一种发酵过程基质补加速率自动控制装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种发酵过程基质补加速率自动控制装置，该装置包括至少3个模块，所述3个模块分别是数据交换模块、计算模块和条件模块；数据交换模块持续的从发酵设备，获得实时发酵时间、溶解氧浓度、发酵液体积、pH、基质补加速率和微生物菌体浓度、生物热、尾气中二氧化碳和氧浓度等参数。计算模块对数据交换模块的信息进行计算获得某一基质的需求量；条件模块根据数据交换模块的数据对基质补加条件进行判断，当条件符合时，将计算模块的输出值根据条件进行校正后，下传到发酵设备，从而实现了对发酵过程基质的自动控制。了对发酵过程基质的自动控制。了对发酵过程基质的自动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种发酵过程基质补加速率自动控制装置


[0001]本专利技术涉及一种发酵过程基质补加速率自动控制装置，属于生物


技术介绍

[0002]目前，发酵罐操作可实现自动灭菌、自动移种、自动控制温度，自动控制pH，自动控制溶解氧，还可允许用户设定某个时间的参数控制值，时间到达后，发酵罐控制程序自动执行这一命令，比如在发酵进行3小时，4小时，10小时设定不同的温度，pH或补料速率；还允许用户输入某个公式，让补料根据公式的计算值进行控制。
[0003]但是，目前所有发酵罐厂家的控制程序，不能实现综合多个参数的变化，自动给出补料方案，更不能同时给出所有补料基质的控制方案，因此在发酵过程中，这些工作是由发酵工程师根据工艺要求和自己的经验完成的；工艺要求中规定了补料开启的时间和加量范围，也包括温度、pH、溶解氧浓度的控制水平，如果基质的加量在最大值和最小范围内，则其调节方法靠工程师的经验实现。基质水平的控制是发酵过程控制的难点也是核心，之所以难，是因为微生物对基质的代谢不是线性的，需要通过菌体的增长速度和前一时刻微生物对基质的代谢进行判断，或者根据已经完成批次的加量进行估算。
[0004]目前发酵控制装置仅仅停留在接收和执行用户指令，无法替代用户下发补料指令，因此在补料上无法实现自动控制。本专利技术将基质加量计算功能引入，并且用三个模块实现，不仅是目前发酵控制程序无法实现的，也是发酵工程师未曾掌握的技术；本专利技术还允许用户将适用于某个发酵品种的规则写到条件模块，保证基质补加更加安全，且使基质加量的计算更加灵活且丰富，因此这个模块可使本装置更具个性化，且拓宽了本专利技术的应用范围。本专利技术的成功应用，可减少不同发酵工程师因调控思路不同而导致的生产波动，还可实现无人值守的发酵，减轻发酵工程师上夜班的痛苦。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供完整的可闭环的发酵过程基质自动控制方案，基于这一目标所开发的发酵过程基质补加速率自动控制装置由数据交换模块、计算模块和条件模块组成(附图1)；一方面该数据交换模块通过基于常规技术，例如OPC、Modbus、profibus、TCP/IP等通讯协议的数据接口，实时的从设备上获得发酵数据，这些数据包括发酵设备在线测量值，如设备运行时间、反应温pH、溶解氧、尾气中二氧化碳含量、尾气中氧气含量等，也包括离线检测的参数值，如OD值，氮源残量，碳源残留量等，这些数据既是工艺人员进行工艺调控的基础，也是本装置计算模块和条件模块所需要的参数，在获得发酵数据后，将发酵数据按照时间顺序保存到数据库中，计算模块和条件模块可读写数据库中相应的数据，数据库是计算模块和条件模块与外部设备进行数据交换的中介；
[0006]所述计算模块包括3个子模块，分别为A模块，B模块和C模块。A模块通过两种方法判断和计算基质需求因子A，一种是先提高基质的补加速率，等待一段时间，A模块计算补加速率变化前后溶解氧的比例，比值越大基质需求因子越大，反之越小，A模块再将这一比值
乘以一个系数作为基质需求因子B；另一种方法是停止基质补加，一段时间后，计算补加速率变化前后溶解氧变化的比例，比值越小，则基质需求因子越大，反之越小，然后将这一比值乘以系数作为基质需求因子A，这一功能是目前发酵控制程序所不具有的；
[0007]B模块计算最新的基质浓度和该基质预期浓度差值，如果差值为负，负值绝对值越大，基质需求因子B越大；如果差值为正，值越大，基质需求因子B越小，然后将差值乘以系数作为基质需求因子B；
[0008]C模块分别计算菌体浓度、尾气中二氧化碳以及与菌体生长正相关的参数，如OUR，CER，生物热等参数，与其预期值的比值；然后分别乘以相应参数的权重，计算这些数据的总和，再将总和作为基质需求因子C。C模块还提供用户输入接口和营养总因子计算功能，通过输入接口允许用户输入基质需求因子A、基质需求因子B和基质需求因子C的权重，通过计算功能获得3个基质需求因子与其权重乘积的总和，并将这一总和数值作为该基质的补加量，输出给条件模块，这一功能是目前发酵控制程序所不具有的功能，而且也是工艺人员没有掌握的量化调控手段；
[0009]条件模块由规则模块和判断模块组成，规则模块允许用户输入基质改变的规则，比如在规则中设定开启补基质的条件为pH值达到7.0时，或者DO上升至60％以上开始；判断模块对比来自数据交换模块的数据和规则模块中的规则，如果符合规则，则将基质的补加量传递给数据库；
