富硒功能菌群代谢互馈组合培养方法及系统与流程

本发明涉及微生物组合培养和生物发酵过程控制，尤其涉及一种富硒功能菌群代谢互馈组合培养方法及系统。

背景技术：

1、富硒微生物培养通常围绕单一菌株的硒源浓度、加入时点和培养条件进行优化。将乳酸菌、酵母菌和芽孢杆菌等多种功能菌共同培养时，不同菌株对碳源、氮源和溶氧的需求不同，其产酸、产醇、耗氧或分泌酶活动还会随培养阶段及硒胁迫而改变，固定比例同步接种或固定时点补料难以及时处理菌株竞争。现有过程控制多根据单一在线参数调节，或者将历史参数直接映射为目标质量，未把分菌活性、代谢物、硒形态和设备实际执行量形成闭环，容易出现无机硒局部冲击、关系判断失效及批次策略不能修正的问题。此外，仅以总硒与残余无机硒的差值评价转化，难以区分主要有机硒形态与单质硒。因而，需要一种能够随培养阶段识别菌株关系，并联动控制接种、营养补料和硒源供给的组合培养方案。

技术实现思路

1、针对多种功能菌共培养时菌株间促进、抑制、底物竞争和硒耐受关系随培养阶段改变，固定比例接种及固定时点加料难以及时响应菌群状态，硒源局部冲击风险较高，且目标动作与设备实际接种量或加料量不一致时后续培养策略不能据实修正的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种富硒功能菌群代谢互馈组合培养方法及系统，使培养阶段、菌株间关系、联动培养动作、设备实际执行结果和动作后状态在同一培养批次内形成连续且可更新的控制关系。

2、为解决上述技术问题，本发明的一方面提供一种富硒功能菌群代谢互馈组合培养方法，所述方法包括以下步骤。

3、获取多种功能菌在不同硒胁迫条件和培养环境下的单菌培养数据、两两共培养数据及组合培养批次数据，根据所述数据建立分阶段代谢互馈图谱，所述分阶段代谢互馈图谱至少表征菌株、营养物或代谢物、硒形态与培养环境之间的关联，并使同一菌株对在不同培养阶段采用对应的菌株间关系记录。

4、在组合培养过程中，采集培养环境状态数据、菌群状态数据、代谢状态数据和硒转化状态数据，将不同采样周期的数据按培养批次和采样时刻进行对齐，并根据对齐后的数据确定当前培养阶段。

5、从所述分阶段代谢互馈图谱中提取与当前培养阶段对应的关系子图，根据所述关系子图和对齐后的数据，确定至少两个菌株之间在当前培养阶段的促进关系、抑制关系、底物竞争关系或硒耐受关联。

6、根据所述当前培养阶段、所确定的菌株间关系以及包括菌株耐受边界、设备执行边界和累计硒源供给边界的工艺约束，生成菌株接种动作、营养补料动作和硒源受控供给动作中的至少两类联动培养动作；将经工艺约束校验的联动培养动作下发至组合培养设备，并记录所述组合培养设备的实际执行结果。

7、在所述联动培养动作执行后，再次获取菌群状态数据、代谢状态数据和硒转化状态数据，根据再次获取的数据和所述实际执行结果更新所述分阶段代谢互馈图谱中的菌株间关系，或者校正下一培养阶段的联动培养动作。

8、进一步地，所述分阶段代谢互馈图谱包括菌株节点、营养物或代谢物节点、硒形态节点以及培养环境节点；连接所述节点的关系边包括促进边、抑制边、底物竞争边、代谢物供给边和硒耐受关联边，所述关系边记录适用培养阶段、作用方向、作用强弱等级、证据来源、更新时间和置信等级；其中，将共培养时目标菌株的活菌数变化、增殖速率变化、关键代谢物变化和硒胁迫响应与相同环境条件下的单菌培养结果进行比较，以生成所述关系边的关系标签，并通过组合培养中联动培养动作执行前后的成对数据，对所述关系边的作用方向、作用强弱等级或置信等级进行更新；不同培养阶段的同一菌株对分别保存对应的关系边，以表征所述菌株对的关系随培养阶段或硒胁迫水平发生的切换。

