一种发酵过程自动加水加培养基的控制方法及系统与流程

本发明涉及生物发酵，特别是涉及一种发酵过程自动加水加培养基的控制方法及系统。

背景技术：

1、发酵过程是利用微生物的代谢活动生产目标产物的关键工艺过程，广泛应用于医药、食品、化工及农业等领域。在发酵过程中，培养基中的营养物质随着菌体的生长繁殖与代谢活动不断被消耗，发酵液体积也因蒸发、取样等因素发生变化，因此需要适时补加水分与新鲜培养基，以维持适宜的菌体生长环境与营养供给，从而保证发酵过程的高效进行与目标产物的高产。

2、当前，发酵过程的加水加培养基控制主要采用两类方式，第一类是基于经验的人工定时定量补料，这种方式操作简单，但严重依赖操作人员的经验水平，补料时机与补料量的准确性难以保证，容易出现营养供给不足导致菌体生长受限，或营养过剩导致代谢副产物积累、菌体生长异常等问题，且人工操作的响应速度慢，无法适应发酵过程动态变化的需求；第二类是基于单一参数的反馈控制，例如根据溶解氧浓度或ph值的变化触发补料，这类方式虽能实现一定程度的自动控制，但仅依据单一参数进行判断，缺乏对菌体整体代谢状态的综合感知，且属于滞后性的反馈调节，无法提前预判营养需求，容易造成发酵过程波动，影响产物得率与发酵稳定性；因此，如何实现发酵过程加水加培养基的精准、自适应自动控制成为了业界面临的难题。

