一种多级连续发酵系统技术方案

本发明专利技术公开了多级连续发酵系统，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；所述下位机包括级联的多个微型生物反应器、多级发酵数据采集模块、模数转换器、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板；所述上位机包括数据计算模型以及控制系统。本发明专利技术能够按照实验目标自动求解、设计合适的发酵参数，并且在发酵过程中对参数进行实时测量和最优控制。对参数进行实时测量和最优控制。对参数进行实时测量和最优控制。

【技术实现步骤摘要】
一种多级连续发酵系统


[0001]本专利技术涉及生物产业
，尤其涉及一种应用于微型生物反应器(Micro
‑
bioreactor，MBR)的多级连续发酵系统。

技术介绍

[0002]传统的分批发酵效率越来越无法满足工业生产的自动化控制需求，越来越多的企业使用多级连续发酵来提高生产效率，同时多级连续培养体系具有方便自动化控制，降低生产成本等诸多优势。
[0003]在现有的多级连续发酵系统中，需要对每一级发酵进行一系列复杂的物料衡算和能量守恒的计算，并且需要考虑温度、pH、溶氧等多因素耦合，从而才能够对多级连续发酵系统进行精确的控制，实现我们制定的发酵目标。对于多级连续发酵现在往往在实时得到详细发酵数据后无法实时将获得的数据进行处理，从而无法实时对发酵参数及时的调整，以致无法对多级发酵自动控制。多参数耦合的发酵，通过人工计算会是十分缓慢的过程，然而细胞内反应是一个十分快速的过程，从而计算出的结果也并没有了时效性，并且设计成完善的系统会减少人工计算的出错率。考虑多参数因素的多级发酵系统，可以迅速计算出发酵状态，能够及时的给出反馈控制参数。此多级连续发酵系统，主要包括发酵罐数据的采集，非线性动力系统的建模，多个参数的最优控制，实现实时发酵数据的反馈控制。多级连续发酵能够极大的提高生产效率，并且有利于自动化控制，可以同时获得多个比生长速率下的实验数据。帮助科研人员同时大批量的进行发酵实验，节约科研人员的时间。多级连续发酵系统可以提前预测发酵进程，能够指导实验设计和提高实验效率。其也可以帮助企业进行多级连续发酵的参数监控和调控，降低企业生产成本，提高生产效率。
[0004]但是，随着科技进步，发酵罐上可以实时获取的数据逐渐增多，检测的变量参数例如尾气中的O2含量、尾气的湿度、PH、溶氧，而不是传统的只关注尾气中的CO2含量、进料速率、进料糖浓度。对于多级连续发酵，可以获得的数据则更加的多，此时需要处理的数据量远高于单级发酵，而且不同级的发酵罐之间会相互影响，给求解带来了很大的困难。因此目前应用于微型生物反应器(Micro
‑
bioreactor，MBR)的多级连续发酵系统存在求解多级发酵的多种变量参数不准确的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种微型生物反应器，用以解决目前应用于微型生物反应器(Micro
‑
bioreactor，MBR)的多级连续发酵系统存在求解多级发酵的多种变量参数不准确的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种多级连续发酵系统，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；所述下位机包括级联的多个微型生物反应器、多级发酵数据采集模块、模数转换器、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板；所述多级发酵数据采集模块用以采集所述微型生物反应器中的发酵数据，并传输至所述模数转换器中以获得液相参数和气
相参数；所述脉宽调制器驱动板用于在接受到一调控参数后通过控制所述多级发酵执行模块调节控制所述微型生物反应器的驱动；所述上位机包括数据计算模型以及控制系统；所述数据计算模型用于接收所述模数转换器输出的液相参数和气相参数，通过计算求解所述微型生物反应器内的液相的物质含量、菌体生长速率、底物消耗速率、产物生成速率，再通过元素守恒、亨利定律计算获得所述微型生物反应器中的反应速率；所述控制系统根据所述微型生物反应器中的反应速率调节所述微型生物反应器的调控参数，并将所述调控参数传输至所述脉宽调制器驱动板。
[0007]进一步地，每一微型生物反应器包括与所述多级发酵数据采集模块连接的传感器光密度传感器、pH电极、溶氧电极、温度电极、液位传感器、温湿度测量传感器、气压测量传感器、质量流量控制器、O2尾气分析传感器、CO2尾气分析传感器，以及与所述多级发酵执行模块连接的补酸碱蠕动泵、加热片、制冷片以及搅拌装置。
[0008]进一步地，所述数据计算模型使用物料衡算、黑箱模型、元素守恒、亨利定律来进行求解所述微型生物反应器中的反应速率；所述黑箱模型为通过忽略菌体内部的代谢反应与发酵罐各区域的发酵差异，建立起输入底物浓度、菌体和输出底物浓度、菌体之间因果关系的模型。