[0010]当数据库中补加速率改变后，数据交换模块将更新的补加速率传递给发酵设备，从而实现基质补加的闭环控制。
附图说明
[0011]图1、控制流程图
具体实施方式
[0012]下面通过具体实施例，对本专利技术进一步阐述，但并不限制本专利技术。
[0013]实施例1：
[0014]发酵过程基质补加速率自动控制装置在大肠杆菌发酵过程甘油补加速率的应用大肠杆菌发酵前，需要先在发酵罐内加入一定的培养基，然后进行灭菌操作，待罐温和pH等条件符合时开始发酵过程。
[0015]按照如下步骤可实现大肠杆菌发酵中甘油的自动控制功能：
[0016]1、在数据交换模块中输入发酵设备的IP地址和端口，以及传输参数，如波特率等，然后选择发酵设备支持的通讯协议，如Modbus；上述参数设置完成可实现数据交换模块与发酵设备的数据交换。在本应用中大肠杆菌发酵过程需要有温度、pH、溶解氧、尾气二氧化碳浓度这些在线参数，以及OD值的离线检测数值。
[0017]2、计算模块：
[0018]A模块：每2小时，停止2分钟甘油补料，并计算甘油停止补料前后的溶解氧的比值。基质需求因子A的经验系数为0.5；
[0019]B模块：本过程不检测甘油浓度，因此B模块不起作用。
[0020]C模块：用户根据经验输入OD值和二氧化碳对甘油补加量的影响权重，OD为60％，
二氧化碳的影响为40％；输入基质需求因子A的权重为40％，基质需求因子B影响权重为0，基质需求因子C的影响权重为60％。
[0021]以1小时为间隔的OD和二氧化碳浓度的预期值，见下表
[0022]表1：OD值和尾气二氧化碳浓度
[0023]时间123456789OD值115308090100110120120CO2浓度0.3％1.2％2.0％3.4％4.8％4.6％4.0％4.0％4.0％
[0024]3、条件模块
[0025]规则集：不补加碱情况下，pH 2分钟内上升0.2时，开始补甘油，或者搅拌转速变化小于10％的情况下，溶解氧浓度在10分钟内，从30％以下达到70％以上时补甘油；要求甘油在2小时内补完30L；甘油最高速率为20L/小时，最低速率为10L/小时；最早补甘油时间在开始发酵1小时，最晚补甘油的时候在开始发酵后的2小时。
[0026]4、开始发酵
[0027]当以上规则设置好，准备进行发酵。先对溶解氧电极进行校准，然后将尾气接到二氧化碳分析上，在发酵罐参数符合接种条件时，启动本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种发酵过程基质补加速率自动控制装置，其特征在于，该装置包括数据交换模块、计算模块和条件模块；所述数据交换模块一方面实时与发酵设备进行数据交换和接受手工输入的离线发酵数据，另一方面将基质的补加速率传递给设备；所述计算模块从数据交换模块获得在线发酵参数和离线发酵数据并进行计算，然后获得基质需求值，并将基质需求值传递给条件模块；所述条件模块从数据交换模块获得在线发酵参数和离线发酵数据并进行计算，然后将处理结果与事先设置的工艺规则进行比较，当条件符合工艺规则时，将计算模块中输出的基质的补加速率校正后传递给数据交换模块。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述数据交换模块包含通讯接口子模块、数据采集子模块和数据库子模块；通过所述通讯接口与发酵设备进行数据交换，并接受手工输入的离线检测数据；通过数据采集子模块实现数据的加工处理并计算获得二次数据，然后将所获取的数据保存到数据库。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括以下3个子模块：A模块，通过比较基质补加速率变化前后溶解氧浓度的变化值，计算出基质需求因子A；B模块，通过比较基质浓度和该基质预期浓度，计算出基质需求因子B；C模块，分别计算菌体浓度、二氧化碳释放率与其预期值的比值，然后获得基质需求因子C，进一步C模块再将需求因子A，需求因子B和需求因子C与各自的权重乘积的和作为基质的补加速率传递给条件模块。4.如权利要求1所述的一种装置，其特征在于，所述条件模块包括以下2个子模块：规则模块为用户输入或选择的关于基质补加的规则集合；判断模块用于比较数据交换模块的信息和规则模块中的规则，如果规则满足，则将基质补加速率传递给数据交换模块。5.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述数据交换模块通过通讯接口与发酵设备建立通讯后，可实时采集发酵时间、溶解氧浓度、空气流量、压力、pH、发酵液体积、基质补加速率、微生物菌体浓度、尾气中二氧化碳、氧浓度、发酵液光谱数据，并将数据存贮到数据库；所述数据交换模块同时可接受手工输入的离线发酵数据，包括OD值，产物浓度，气相和液相检测值。6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述A模块，通过修改数据库中基质补加速率的设定值，增加基质的补加速率，并将这一补加速率维持5秒到...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军峰，
申请(专利权)人：上海履济技术服务中心，
类型：发明
国别省市：