BP网络预测输出和实际发酵 类别可得到预测序列g(t)的预测误差和ei，计算公式如下：
[0037] ③计算预测序列权重。根据上步中预测序列g(t)的预测误差和ei计算序列的权 重at，计算公式如下：
[0039] ④训练样本权重调整。根据上步中预测序列权重at调整下一轮训练样本的权重， 调整公式如下：
[0041] 式中，Bt是归一化因子。
[0042]⑤强分类器构建。T次迭代结束后，可获得T组弱分类器函数f(gt，at)，再通过线 性组合可得到强分类器函数h(x)，其公式如下：
[0044] 本发明利用图1所示装置监测发酵方法的具体流程如下：
[0045] (1)恒温箱9调至设定温度，以一定的流量氮气直接通入反应室7,使成像化气体 传感器阵列8达到稳定状态，并用扫描仪6得到成像化气体传感器阵列8反前的图像；
[0046] (2)然后打开电磁阀A2和电磁阀B4,关闭电磁阀C5,此时载气对管路进行清洗；
[0047] (3)切换电磁阀B4、C5动作，载气将待检测气体带入反应室7与成像化气体传感器 阵列8反应，反应达到平衡后，扫描仪6扫描得到成像化气体传感器阵列8反应后的图像；
[0048] (4)切换到步骤（1)，将反应后的成像化传感器8还原到反应前的状态，消除前一 次的实验记忆；
[0049] (5)重复上述步骤，分别对一组标准样本和待测试样本进行多次平行测试；
[0050] (6)计算机10对采集到的前后图像进行颜色特征值提取，并对数据进行优化和建 模，以实现发酵过程的在线监测。
[0051] 成像化气体传感器阵列8显色后图像处理的过程如下：先经过中值滤波去噪，然 后将传感器颜色数据与背景通过固定阈值分割法进行分离，找到每个成像化气体传感器反 应前后图像的中心点，然后取每个颜色反应点中心周围约100个像素的R，G，B均值作为传 感器的颜色值，这样可有效去除边缘效应的不利影响。将每个传感器反应前后的颜色值相 减的绝对值就得到该传感器的特征值，得到待检测气体的特征矩阵，利用主成分分析处理 后得到特征值矩阵，建立基于提取的颜色特征与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程 的在线监测。
[0052] 应理解上述施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明 之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定 的范围。
【主权项】
1. 一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其特征在于，包括如 下步骤： 步骤1，成像化气体传感器阵列（8)的制备：通过微量取样装置取一定量的成像化气敏 溶液固定到基底平板上，干燥后再进行下一个气敏材料的固定，制成一个成像化气体传感 器阵列（8); 步骤2,成像化气体传感器阵列（8)颜色的采集：用氮气作为载气将发酵产物挥发的气 体带入到反应室（7)，和成像化气体传感器阵列（8)发生显色反应，用扫描仪（6)得到成像 化气体传感器阵列（8)的图像； 步骤3,成像化气体传感器阵列（8)颜色特征值的提取：在计算机（9)内先采用中值滤 波方法滤去图像中的白噪声，再用域值分割法把传感器图像从背景中分割出来，取传感器 样点周围一定范围的R、G、B平均值，提取显色剂反应前后R、G、B颜色变化的绝对值； 步骤4,监测模型的建立与验证：建立基于提取的成像化气体传感器阵列（8)颜色特征 与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程的在线监测。2. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤1中所述成像化气敏溶液主要有卟啉类化合物和酸碱指示剂，所述基 底平板选用反相硅胶平板或聚四氟乙烯疏水性材料。3. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤2中的成像化气体传感器阵列（8)反应和颜色采集都在恒温箱（9)中 进行，所述恒温箱（9)中还包括气体收集室（3)、反应室（7)、扫描仪（6)、电磁阀A(2)、电磁 阀B(4)、电磁阀C(5)，氮气瓶（1)经过电磁阀A(2)连接到集气室（3)内，然后通过集气室 (3)中的另一管路分别和电磁阀B(4)和电磁阀C(5)相连，所述电磁阀C(5)所在的管路连 通到扫描仪（6)上的反应室（7)中，反应室（7)内部放置有成像化气体传感器阵列（8)。4. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤3中所述的R、G、B为红绿蓝三原色，R=IRa-RbI，G=IGa-GbI，B= Ba-BbI，式中下标b为成像化传感器阵列与气体反应前的图像，下标a为成像化传感器阵 列与气体反应后的图像。5. 根据权利要求1所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤4中所述的监测模型建立的具体步骤为： 步骤4. 1，通过独立分量分析对提取的颜色特征变量进行降维，进一步压缩变量； 步骤4. 2,针对理化分析获得的不同发酵状态下的生物量浓度、产物浓度等反映发酵进 程状态的特征划分发酵过程状态； 步骤4. 3,建立压缩后的特征变量与发酵状态之间的回归模型； 步骤4. 4,收集外部独立样本，验证所建立的发酵过程状态回归模型。6. 根据权利要求5所述的基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，其 特征在于，所述步骤4. 3中，利用BP-AdaBoost算法建立压缩后的特征变量与发酵状态之间 的分类模型。
【专利摘要】本发明公开了一种基于成像化气体传感器阵列的发酵过程在线监测的方法，包括如下步骤：制备成像化气体传感器阵列，采集成像化气体传感器阵列颜色，提取成像化气体传感器阵列颜色特征值，最后建立基于提取的成像化气体传感器阵列颜色特征与发酵状态之间的回归模型以实现发酵过程的在线监测。本发明的监测方法传感器阵列由两种不同类型的传感器组成，对发酵过程样本进行检测，检测结果客观、传感器用量小且费用低，分析过程简单本发明的监测装置操作简便，并能准确、快速对发酵产生的挥发气体进行检测，从而判断发酵的进程状态。
【IPC分类】G01N21/78
【公开号】CN104897660
【申请号】CN201510221299
【发明人】江辉, 张航, 梅从立, 李康吉, 刘国海
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月4日
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