9、进一步地，所述当前培养阶段选自种子放行阶段、优势菌建立阶段、互馈形成阶段、硒转化阶段和稳定化阶段；所述培养环境状态数据包括ph、溶氧、氧化还原电位和温度，所述菌群状态数据包括各种功能菌的活菌数或相对丰度，所述代谢状态数据包括残糖、可溶性氮、乳酸、乙酸和乙醇中的多项，所述硒转化状态数据包括累计硒源加入量、残余无机硒、菌体结合硒和主要有机硒形态；其中，将连续采集的培养环境状态数据作为在线数据，将经取样检测的代谢状态数据和残余无机硒作为近线数据，将各种功能菌的活菌数、菌体结合硒和主要有机硒形态作为离线标签数据，按照批次号、取样时刻和样品编号对齐；所述当前培养阶段由所述在线数据、近线数据和离线标签数据中的多类数据共同确定，并通过连续采样确认和阶段滞回条件抑制由单个异常数据引起的阶段切换。

10、进一步地，采用图神经网络对所述关系子图和预设时间窗口内的对齐数据进行处理，所述图神经网络以由单菌培养和两两共培养生成的关系标签及组合培养动作前后的成对数据作为训练或校正数据，输出菌株对的关系类别、作用强弱、硒耐受风险和预测置信度；采用贝叶斯优化模型根据所述输出，在由待接种菌株、接种量、碳源或氮源补料量、硒源单次供给量、供给间隔、通气设定值和ph设定值构成的候选动作空间中生成候选联动培养动作；再由工艺约束规则排除超过菌株耐受边界、累计硒源供给边界、设备能力边界或产品安全边界的候选联动培养动作，得到下发至所述组合培养设备的联动培养动作；当可用关系标签未达到预设完整度时，以根据单菌培养和两两共培养数据建立的关系规则替代所述图神经网络输出关系类别和硒耐受风险。

11、进一步地，所述硒源包括亚硒酸钠，所述硒源受控供给动作包括暂停供给、驯化微脉冲供给、转化脉冲供给和终止供给；硒源经独立储存和计量后先与无菌稀释介质混合，再从组合培养容器的高混合区加入，并记录单次供给量、供给速率、累计供给量和实际供给时刻；当满足菌群未进入预设增殖状态、关键菌活菌数持续下降、上一硒源脉冲后残余无机硒未下降、传感数据失效、模型预测置信度低于预设置信边界或者候选动作超过所述工艺约束中的任一条件时，暂停硒源供给并采用经验证的保守培养动作或者输出人工确认请求；当上一硒源脉冲后的残余无机硒下降且关键菌活菌数保持在对应耐受边界内时，允许生成下一转化脉冲供给动作；达到累计硒源供给边界、主要有机硒形态不再增加或进入稳定化阶段时终止供给。

12、进一步地，所述多种功能菌包括分别制备种子培养物的植物乳植杆菌、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌，所述种子培养物依据菌株身份、纯度、活菌数和菌龄进行放行，并按照活菌数对不同种子培养物的接种量进行归一化，依据所述当前培养阶段和所确定的菌株间关系采用同一组合培养容器内的分阶段接种；通过选择性培养计数和物种特异性定量中的一种或两种方式分别确定所述植物乳植杆菌、酿酒酵母和枯草芽孢杆菌的活菌状态，并检测动作前后的残余无机硒、菌体结合硒、硒代氨基酸、乳酸、乙酸和乙醇，对三种菌之间的促进关系、抑制关系、底物竞争关系或硒耐受关联进行更新；其中，将主要有机硒形态与可能形成的单质硒分别检测，不以总硒与残余无机硒的差值直接替代各硒形态检测结果。

13、本发明的另一方面提供一种富硒功能菌群代谢互馈组合培养系统。所述系统包括至少两个独立种子培养单元、组合培养罐、环境状态采集组件、取样分析接口、控制器、接种执行组件、营养补料组件和硒源计量供给组件。

14、各所述独立种子培养单元通过接种管路和接种执行组件与所述组合培养罐连接；所述营养补料组件和所述硒源计量供给组件通过独立加料管路与所述组合培养罐连接；所述环境状态采集组件设于所述组合培养罐，用于采集ph、溶氧、氧化还原电位和温度中的多种培养环境状态；所述取样分析接口用于使取得的菌群状态数据、代谢状态数据和硒转化状态数据与对应的培养批次及采样时刻关联。

