Cảm biến quang học tiên tiến cho phép đo tại chỗ một số hóa chất cơ bản, cho phép điều khiển và tối ưu hóa các quá trình lên men.
Sự phát triển của quá trình sinh học và kỹ sư sản xuất đã xác định một nhu cầu cực lớn và không thể đáp ứng cho các phép đo thành phần hóa học một cách tức thời, tại chỗ, thông qua các phép đo đó người ta có thể tối ưu hóa và tự động hóa các quá trình sinh học. Nhu cầu cho các phép đo này được định hướng bởi một vài yếu tố: giá thành hạ, tốn ít thời gian hơn, nâng cao được độ tin cậy của quy trình và làm tăng chất lượng sản phẩm. Chính sách ngày một thắt chặt của các nhà quản lý đã góp phần thúc đẩy các nhà sản xuất dược phẩm phải thỏa mãn được những nhu cầu nói trên, nghĩa là phải đo được thành phần của hỗn hợp trong suốt các công đoạn công nghệ từ quy mô sản xuất thử tới sản xuất hàng loạt.
Hình 1. Ứng dụng sợi quang trong chuyển hóa thông tin
Quy trình sinh học được dùng để sản xuất nhiều sản phẩm như thực phẩm, xăng sinh học, và dược phẩm. Dạng đơn giản nhất của quy trình này là sản xuất bia, một quá trình lên men mạch trong đó mal bia được sử dụng như nguồn thực phẩm hay nguyên liệu chính dùng làm men bia (một dạng tổ chức sống). Men bia sẽ chuyển đường có trong mạch thành rượu. Trong khi các quá trình sinh học khác phức tạp hơn rất nhiều, bởi chúng liên quan tới nguồn thực phẩm và chất hoạt hóa (ví dụ như men bia) và sản phẩm đầu ra. Trong quá trình sản xuất, tối ưu hóa được các quá trình, làm tăng công suất và giảm chi phí là nhiệm vụ của mọi bộ phận. Một thông số quan trọng trong luân chuyển một quá trình được tối ưu hóa đó là điều khiển phần thêm (định lượng) nguyên liệu cấp để chất hoạt hóa có thể hoạt động ở mức độ chuyển hóa cao. Quá ít hay quá nhiều nhiên liệu nạp đều dẫn đến kết quả không như ý muốn. Khả năng điều khiển và kiểm soát “sức khỏe” của môi trường diễn ra quá trình sinh học là một trong những ưu tiên hàng đầu của các kỹ sư phát triển.
Trong bài này chúng tôi giới thiệu vi cảm biến quang học dựa trên cơ sở cảm biến thể rắn và công nghệ sợi quang được tích hợp trong bể phản ứng, phù hợp với cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô sản xuất. Trong chip này, tín hiệu ánh sáng sẽ đáp ứng thời gian thực với sự thay đổi về thành phần và tốc độ chuyển hóa trong bình phản ứng, làm dịch chuyển bước sóng của tín hiệu phản hồi, đáp ứng với những thay đổi về thành phần hóa học trong môi trường xảy ra quy trình sinh học. Tùy thuộc vào kiểu quá trình lên men, độ dịch bước sóng có thể có tác dụng như một dấu hiệu đặc thù. Ví dụ, cảm biến sẽ nhận biết được sự thay đổi về môi trường trong men bia và quá trình chuyển đổi duy nhất tương ứng nhưng chúng lại được khống chế bởi sự thay đổi nồng độ protein hay gluco. Tốc độ thay đổi của chất dấu hiệu đặc thù này cho biết được tốc độ thay đổi của chất hoạt hóa chuyển đổi. Hệ thống nhận biết tỷ lệ chuyển hóa cao nhất của chất hoạt động, được dùng như một trigơ (bộ xúc tác khởi động) cho phần thêm nguyên liệu kế tiếp và như vậy duy trì được tốc độ chuyển hóa tối ưu nhằm đạt hiệu suất cao nhất.
Hệ thống, bao gồm đầu dò chuẩn công nghiệp và hệ thống điều khiển, có thể được dùng trong điều khiển và kiểm soát các trình sinh học từ đầu dây chuyền, nơi mà nồng độ các chất cần được điều chỉnh cho phù hợp với sản phẩm tạo ra trong bình phản ứng cho tới khi kết thúc quá trình nơi mà cần điều chỉnh nồng độ chất thêm vào trong quá trình đóng gói, hoàn thiện.
Hình 2. Cấu trúc đơn giản của cảm biến quang ứng dụng trong đo lường quá trình sinh học
Công nghệ Cấu trúc quang ở trung tâm của bộ phận cảm biến sẽ định tuyến ánh sáng trên một chip nhỏ, Hình 2. Bằng cách nhúng cảm biến trong môi trường đo, đầu đo sẽ đo lường trực tiếp hệ số khúc xạ của môi trường nhờ sự dịch bước sóng giữa tia tới và tia hồi đáp. Phép đo thời gian thực này đáp ứng với tỷ lệ chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm (tốc độ chuyển hóa).
Hình 3 là lược đồ bao gồm hai thành phần chính, phần quản lý điều khiển chủ yếu liên quan tới các cấu kiện điện tử, thuật toán, bảng mạch và bình phản ứng nơi xảy ra các quá trình sinh học. Tương tác thông tin giữa hai hai bộ phận được kết nối thông qua sợi quang khử nhiễu. Bộ phận quản lý điều khiển tích hợp một nguồn lade, đầu đo và “nhúng trong” mô đun có chứa các bộ chip silicon khác nhằm tăng tính tích hợp của hệ thống. Hệ thống có thể lấy tín hiệu lối ra ở dạng OPC chuẩn hoặc dòng tương tác từ 4-20 mA.
Hình 3. Lưu đồ hệ thống
Sợi quang kết nối giữa hai phần của hệ thống sẽ làm tăng tỷ số tín hiệu trên ồn. Đồng thời, việc tích hợp cảm biến nhiều bước sóng trên cùng một cửa sổ và nhúng trong môi trường đo sẽ làm giảm thời gian xử lý tín hiệu, tăng độ tin cậy của phép đo. Theo ý kiến chủ quan, cảm biến này không chỉ dành cho quá trình chế tạo bia mà còn có thể áp dụng cho các quá trình sinh học khác.
(Nguồn: automation.net.vn)
