一种益生菌的生产控制方法与系统与流程

1.本发明属于生产控制系统领域，更具体的，涉及一种益生菌的生产控制方法与系统。


背景技术：

2.益生菌是一类能改善人体胃肠道微生态平衡，有益于人体健康和生产性能发挥的微生物添加剂，益生菌的作用效果主要表现在改善人体新陈代谢，提高营养物质吸收和利用，提高免疫力，减少环境污染等方面发挥重要作用。
3.由于益生菌的发酵过程具有非线性系统的时变性、强耦合、不确定性等特点，这就需要对益生菌的发酵过程进行实时监控，不断的调整控制益生菌的发酵过程。其中，在益生菌的发酵过程中，如何控制发酵的过程从而获得较高的活菌数目，是生产工艺的难点之一。
4.相关技术中，可以从发酵罐中少量取样，进行测定指标。然而，这种做法往往适用的是常温发酵的方法，当益生菌在低温下发酵时，是很难维持整个取样过程的温度以及压力恒定的。一旦不能够确保温度恒定，这必然会导致所取得的样本与母体之间的差异性。因此，亟需设计出一种无接触、无破坏的手段，准确表征出益生菌在发酵状态下的状态。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，解决上述缺陷，进而提出一种益生菌的生产控制方法与系统。
6.本发明采用如下的技术方案。
7.一种益生菌的生产控制方法，包括：步骤1，在发酵罐中依次通入培养基以及接种液，对二者组合而成的混合液进行发酵；步骤2，获取混合液的吸收光谱，并计算出混合液的激子吸收峰以及吸收边；步骤3，获取多组参数值；每一组参数值包括：、 、、与 ；其中为激子吸收峰的峰值的横坐标，为温度，为活性菌体的浓度；与为吸收边的关联参数，如下式所示：如下式所示：其中，与满足如下约束条件：
其中，为吸收光谱的离散函数，分别代表中离散点的x坐标，分别代表中离散点 的y坐标，为中离散点的个数，为预设的固定值；步骤4，将多组第一输入参数与第一输出参数代入到教师模型中，根据教师模型输出的第一预测值，完成对教师模型的预训练；其中，第一输入参数，第一输出参数为；步骤5，根据第二输入参数、第一预测值以及第二输出参数，代入到学生模型中，并根据损失函数，获得训练好的学生模型；其中，第二输入参数，第二输出参数为；步骤6，根据学生模型，预测出活性菌体的浓度，以控制益生菌的发酵结束时间。
8.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明具有以下优点：本技术无需取样，尤其适用于在非常温、非标准大气压的情况下，准确表征出益生菌在发酵状态下的状态。
附图说明
9.图1是一种益生菌的生产控制方法的流程图。
10.图2是吸收实验的系统的示意图。
11.图3是不同发酵时间下的复合益生菌的混合液的吸收谱。
12.图4a是不同温度下的活性菌体的吸收谱。
13.图4b是不同温度下的分离活性菌体后混合液的吸收谱。
具体实施方式
14.下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
15.如背景中所指出的，在工业生产中，对益生菌发酵过程的测定方法往往是取样测定。然而，在取样过程中，很难维持益生菌的发酵混合液的物理化学性质不发生变化，尤其是混合液在发酵过程中处于非常温、非标准大气压等状态。因此，在一些应用场景下，例如：实验研究中，亟需采取一种无接触无破坏的方法，精准的测定益生菌的发酵状态，以便研究益生菌的相关性质，为工业生产提供指导性的作用。
16.基于此，本技术所提出的益生菌的生产控制方法，既可以运用于工业生产上，更主要是运用在实验研究中，如图1所示，包括如下的步骤：
步骤1，在发酵罐中依次通入培养基以及接种液，对二者组合而成的混合液进行发酵；可理解的，混合液由培养基以及接种液混合而成。此外，在通入及接种液之前，需要对发酵罐进行消毒、灭菌（例如：沸水浴灭菌）处理。
17.需要注意的是，尽管在实验研究的场景下，制备得到的益生菌不需要食用，然而，消毒过程也是必不可少的，主要是为了防止杂志影响发酵结果，对整个生产控制过程造成干扰。
