一种利用淡水鱼鳞制备胶原蛋白肽方法与流程

本发明涉及生物加工过程控制，具体为一种利用淡水鱼鳞制备胶原蛋白肽方法。

背景技术：

1、淡水鱼鳞中含有丰富的胶原蛋白，通过脱钙及酶解处理可以制备出小分子胶原蛋白肽。在工业放大生产中，酶解工艺是决定最终多肽产品分子量分布和产率的关键环节。目前，现有技术对酶解过程的控制主要依赖于恒温保持，并通过比例积分微分控制算法驱动加碱泵来维持反应体系酸碱度的稳定，通常根据预设的固定反应时长或观察加碱消耗量趋于平缓来判定酶解终点并执行灭酶操作。

2、然而，这种常规的控制方式存在局限性。依赖单一宏观的酸碱度反馈或固定时长来判定酶解终点，与实际的微观分子断键进程之间存在滞后。这种判定滞后导致终点控制不够准确，容易出现水解不完全或过度水解的现象，使得目标多肽产率降低及分子量分布发散。同时，在反应中后期，底物物料容易发生局部包裹团聚，阻碍了酶分子和氢氧根离子的渗透传质。常规的连续恒速搅拌无法有效打散该团聚物，导致生化反应速率非线性衰减，釜内物料难以实现均一液化。此外，当反应体系接近终点稳态时，常规的加碱闭环控制算法容易产生数据振荡，导致加碱泵发生误动作，造成化学试剂的超调注入，进而影响胶原蛋白多肽的纯度与批次间的质量稳定性。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题在于，在淡水鱼鳞脱钙胶原蛋白酶解制备多肽的工业放大过程中，依赖单一酸碱度反馈或固定时长引发的酶解终点判定存在滞后，同时反应中后期底物易发生局部包裹团聚进而阻碍生化传质，导致过度水解与不完全水解并存，造成目标多肽产率降低、分子量分布发散以及系统执行灭酶动作时伴随试剂超调滴定。

2、为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

3、本发明第一方面提供一种利用淡水鱼鳞制备胶原蛋白肽方法，包括以下步骤：预处理步骤：将淡水鱼鳞进行脱钙处理，获取脱钙胶原蛋白底物；酶解数据采集步骤：将脱钙胶原蛋白底物置于反应釜中进行酶解反应，在酶解进程中同步采集反应釜内的流体实时声阻抗、基础搅拌扭矩以及维持体系酸碱度平衡的瞬时加碱质量流量信号； 特征运算步骤：通过特征运算模块对流体实时声阻抗和基础搅拌扭矩进行平滑滤波处理，并调用硬件浮点运算单元执行离散后向差分算法提取表征反应动力学演进趋势的动态特征量，动态特征量包括流体实时声阻抗变化速率以及基础搅拌扭矩变化速率，并基于基础搅拌扭矩变化速率进一步计算联控触发因子，基于基础搅拌扭矩提取平滑基础扭矩趋零参数；闭环状态控制步骤：通过状态控制模块同步比对流体实时声阻抗变化速率、联控触发因子以及平滑基础扭矩趋零参数分别与对应的预设收敛区间，当判定达到收敛条件时输出全局收敛标志位以触发系统级硬锁执行逻辑执行灭酶动作；并在酶解进程中持续计算瞬时加碱质量流量信号的离散导数，依据离散导数过零点捕获化学特征极值，反向生成高频变频脉冲控制字驱动搅拌单元打散局部包裹团聚物。

4、进一步的，在特征运算步骤中，特征运算模块按固定的控制步长读取流体实时声阻抗以及基础搅拌扭矩的平滑滤波特征值；将当前离散采样时刻的平滑滤波特征值与上一离散采样时刻以及更早历史离散采样时刻的平滑滤波特征值进行做差运算；通过一阶离散后向差分算法提取流体实时声阻抗以及基础搅拌扭矩的实时变化速率，通过二阶离散后向差分算法提取流体实时声阻抗以及基础搅拌扭矩的变化加速度；控制步长设定为100ms至500ms之间。

5、进一步的，在计算联控触发因子时，在除法指令中引入极小常数作为系统防溢出处理程序；联控触发因子的数值通过如下逻辑计算获取：获取当前离散采样时刻与上一离散采样时刻的流体实时声阻抗平滑滤波特征值之间的差值；获取当前离散采样时刻与上一离散采样时刻的基础搅拌扭矩平滑滤波特征值之间的差值作为基础搅拌扭矩变化速率，并将基础搅拌扭矩变化速率提取绝对值后与极小常数进行加和运算；将流体实时声阻抗的差值除以加和运算后的结果，以计算获取联控触发因子；其中，极小常数结合单精度浮点数的机器精度范围设定为10的负6次方。

6、进一步的，关于基于基础搅拌扭矩提取平滑基础扭矩趋零参数的过程具体为：特征运算模块针对变频器运行状态标识字复位后划分出的时序测量窗口构建特定运算周期调度机制；在设定的隔离时序窗口内主动挂起接收到的基础搅拌扭矩波动数据，当达到设定的隔离时序窗口的时间宽度后激活特定运算周期调度机制，在后续的稳定时间片段内连续提取多个特定离散采样周期的基础搅拌扭矩并计算多周期算术平均值作为平滑基础扭矩趋零参数；隔离时序窗口的时间宽度设定为2s至5s。