[0009]进一步地，结合所述物料衡算、所述黑箱模型、所述元素守恒的公式通过初始参数发酵罐体积V、进料菌体浓度X
in
、进料底物浓度S
in
、进料产物浓度P
in
、底物平衡常数K
m
、生长偶联系数α、非生长偶联系数β、生长消耗系数a、产物合成系数b、维持系数ms，通过物料衡算和黑箱模型可以计算出出口菌体浓度X
out
、产物浓度P
out
、比生长速率μ、底物消耗速率q
s
、产物合成速率q
p
、进料流量Q，再通过菌体的分子式、底物的分子式求出各个组分的含量和氧气消耗速率rO2和二氧化碳生成速率rCO2。
[0010]进一步地，所述物料衡算的公式包括：Q(X
in
‑
X
out
)+V X
out
μ＝0；Q(S
in
‑
S
out
)
‑
V X
out q
s
＝0；Q(P
in
‑
P
out
)+V X
out q
p
＝0。
[0011]进一步地，所述黑箱模型的公式包括：q
p
＝αμ+β；q
s
＝αμ+b q
p
+ms。
[0012]进一步地，所述元素守恒的公式包括：进一步地，所述元素守恒的公式包括：进一步地，所述元素守恒的公式包括：进一步地，所述元素守恒的公式包括：进一步地，所述元素守恒的公式包括：进一步地，所述元素守恒的公式包括：进一步地，所述元素守恒的公式包括：
[0013]进一步地，通过所述亨利定律结合液相中气体物料守恒以及气相物料守恒的公式
获得气相组分及液体组分气体分子含量；其中已知进气流量V
g,in
、进气氧含量gO
2,in
、进气二氧化碳含量gCO
2,in
、进气氮含量gN
2,in
、进料氧含量lO
2,in
、进料二氧化碳含量lCO
2,in
、进料氮含量lN
2,in
此外加上rO2和rCO2，通过亨利定律求得气体分子在气体和液体中的含量。
[0014]进一步地，所述液相中气体物料守恒的公式为：进一步地，所述液相中气体物料守恒的公式为：进一步地，所述液相中气体物料守恒的公式为：所述气相物料守恒的公式为：V
g,in gO
2,in
‑
T
O2
＝V
g,out gO
2,out
；V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级连续发酵系统，其特征在于，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；所述下位机包括级联的多个微型生物反应器、多级发酵数据采集模块、模数转换器、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板；所述多级发酵数据采集模块用以采集所述微型生物反应器中的发酵数据，并传输至所述模数转换器中以获得液相参数和气相参数；所述脉宽调制器驱动板用于在接受到一调控参数后通过控制所述多级发酵执行模块调节控制所述微型生物反应器的驱动；所述上位机包括数据计算模型以及控制系统；所述数据计算模型用于接收所述模数转换器输出的液相参数和气相参数，通过计算求解所述微型生物反应器内的液相的物质含量、菌体生长速率、底物消耗速率、产物生成速率，再通过元素守恒、亨利定律计算获得所述微型生物反应器中的反应速率；所述控制系统根据所述微型生物反应器中的反应速率调节所述微型生物反应器的调控参数，并将所述调控参数传输至所述脉宽调制器驱动板。2.根据权利要求1所述的微型生物反应器，其特征在于，每一微型生物反应器包括与所述多级发酵数据采集模块连接的传感器光密度传感器、pH电极、溶氧电极、温度电极、液位传感器、温湿度测量传感器、气压测量传感器、质量流量控制器、O2尾气分析传感器、CO2尾气分析传感器，以及与所述多级发酵执行模块连接的补酸碱蠕动泵、加热片、制冷片以及搅拌装置。3.根据权利要求1所述的微型生物反应器，其特征在于，所述数据计算模型使用物料衡算、黑箱模型、元素守恒、亨利定律来进行求解所述微型生物反应器中的反应速率；所述黑箱模型为通过忽略菌体内部的代谢反应与发酵罐各区域的发酵差异，建立起输入底物浓度、菌体和输出底物浓度、菌体之间因果关系的模型。4.根据权利要求3所述的微型生物反应器，其特征在于，结合所述物料衡算、所述黑箱模型、所述元素守恒的公式通过初始参数发酵罐体积V、进料菌体浓度X
in
、进料底物浓度S
in
、进料产物浓度P
in
、底物平衡常数K
m
、生长偶联系数α、非生长偶联系数β、生长消耗系数a、产物合成系数b、维持系数ms，通过物料衡算和黑箱模型可以计算出出口菌体浓度X
out
、产物浓度P
out
、比生长速率μ、底物消耗速率q
s
、产物合成速率q
p
、进料流量Q，再通过菌体的分子式、底物的分子式求出各个组分的含量和氧气消耗速率rO2和二氧化碳生成速率rCO2。5.根据权利要求4所述的微型生物反应器，其特征在于，所述物料衡算的公式包括：Q(X
in
‑
X
out
)+VX
out
μ＝0；Q(S
in
‑
S

【专利技术属性】
技术研发人员：夏建业，朱慧东，范勐，王泽宇，庄英萍，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：