[发明专利]基于近红外光谱分析技术的青霉素发酵生产过程多模型监控系统

说明书

本发明公开了一种基于近红外光谱分析技术的青霉素发酵生产过程多模型监控系统，属于近红外光谱分析和青霉素过程监控的交叉领域。基于近红外光谱分析技术的多模型分析方法，实现对青霉素发酵过程中的发酵液生物量、含糖量、含氮量以及青霉素浓度等生化指标的实时在线检测和监控，得到精确的数值和变化趋势。按照本发明提供的技术方案，所述青霉素发酵监控系统，包括由近红外光谱仪、PLC和工控机组成的硬件装置，以及由化学计量学方法组成的判别模型、回归模型等软件部分。各部分协同工作，结构清晰，系统完备，可以很好的提高青霉素发酵过程的自动化程度。

一、技术领域

本发明涉及液态发酵近红外光谱在线检测的技术领域，特别是涉及一种针对青霉素发酵过程、以近红外光谱仪在线采集发酵液光谱并以多个测量子模型进行过程监测的系统。

二、背景技术

青霉素是一种β-内酰胺类抗生素，是青霉菌生长过程中的代谢产物，青霉素能够抑制转肽酶，阻止细菌细胞壁合成中的黏肽交联，使细菌细胞壁合成发生障碍，从而抑制细菌的生长。青霉素从19世纪40年代开始被用于临床，拯救了上亿人的生命。1997年，世界范围内青霉素总产量达到38000吨。青霉素不仅仅可以用于口服和注射，也可以作为制备6-氨基青霉素烷等高附加值抗生素的原料。与青霉素相关的研发和生产具有极其重要的意义。到1999年为止，我国的青霉素产量已占世界40％。但由于我国的青霉素生产起步较晚，我国青霉素发酵的生产工艺和生产效率与国际先进水平仍有着较大的差距。如何提高发酵产量和降低生产成本成为国内发酵研究人员面临的共同课题。

青霉素的发酵过程是一种典型的有氧生化反应过程。在发酵过程中，青霉菌在合适的培养基、pH值、温度、空气流量、搅拌等条件下进行生长和抗菌素合成。青霉素发酵过程不仅仅具有一般非线性系统的时变性、大惯性、强耦合、不确定性等特点，而且发酵过程中的一些重要参数如生物质浓度和产物浓度无法在线测量，导致青霉素发酵过程的自动控制比一般的非线性系统更为复杂和困难，先进的控制工艺难以实施，发挥不出菌种的最大潜力，降低了青霉素的生产效率。实现发酵参数的实时监控对提高我国青霉素发酵工艺水平起着重要的作用。

青霉素发酵过程中，重要的理化参数指标一般包括温度、压力、pH、溶解氧含量、发酵液含糖量、含氮量、细胞浓度、青霉素产物浓度等。对于温度、压力、pH、溶解氧含量等信号，现有的传感器可以实现精密快速的在线检测。但对于发酵液含糖量、含氮量、细胞浓度、青霉素产物浓度等直观反映发酵过程的重要参数指标，目前的技术难以进行实时在线检测。虽然现在各大公司已经研发出折射仪、浊度计等光学仪器，但由于在发酵环境中，发酵液物质成分复杂，上述仪器难以进行有效的检测，精确度无法得到保证。

另一方面，青霉素发酵过程采用分批补料方式。在发酵过程中，当发酵液中基质浓度降低到一定程度时，需要对发酵液进行多次的补料，增加发酵液中的碳源、氮源，以促进青霉菌的营养生长。当发酵过程进入后期产物合成阶段时，又需要对发酵液添加前体。整个发酵过程较为复杂，单一的动力学模型难以进行准确的描述，因而可以将青霉素发酵过程分为多个子模型，每个子模型对应于不同的发酵阶段。针对不同的子模型需要进行采用相应的检测方式。而补料和添加前体的时机选择也依赖于对于整个发酵过程的监控和把握。

针对以上的特点和难点，本发明采用了近红外光谱分析技术作为检测手段，提出了一种全新的多模型监控方法。近红外光谱分析技术具有快速准确、操作简单、无浪费、无污染、一次测试可以测定多种成分和指标等优点。近红外光谱分析技术结合化学计量学方法可以对复杂有机物的组成成分进行精确快速的检测，具有极大的应用潜力。多模型方法可以对青霉素分批补料发酵过程进行更为精确的描述。两者结合，可以使得青霉素发酵过程的监控更为全面和准确，对于先进控制工艺的实施，具有重要的意义。

三、发明内容

本发明的目的是研发一种快速、准确监测青霉素发酵过程的系统，提供了基于近红外光谱分析技术的多模型分析方法，实现对青霉素发酵过程中的发酵液生物量、含糖量、含氮量以及青霉素浓度等理化指标进行实时在线检测，得到精确的数值和变化趋势。