7、进一步的，在闭环状态控制步骤中，判定输出全局收敛标志位的过程具体包括：状态控制模块内部集成有现场可编程逻辑门阵列芯片，现场可编程逻辑门阵列芯片内部配置有相互独立的并发逻辑比较电路；现场可编程逻辑门阵列芯片将流体实时声阻抗变化速率、联控触发因子以及平滑基础扭矩趋零参数分别输入至对应的数字比较器硬件模块中；数字比较器硬件模块在同一个时钟周期内判定各维度运算特征值是否落入预先烧录在数字比较器硬件模块寄存器中的目标阈值上下限范围内，当所有的数字比较器硬件模块均输出高电平时，多输入逻辑与门电路被触发并翻转输出全局收敛标志位。

8、进一步的，预设收敛区间具体配置为：流体实时声阻抗变化速率的预设收敛区间设定为0.1 acoustic ohm/s至0.5 acoustic ohm/s之间，平滑基础扭矩趋零参数的预设收敛区间设定为电机额定扭矩的1%至3%之间，联控触发因子的预设收敛区间设定为0.5至1.5之间。

9、进一步的，在闭环状态控制步骤中，反向生成高频变频脉冲控制字的过程具体包括：定位瞬时加碱质量流量信号的离散导数由正数值跳变转为负数值的过零点，以捕获生化反应速率的局部极大值特征；当捕获到局部极大值特征且突破设定的常规波动界限时，调用闭环调度程序内部的脉冲生成算法计算所需的高频变频脉冲控制字；高频变频脉冲控制字的数值通过如下逻辑计算获取：获取维持基础层流混合所需的基础运行频率、无量纲比例增益系数以及解析获取的化学特征极值；将无量纲比例增益系数与化学特征极值进行相乘运算获取乘积结果，将乘积结果与基础运行频率进行加和运算，得到计算生成的高频变频脉冲控制字。

10、进一步的，常规波动界限配置为基准质量流量的5%至10%；基础运行频率设定为15hz至25hz之间；无量纲比例增益系数的取值范围在0.5至2.0之间；闭环调度程序中配置有限幅保护算法，当计算获取的高频变频脉冲控制字大于50hz的上限阈值时强制将高频变频脉冲控制字截断限制为50hz输出。

11、进一步的，系统级硬锁执行逻辑的触发与动作过程具体包括：当输出全局收敛标志位时，最高优先级硬件中断触发系统级硬锁执行逻辑，状态控制模块的数字输出通道下发强制切断指令至滴定单元内部的加碱泵使能端，在电气回路上强行断开加碱泵的控制电源线；并在同一时钟周期内向灭酶单元发送驱动电平信号以激活蒸汽比例调节阀执行瞬态全开动作。

12、进一步的，状态控制模块将生成的高频变频脉冲控制字通过工业通讯总线下发至搅拌单元的变频驱动机构，以激发瞬态的高强度剪切涡流。

13、本发明第二方面提供一种实施前述利用淡水鱼鳞制备胶原蛋白肽方法的控制系统，包括：数据采集模块，用于在反应釜进行脱钙胶原蛋白酶解进程中采集流体实时声阻抗、基础搅拌扭矩及瞬时加碱质量流量信号；特征运算模块，内部配置有硬件浮点运算单元，用于平滑滤波并计算获取流体实时声阻抗变化速率、基础搅拌扭矩变化速率、联控触发因子及平滑基础扭矩趋零参数；状态控制模块，内部集成有现场可编程逻辑门阵列芯片与闭环调度程序，用于比对各维度运算特征值下发系统级硬锁执行逻辑，并依据流量信号离散导数输出高频变频脉冲控制字；以及执行单元，包括变频搅拌机构、加碱泵与蒸汽比例调节阀，受控于状态控制模块完成对应的物理闭环动作。

14、本发明提供了一种利用淡水鱼鳞制备胶原蛋白肽方法。具备以下有益效果：

15、1、本发明构建了多维物理参数协同判定的酶解终点判断机制。通过引入流体实时声阻抗变化速率、平滑基础扭矩趋零参数以及联控触发因子，并利用现场可编程逻辑门阵列芯片内部的并发逻辑门电路在同一时钟周期内进行联合裁决。这种设计克服了现有技术中依赖单一酸碱度反馈带来的判定滞后问题，提高了工艺终点判定的同步性与精确度，减少了过度水解或水解不完全的现象，从而保证了目标多肽的产率和分子量分布的稳定性。

16、2、本发明设计了基于离散导数过零点捕获的抗团聚控制逻辑。在反应中后期，系统通过解析瞬时加碱质量流量信号的离散导数，将导数由正转负的过零点作为生化反应速率的局部极大值特征；捕获该特征后，状态控制模块反向生成高频变频脉冲控制字，驱动搅拌机构输出瞬态高强度剪切涡流。该机制能够打散阻碍离子渗透的物料包裹层，恢复底物与酶分子的传质接触面积，保证反应体系内部物料组分的均一液化。

17、3、本发明在底层运算与执行回路上建立了硬件级防溢出与硬锁断电机制。在数据运算阶段，通过引入适配机器精度的极小常数参与加和运算，防止系统发生除零计算异常；在终点控制阶段，当判定达到全局收敛条件时，系统利用最高优先级硬件中断直接触发数字输出通道，在电气物理回路上强行断开加碱泵使能端的控制电源线。该执行逻辑越过了软件控制算法，排除了系统达到稳态后发生的闭环数据振荡，避免了化学试剂的超调滴定注入。