本发明专利技术公开了一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置及方法。所述装置包括发酵罐(1)、搅拌桨(2)、压力平衡阀(3)、进料孔(4)、出料孔(5)、控温盘管(6)、石英窗片(7)、近红外光谱仪(8)、控制系统(9)；近红外光谱仪(8)通过石英窗片(7)采集发酵罐(1)中发酵液的实时近红外光谱数据，控制系统(9)调用近红外总糖模型根据实时近红外光谱数据预测发酵液中总糖实时浓度并根据补充物料工艺模型精准计算所需补料质量、控制补料经进料孔(4)进入发酵罐(1)。本发明专利技术所述装置及方法可实现微生物代谢过程精准控制、提高发酵过程原料利用率、降低发酵生产成本并提高发酵终点效价、提高发酵过程的生产效率。酵过程的生产效率。酵过程的生产效率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置及方法
[0001]本专利技术涉及发酵工程
，尤其涉及一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置及方法。
技术介绍
[0002]发酵工程是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。现代发酵工程广泛用于食品、药物等生产，在国民经济中具有重要作用和意义。
[0003]从广义角度而言，发酵分为上游发酵、中游发酵和下游发酵：其中，上游发酵一般指高性能生产菌株的选育；中游发酵一般指在人工或计算机控制的生化反应器中进行大规模培养，生产目的代谢产物；下游发酵一般指收集目的产物并进行分离纯化，最终获得所需要的产品。从狭义角度而言，发酵一般特指中游发酵过程。其中，补料分批发酵又称半连续发酵或半连续培养，是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加新鲜培养基的培养方法。补料分批发酵的优点在于使发酵系统中维持较低的基质浓度，从而可以除去快速利用碳源的阻遏效应，并维持适当的菌体浓度，使不致加剧供氧的矛盾，并可以避免培养基积累有毒代谢物。补料分批发酵广泛应用于抗生素、氨基酸、酶制剂、核苷酸、有机酸及高聚物等的生产。在发酵过程中，微生物一般会经历迟缓期、对数生长期、稳定期、衰亡期。其中，处于对数生长期、稳定期的微生物发酵过程往往需要向发酵罐内补充原料，即向发酵罐中补充糖类物质，简称：“补料”或“补糖”，从而让微生物有充足的发酵原料；处于衰亡期的微生物发酵过程则需减少补料用量，以免造成不必要的浪费，目的是最大限度地提高发酵过程的原料利用率、降低发酵生产成本并提高发酵终点效价，提高发酵过程的生产效率。
[0004]然而，目前的补料分批发酵对补糖的量的控制往往根据经验，即在发酵过程的迟缓期、对数生长期、稳定期、衰亡期，分别定量补充一定数量的糖类物质。根据经验决定补糖量虽然操作相对简单，但是这种方法没有考虑发酵罐中微生物发酵的实时情况，补糖量往往难以达到最佳补充量——或造成补糖量过多而“用不完”、或造成补糖量过少而“不够用”，往往导致生产原料浪费或微生物利用率低，导致发酵过程中微生物代谢过程难以精准控制、发酵过程的原料利用率低、发酵生产成本高、发酵终点效价低、发酵过程生产效率低。
[0005]要实现对发酵罐中微生物代谢过程的精确控制，需要在极短的时间内获得发酵罐中发酵液的总糖浓度的实时数据。然而，传统的分析方法往往需要取样、离线分析等步骤，难以满足在极短时间内获得发酵罐中发酵液的总糖浓度的实时数据的需求。
[0006]综上所述，对于微生物发酵生产过程，提供一种基于近红外光谱实时监控结合工艺模型的发酵过程原料补充方法及装置，从而实现微生物代谢过程精准控制、提高发酵过程的原料利用率、降低发酵生产成本、提高发酵终点效价并最终提高发酵过程的生产效率，成为当前亟待解决的难题。
技术实现思路
[0007]针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置及方法，解决现有的依靠经验法投放补料，发酵难以精准控制、原料利用率低、发酵生产成本高、发酵终点效价低、发酵过程生产效率低等问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0009]本专利技术的技术方案一方面提供一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，所述装置包括发酵罐，位于所述发酵罐上部的进料孔，位于所述发酵罐侧壁的石英窗片，以及位于所述发酵罐外的近红外光谱仪和控制系统；所述进料孔设有进料阀，所述近红外光谱仪和所述进料阀分别与所述控制系统电连接；
[0010]所述近红外光谱仪位于所述石英窗片外侧，用于透过所述石英窗片采集所述发酵罐内发酵液的实时近红外光谱数据，将所采集的发酵液的实时近红外光谱数据传送到所述控制系统；所述控制系统内预存储有预先建立的近红外总糖模型；
[0011]所述控制系统采用近红外总糖模型根据所述近红外光谱仪所采集的所述发酵罐内发酵液的实时近红外光谱数据预测出所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度，并根据所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度，采用补充物料工艺模型确定出所需补料的质量；
[0012]所述控制系统根据所需补料的质量控制所述进料阀完成补充物料操作。
[0013]进一步地，所述近红外总糖模型是以所述近红外光谱仪所采集的所述发酵罐内发酵液的近红外光谱数据为自变量、以所述发酵罐内发酵液的对应的总糖浓度为因变量，采用多元回归算法结合全交互验证算法预先建立。
[0014]进一步地，所述补充物料工艺模型表示为：
[0015]m＝(
‑
ac+k)h+h0，
[0016]其中，m是补料质量、a是斜率系数、c是所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度、k是截距系数、h是修正系数、h0是核减系数；
