[发明专利]一种发酵过程基质补加速率自动控制装置

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种发酵过程基质补加速率自动控制装置，属于生物技术领域。

背景技术

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。

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。

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。本发明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；本发明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，且拓宽了本发明的应用范围。本发明的成功应用，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。

发明内容

本发明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；

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；

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；