18.在本发明中，培养基的成分包括：磷酸氢二钾1g/l，柠檬酸铵1g/l，硫酸镁2g/l，硫酸铵0.6g/l，蛋白胨0.2g/l，三氯化铁0.3g/l，酵母膏0.8g/l。
19.本发明中接种液的成分包括：嗜酸乳杆菌blcc2-0024与干酪乳杆菌blcc2-0003。
20.发酵的其他参数如下：温度38℃；搅拌转速150rpm；ph为6.5~7.0。
21.步骤2，获取混合液的吸收光谱，并计算出混合液的激子吸收峰以及吸收边。
22.图2给出了吸收实验的系统的示意图，其中，器件依次为：测量光源、滤光片、控制器、单色仪、发酵罐、光电探测器、前置放大器、锁相放大器以及cpu；注意，发酵罐的前后壁设有透明玻璃窗户，用于透光测量光源发出的探测光。
23.测量光源用于发出探测光，以便于混合液吸收后，得到吸收光谱。由于事先已经知道该混合液的吸收边的范围大约处于400um ~ 700um之间。因此，测量光源可以选择卤钨灯，相应的光电探测器为硅光电二极管；单色仪的作用是为了提取单色光，从而得到不同波长下的吸收图谱；光电探测器、前置放大器分别用于将光信号转化为电信号，并进行放大；锁相放大器则是通过积分的方式以加强信号，cpu用于保存吸收光谱的图谱。由于计算的是吸收率，因此，除了测量光路本身外，还需要有一路参考光路。其中参考光路经由滤光片、控制器到达锁相放大器。
24.图3示出了不同发酵时间下，混合液的吸收图谱。从图3中可以看出，随着发酵的进行，吸收边渐渐变窄并且往能量更低的地方移动。当发酵时长为35h时，出现了较为明显的激子峰（即：激子吸收峰的峰值）。而当发酵时长在70h的时候，激子峰最为明显，随着发酵持续进行，在75h后，激子峰渐渐平缓。在整个发酵过程，吸收边稳定的发生红移。从图3可以看出，益生菌的发酵过程不光光伴随着激子峰的变化，同时也导致吸收边的变化，其中，吸收边的变化体现在2点上，分别是吸收边的斜率以及吸收边的urbach能量。
25.这里对激子进行一些简要说明：当物质吸收光子后，会产生电子-空穴对，当这些载流子（即：电子或空穴）达到热平衡后，这些载流子可以作为自由载流子，也可以结合成为激子。目前，对激子的研究主要集中在了半导体（例如光伏材料等）、绝缘体等上。顺带一提的是，受制于掺杂特性的影响，半导体的物理化学性质均非常的活泼，这意味着：哪怕半导体中掺杂的微量元素出现了极其微小的变化，甚至于，不同的时间不同的地点，用相同的设备制得的同样的半导体，其性能参数也大相径庭。因此，作为一种表征半导体性能的重要手段，技术人员可以通过激子吸收峰的峰值，激子结合能等等，反映相同或不同的半导体的内部特征差异，从而改进半导体的制备工艺。
26.本技术的研究人员经过分析可知，当发酵时长在65h~75h时，正是本发明的益生菌发酵的最佳时长，也就是活性菌体最多的时期。因此不难猜测：该激子峰的形成必然受活性菌体的影响。
27.为了验证上述猜测的正确性，研究人员从混合液中提取出了活性菌体，并对其吸收性能进行了实验，如图4a所示。
28.由于激子现象在低温下表现非常显著，因此，本实验将提取出的活性菌体滴定到玻璃器皿上，并装入真空恒温腔中进行测量。真空恒温腔可以采用液氮进行降温。
29.图4a可以看出，随着温度的升高，吸收边渐渐变宽并且开始发生蓝移：当温度在8k左右时，尖锐的激子峰（大约为1.83ev）非常明显。而当温度升高到180k时，激子峰才开始渐渐变宽，吸收率也开始下降。当到达室温时，激子峰（大约为2.1ev）虽然没有那么明显，但是依然可以清晰的分辨出。
30.作为参考，研究人员同时也对分离活性菌体后的混合液，进行了同样的实验测量，如图4b所示。
31.图4b可以看出，尽管在低温下，例如8k或者50k，出现了较为明显的激子峰。然而，当温度达到100k时，激子峰“几乎”已经消失了。经过相关的计算分析，例如：根据分离率的不同，多次测量不同温度下的分离活性菌体后混合液的吸收谱。本技术的研究人员基本可以确定这是混合液中残留的活性菌体所致。即：混合液中无法彻底分离出活性菌体。