15、所述控制器分别与所述环境状态采集组件、取样分析接口、接种执行组件、营养补料组件和硒源计量供给组件通信连接，并被配置为：根据多种功能菌的单菌培养数据、两两共培养数据和组合培养批次数据建立分阶段代谢互馈图谱；根据所述培养环境状态、菌群状态数据、代谢状态数据和硒转化状态数据确定当前培养阶段及当前培养阶段下的菌株间关系；在菌株耐受边界、设备执行边界和累计硒源供给边界内，向所述接种执行组件、营养补料组件和硒源计量供给组件中的至少两类组件下发联动培养动作；接收各组件返回的实际执行结果，并根据动作执行后的菌群状态数据、代谢状态数据和硒转化状态数据更新所述分阶段代谢互馈图谱或者后续联动培养动作。

16、进一步地，所述硒源计量供给组件包括避光硒源储液容器、计量泵、无菌稀释支路、联锁阀和硒源加料口；所述避光硒源储液容器经所述计量泵和联锁阀连接所述无菌稀释支路，所述无菌稀释支路的出口连接所述硒源加料口，所述硒源加料口设于所述组合培养罐内由搅拌产生的高混合区；所述计量泵和联锁阀与所述控制器通信连接，以使所述控制器分别控制硒源单次供给量、供给速率和供给时间窗，并在触发暂停条件时关闭所述联锁阀。

17、进一步地，所述环境状态采集组件构成在线连续检测层；所述取样分析接口分别连接用于检测残糖、可溶性氮、乳酸、乙酸、乙醇和残余无机硒的近线检测层，以及用于检测各种功能菌活菌数、菌体结合硒和主要有机硒形态的离线检测层；所述控制器依据培养批次号、取样时刻和样品编号将所述在线连续检测层、近线检测层和离线检测层取得的数据进行对齐，并为晚于动作生成周期取得的检测结果记录数据新鲜度和有效状态。

18、进一步地，所述控制器生成的联动培养动作以动作包形式下发，所述动作包包括当前培养阶段、触发所述动作的菌群状态、代谢状态和硒转化状态、目标接种量、目标营养补料量、硒源单次供给量和供给速率、动作允许时间窗、环境设定值、工艺约束校验结果和下一采样时刻；所述接种执行组件、营养补料组件和硒源计量供给组件将实际流量、阀状态、动作开始与结束时刻以及累计加料量返回所述控制器，所述控制器将所述实际执行结果与下一次取得的菌群状态数据、代谢状态数据和硒转化状态数据关联，用于校正所述分阶段代谢互馈图谱或下一动作包。

19、本发明根据多种功能菌的单菌培养、两两共培养和组合培养批次数据建立分阶段代谢互馈图谱，将组合培养过程中取得的培养环境、菌群、代谢和硒转化状态按培养批次及采样时刻对齐，根据当前培养阶段对应的关系子图确定菌株间关系，并在菌株耐受边界、设备执行边界和累计硒源供给边界内生成至少两类联动培养动作；联动培养动作经独立接种管路、营养补料管路和硒源计量供给结构执行，设备返回的实际执行结果与动作后状态共同用于更新分阶段代谢互馈图谱或者校正后续联动培养动作。

20、上述技术方案通过在不同培养阶段分别保存菌株间关系，使关系判断同时受培养阶段、硒胁迫状态和动作前后证据约束，降低将一个阶段的促进关系直接外推至另一阶段而引起竞争或抑制的风险；通过将在线环境数据、近线代谢数据和离线分菌及硒形态数据进行批次和时刻对齐，并在数据有效且工艺约束满足时生成接种、营养补料和硒源供给中的至少两类联动动作，使菌群状态变化能够转化为对应的培养设备动作；通过独立储存、计量、稀释、联锁和高混合区加料控制硒源供给，并依据实际流量、阀状态和累计加料量修正图谱或后续动作，使供硒暂停、恢复和终止以已确认的菌株状态、硒转化状态及设备实绩为依据，从而形成阶段识别、关系确定、联动控制、设备执行和反馈更新的连续闭环。