技术实现思路

1、基于此，本发明提供一种能够实现发酵过程加水加培养基精准、自适应自动控制的发酵过程自动加水加培养基的控制方法及系统。

2、第一方面，本发明提供一种发酵过程自动加水加培养基的控制方法，包括如下步骤：

3、采集发酵过程中反映菌体代谢状态与发酵环境的多维度状态参数；

4、构建发酵过程数字孪生模型，将采集的多维度状态参数实时映射至所述数字孪生模型，以实现发酵状态在虚拟空间的虚实映射与可视化；

5、基于代谢动力学模型与实时发酵状态，预测菌体生长趋势与营养物质消耗速率；

6、采用前馈-反馈复合控制策略，根据预测的营养需求与实时状态偏差，动态确定加水与加培养基的补料时机、补料速率及水料比例；

7、实时评估每次补料后的发酵响应效能，根据效能评估结果自适应优化补料控制参数。

8、在一些实施例中，采集发酵过程中反映菌体代谢状态与发酵环境的多维度状态参数具体包括：

9、在发酵罐的关键检测点部署多类型传感器；

10、通过数据采集系统周期性采集各传感器的检测数据，得到反映菌体代谢状态与发酵环境的多维度状态参数。

11、在一些实施例中，构建发酵过程数字孪生模型，将采集的多维度状态参数实时映射至所述数字孪生模型，以实现发酵状态在虚拟空间的虚实映射与可视化具体包括：

12、根据发酵罐设备参数、工艺原理与菌体代谢特性，构建发酵过程数字孪生模型；

13、将采集的多维度状态参数实时映射至所述数字孪生模型的对应状态变量；

14、驱动数字孪生模型的仿真引擎与可视化引擎，实现发酵状态的虚实映射与三维可视化展示。

15、在一些实施例中，基于代谢动力学模型与实时发酵状态，预测菌体生长趋势与营养物质消耗速率具体包括：

16、构建包含菌体生长、底物消耗与产物合成的发酵代谢动力学模型；

17、基于实时状态参数采用状态估计算法更新模型参数与当前状态；

18、基于更新后的代谢动力学模型，预测未来时段的菌体生长趋势与营养物质消耗速率。

19、在一些实施例中，采用前馈-反馈复合控制策略，根据预测的营养需求与实时状态偏差，动态确定加水与加培养基的补料时机、补料速率及水料比例具体包括：

20、基于预测的营养物质消耗速率，计算满足菌体生长需求的前馈补料量；

21、基于实时状态参数与设定目标值的偏差，计算反馈修正补料量；

22、结合前馈补料量与反馈修正补料量，动态确定加水与加培养基的补料时机、补料速率及水料比例。

23、在一些实施例中，实时评估每次补料后的发酵响应效能，根据效能评估结果自适应优化补料控制参数具体包括：

24、在每次补料后的设定响应周期内，监测关键状态参数的变化情况；

25、基于补料前后的状态变化计算补料效能评估指标；

26、根据补料效能评估指标，自适应调整代谢动力学模型参数与前馈-反馈控制增益。

27、在一些实施例中，所述多维度状态参数包括溶解氧浓度、ph值、菌体浓度、二氧化碳释放率、氧化还原电位、发酵液温度及发酵液体积。

28、在一些实施例中，所述补料时机包括连续补料模式下的补料启动时刻与间歇补料模式下的补料触发时刻；所述补料速率包括单位时间内的加水量与加培养基量；所述水料比例为补加的水与培养基的体积比或质量比。

29、在一些实施例中，所述补料效能评估指标综合考虑菌体比生长速率、底物比消耗速率及产物比合成速率三个维度的响应情况。

30、第二方面，本发明提供一种发酵过程自动加水加培养基的控制系统，包括：

31、采集模块，用于采集发酵过程中反映菌体代谢状态与发酵环境的多维度状态参数；

32、建模模块，用于构建发酵过程数字孪生模型，将采集的多维度状态参数实时映射至所述数字孪生模型，以实现发酵状态在虚拟空间的虚实映射与可视化；

33、预测模块，用于基于代谢动力学模型与实时发酵状态，预测菌体生长趋势与营养物质消耗速率；

34、控制模块，用于采用前馈-反馈复合控制策略，根据预测的营养需求与实时状态偏差，动态确定加水与加培养基的补料时机、补料速率及水料比例；

35、优化模块，用于实时评估每次补料后的发酵响应效能，根据效能评估结果自适应优化补料控制参数。

36、本发明相比现有技术具有以下有益效果：

37、本发明提供的发酵过程自动加水加培养基的控制方法及系统中，首先，采集发酵过程中反映菌体代谢状态与发酵环境的多维度状态参数，该步骤可实现对发酵过程多维度、全方位的状态感知，为后续的建模、预测与控制提供了全面、准确的数据基础，确保系统能够实时掌握菌体的代谢状态与发酵环境变化；其次，构建发酵过程数字孪生模型，将采集的多维度状态参数实时映射至所述数字孪生模型，以实现发酵状态在虚拟空间的虚实映射与可视化，该步骤可通过数字孪生技术建立物理发酵过程的精确虚拟镜像，实现发酵状态的直观展示与协同监控，使操作人员能够从系统层面把握整体发酵态势，同时为后续的仿真预测与虚拟调试提供了模型支撑；然后，基于代谢动力学模型与实时发酵状态，预测菌体生长趋势与营养物质消耗速率，该步骤可通过代谢动力学模型结合实时状态估计，提前预判菌体的生长趋势与营养需求，将传统的滞后性反馈控制转变为前瞻性的预测控制，从而为补料决策提供科学依据，克服了传统经验控制与单一参数反馈控制的盲目性与滞后性；接着，采用前馈-反馈复合控制策略，根据预测的营养需求与实时状态偏差，动态确定加水与加培养基的补料时机、补料速率及水料比例，该步骤可通过前馈控制提前满足菌体生长的预测营养需求，通过反馈控制实时修正实际状态与目标的偏差，二者结合实现了补料的精准、动态控制，既保证了营养供给的及时性，又确保了发酵状态的稳定性，有效提高了发酵效率与产物得率；最后，实时评估每次补料后的发酵响应效能，根据效能评估结果自适应优化补料控制参数，该步骤可通过对补料效果的闭环评估与参数自适应优化，使系统能够不断学习并适应不同发酵批次、不同菌体生长阶段的特性，持续提升控制性能，从而实现了补料控制系统的自学习与自适应能力；综上所述，本发明的方案可实现发酵过程加水加培养基的精准、自适应自动控制，提高发酵效率与产物得率。