32.为了描述方便，可以用表示激子吸收峰的峰值的横坐标。此外，为了表征吸收边，需要计算吸收边的关联参数：与 ，其分别代表urbach能量与吸收边的斜率：的斜率：其中，与满足如下约束条件：满足如下约束条件：满足如下约束条件：满足如下约束条件：满足如下约束条件：其中，为吸收光谱的离散函数，分别代表中离散点的x坐标，分别代表中离散点 的y坐标，为中离散点的个数，为预设的固定值，仅取决于吸收光谱中离散数值的取值间隔。
33.步骤3，获取多组参数值；每一组参数值包括： 、 、、与 ；其中为激子吸收峰的峰值的横坐标，为温度，为活性菌体的浓度。
34.其中，步骤3中的多次实验可以是多次执行步骤2，也可以是多次执行步骤1与步骤
2。
35.需要说明的是，益生菌在发酵罐中进行发酵培养时，对益生菌的品质起决定性作用的主要因素包括：益生菌菌体浓度、基质浓度和益生菌产物质量。在实际发酵过程中，益生菌所依赖的环境变量有很多，例如：温度，反应器压力、ph值、电机搅拌速率，溶解氧，通气量、光照强度等等。由于发酵罐每一次发酵时，上述因素并非是固定不变的，常常需要根据所制备的益生菌的成分的不同，进行适当的调整。因此，相关技术中往往选择将上述所有环境变量代入到神经学习算法中。但是由于环境变量太多，导致深度学习需要大量的样本，同时还需要反复的设置各个参数的权重，其效果并不好。
36.经过实验表明，这些环境变量，除了温度之外，其他环境变量并不会对产生影响。
37.步骤4，将多组第一输入参数与第一输出参数代入到教师模型中，根据教师模型输出的第一预测值，完成对教师模型的预训练。
38.其中，第一输入参数为，第一输出参数为。
39.具体的，步骤4中，通过第一输入参数代入到教师模型中，提取出特征，并根据该特征进行预测得到上述第一预测值。将第一预测值与真实值（即：第一输出参数）在教师模型中进行训练，直至教师模型收敛即可。
40.需要说明的是，教师学生模型由教师模型与学生模型组合而成。通常，教师模型复杂且巨大，而学生模型则比较简单。通过教师模型辅助学生模型进行训练，从而可以很好的将学习的结果知识迁移给学生模型。
41.此处需要注意的是，在教师模型中，是作为输出参数的。可以这么理解：如果将“教师模型”比作“电路”的话，那么并非是电路的输入量，而是电路输出端的“反馈机制”。同时，参数另一方面也起到置信度（对应于函数中的权重）的作用。
42.步骤5，根据第二输入参数、第一预测值以及第二输出参数，代入到学生模型中，并根据损失函数，获得训练好的学生模型。
43.其中，第二输入参数为，第二输出参数为。
44.相应的，通过第二输入参数代入到学生模型中，提取出特征，并根据该特征进行预测得到第二预测值。
45.为了方便起见，定义第一预测值为，第二预测值为。
46.步骤5的损失函数如下式所示：如下式所示：其中，为均方误差函数，为权重。
47.步骤6，根据学生模型，预测出活性菌体的浓度，以控制益生菌的发酵结束时间。
48.当学生模型训练好后，可以在实际生产中获取新的第二输入参数，从而将新的第二输入参数代入到学生模型中预测出活性菌体的浓度，从而控制发酵何时结束。
49.当发酵结束后，将混合液排除发酵罐，可以进一步的冷冻、干燥、切碎从而最终得到理想的益生菌产品。
50.综上，本发明的一种益生菌的生产控制系统包括：发酵罐、光学测量元件以及cpu；发酵罐用于通入培养基以及接种液，对二者组合而成的混合液进行发酵；光学测量元件包括：测量光源、滤光片、控制器、单色仪、发酵罐、光电探测器、前置放大器、锁相放大器，用于获取混合液的吸收光谱；cpu用于计算出混合液的激子吸收峰以及吸收边，以及获取多组参数值；此外，cpu中还包括算法模块，算法模块用于训练教师模型、学生模型，以及根据学生模型，预测出活性菌体的浓度，以控制益生菌的发酵结束时间。
51.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。