[0017]所述修正系数h的取值范围为1.020～1.050；所述核减系数h0的取值范围为
‑
0.030～0.030；所述斜率系数a是所述发酵罐内发酵液的体积V1，即a＝V1；
[0018]所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度c通过所述控制系统调用所述近红外总糖模型根据所述近红外光谱仪所采集的所述发酵罐内发酵液的近红外光谱数据进行预测后得到；
[0019]所述截距系数k通过目标糖浓度c0、补料流量p、补充物料的时间t和所述发酵罐内发酵液的体积V1获得；所述截距系数k表示为：
[0020]k＝c0(pt+V1)，
[0021]其中，c0为目标糖浓度、p为补料流量、t为补充物料的时间、V1为所述发酵罐内发酵液的体积。
[0022]进一步地，所述修正系数h为1.039；所述核减系数h0为
‑
0.018。
[0023]进一步地，所述近红外光谱仪为线性渐变分光近红外光谱仪。
[0024]进一步地，所述发酵罐内的发酵产物为金霉素；
[0025]所述所需补料是指发酵过程中补充的糖类物质，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖中的一种或多种。
[0026]进一步地，所述发酵罐采用耐腐蚀且耐高温的不锈钢材料；所述石英窗片的材质
是蓝宝石或低羟基石英；所述进料阀位于所述进料口外侧，所述控制系统控制所述进料阀打开或关闭，所述所需补料经所述进料阀通过所述进料孔进入所述发酵罐。
[0027]本专利技术的技术方案的另一方面还提供一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料方法，该方法包括如下具体步骤：
[0028]利用近红外光谱仪获取发酵罐中发酵液的实时近红外光谱数据；
[0029]根据所述发酵罐中发酵液的实时近红外光谱数据采用预先建立的近红外总糖模型预测出所述发酵罐中发酵液中总糖的实时浓度；
[0030]根据所述发酵罐中发酵液的总糖的实时浓度，采用补充物料工艺模型确定出所述发酵罐中所需补料的质量；
[0031]按照所需补料的质量，控制发酵罐的进料阀完成所述发酵罐的补充物料操作。
[0032]进一步地，所述近红外总糖模型是以所述近红外光谱仪本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，其特征在于，所述装置包括发酵罐，位于所述发酵罐上部的进料孔，位于所述发酵罐侧壁的石英窗片，以及位于所述发酵罐外的近红外光谱仪和控制系统；所述进料孔设有进料阀，所述近红外光谱仪和所述进料阀分别与所述控制系统电连接；所述近红外光谱仪位于所述石英窗片外侧，用于透过所述石英窗片采集所述发酵罐内发酵液的实时近红外光谱数据，将所采集的发酵液的实时近红外光谱数据传送到所述控制系统；所述控制系统内预存储有预先建立的近红外总糖模型；所述控制系统采用近红外总糖模型根据所述近红外光谱仪所采集的所述发酵罐内发酵液的实时近红外光谱数据预测出所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度，并根据所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度，采用补充物料工艺模型确定出所需补料的质量；所述控制系统根据所需补料的质量控制所述进料阀完成补充物料操作。2.根据权利要求1所述一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，其特征在于，所述近红外总糖模型是以所述近红外光谱仪所采集的所述发酵罐内发酵液的近红外光谱数据为自变量、以所述发酵罐内发酵液的对应的总糖浓度为因变量，采用多元回归算法结合全交互验证算法预先建立。3.根据权利要求1所述一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，其特征在于，所述补充物料工艺模型表示为：m＝(
‑
ac+k)h+h0，其中，m是补料质量、a是斜率系数、c是所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度、k是截距系数、h是修正系数、h0是核减系数；所述修正系数h的取值范围为1.020～1.050；所述核减系数h0的取值范围为
‑
0.030～0.030；所述斜率系数a是所述发酵罐内发酵液的体积V1，即a＝V1；所述发酵罐内发酵液中总糖的实时浓度c通过所述控制系统调用所述近红外总糖模型根据所述近红外光谱仪所采集的所述发酵罐内发酵液的近红外光谱数据进行预测后得到；所述截距系数k通过目标糖浓度c0、补料流量p、补充物料的时间t和所述发酵罐内发酵液的体积V1获得；所述截距系数k表示为：k＝c0(pt+V1)，其中，c0为目标糖浓度、p为补料流量、t为补充物料的时间、V1为所述发酵罐内发酵液的体积。4.根据权利要求3所述一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，其特征在于，所述修正系数h为1.039；所述核减系数h0为
‑
0.018。5.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，其特征在于，所述近红外光谱仪为线性渐变分光近红外光谱仪。6.根据权利要求1所述的一种基于近红外光谱实时监控的发酵补充物料装置，其特征在于，所述发酵罐内的发酵产物为金霉素；所述所需补料是指发酵过程中补充的糖类物质，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢昌贤，王月清，张春梅，刘昕东，王鹏飞，
申请(专利权)人：金河生物科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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