定量关系模型及应用、发酵监测方法、装置、系统、设备与流程

本发明涉及微生物发酵及发酵监测领域，尤其涉及一种定量关系模型及应用、发酵监测方法、装置、系统、设备。

背景技术：

1、聚羟基脂肪酸酯（pha）主要以糖类或脂类物质作为碳源发酵来生产，主要是由微生物发酵产生，传统的监测发酵产物的检测方法采用的是气相色谱法，该方法的发酵液在经过离心收集菌体后，通过洗涤、离心以及干燥，再和甲醇-氯仿在酸性条件、100℃反应4小时，然后经过萃取除去甲醇后，通过气相色谱法来进行检测，这种离线检测方法虽然可以准确检测胞内pha含量，但是其耗时耗力，测试成本也比较高，无法适应大规模实时定量监测的需求。

技术实现思路

1、本发明提供一种定量关系模型及应用、发酵监测方法、装置、系统、设备，用以解决现有pha含量的检测方法耗时耗力且成本高技术缺陷，本发明利用定量模型实现对于pha含量的实时监控。

2、第一方面，提供了一种定量关系模型，其构建方法包括：

3、对不同发酵工况、不同生产菌株以及不同发酵时间状态下的所有第一历史样本参数进行线性拟合，确定第一目标系数；

4、对不同发酵工况、不同生产菌株以及不同发酵时间状态下的所有第二历史样本参数进行线性拟合，确定第二目标系数；

5、所述第一历史样本参数包括历史耗碱量以及历史净生物量，所述第二历史样本参数包括历史底物消耗量以及历史目标产物的产量；

6、根据所述第一目标系数确定第一定量模型，根据所述第二目标系数确定第二定量模型，根据所述第一定量模型以及所述第二定量模型构建定量关系模型；

7、所述第一定量模型用于根据当前耗碱量以及第一目标系数确定当前净生物量，所述第二定量模型用于根据当前底物消耗量以及第二目标系数确定当前目标产物的产量。

8、根据本发明提供的定量关系模型，所述第二目标系数包括第一发酵阶段系数以及第二发酵阶段系数；

9、所述第一发酵阶段系数是根据发酵开始时刻至预设时刻内所对应的所有第二历史样本参数进行线性拟合而确定的；

10、所述第二发酵阶段系数是根据所述预设时刻至发酵结束时刻内所对应的所有第二历史样本参数进行线性拟合而确定的。

11、根据本发明提供的定量关系模型，还包括：

12、根据第一历史验证参数验证所述第一目标系数；

13、根据第二历史验证参数验证所述第二目标系数；

14、所述第一历史验证参数包括不同发酵工况、不同生产菌株以及不同发酵时间状态下的历史耗碱量以及历史净生物量；

15、所述第二历史验证参数包括不同发酵工况、不同生产菌株以及不同发酵时间状态下的历史底物消耗量以及历史目标产物的产量。

16、根据本发明提供的定量关系模型，已知当前罐参数时，所述定量关系模型还可用于输出当前生物量浓度、当前目标产物的含量；

17、所述定量关系模型还用于根据当前目标产物的产量、当前净生物量以及当前罐参数确定当前生物量浓度；

18、所述定量关系模型还用于根据当前目标产物的产量以及当前净生物量确定当前目标产物的含量；

19、所述当前罐参数包括当前发酵罐中的发酵液体积、发酵液重量、发酵液位、发酵罐与发酵液总重量。

20、第二方面，提供了一种定量关系模型的应用，通过利用所述定量关系模型，以测定微生物菌株细胞内发酵所生产的当前目标产物的目标参数；

21、所述当前目标产物包括pha、胶原蛋白或虾青素；

22、所述目标参数至少包括当前目标产物的产量以及当前净生物量。

23、作为优选，所述微生物包括以下菌属的微生物：气单胞菌属、产碱菌属、固氮菌属、芽孢杆菌属、梭菌属、盐杆菌属、诺卡氏菌属、红螺菌属、假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、动胶菌属。

24、作为优选，所述pha包括：选自聚(3-羟基丁酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基丙酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基戊酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯共-3-羟基戊酸酯-共-3-羟基己酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基己酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基庚酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基辛酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基壬酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基癸酸酯)、聚(3-羟基丁酸酯-共-3-羟基十一烷酸酯)和聚(3-羟基丁酸酯-共-4-羟基丁酸酯)中的至少一种。

25、第三方面，本发明提供了一种微生物发酵监测方法，包括：

26、采集微生物的发酵过程的在线参数，所述在线参数包括当前耗碱量以及当前底物消耗量；

27、输入所述在线参数至定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出目标参数；

28、所述目标参数至少包括当前目标产物的产量以及当前净生物量。

29、根据本发明提供的微生物发酵监测方法，所述定量关系模型包括：

30、所述当前耗碱量与所述当前净生物量的线性关系；

31、以及，所述当前底物消耗量与所述当前目标产物的产量的线性关系。

32、根据本发明提供的微生物发酵监测方法，所述当前目标产物为pha；所述当前耗碱量与所述当前净生物量的线性关系是由第一目标系数确定的，所述第一目标系数的取值范围为1.3～1.6；

33、所述当前底物消耗量与所述当前目标产物的产量的线性关系是由第一发酵阶段系数以及第二发酵阶段系数确定的，所述第一发酵阶段系数的取值范围为0.45～0.6，所述第二发酵阶段系数的取值范围为0.95～1.05。

34、根据本发明提供的微生物发酵监测方法，还包括：当所述在线参数包括当前罐参数时，当前pha的产量、当前净生物量还可以作为在线参数进行输入，输入至所述定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出当前生物量浓度、当前pha的含量；

35、其中，所述定量关系模型用于根据当前pha的产量、当前净生物量以及当前罐参数确定当前生物量浓度；

36、其中，所述定量关系模型用于根据当前pha的产量、当前净生物量确定当前pha的含量

37、所述当前罐参数包括当前发酵罐中的发酵液体积、发酵液重量、发酵液位、发酵罐与发酵液总重量。

38、根据本发明提供的微生物发酵监测方法，所述微生物包括以下菌属的微生物：气单胞菌属、产碱菌属、固氮菌属、芽孢杆菌属、梭菌属、盐杆菌属、诺卡氏菌属、红螺菌属、假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、动胶菌属。

39、第四方面，本发明还提供了一种微生物发酵监测装置，包括：

40、采集单元：用于采集微生物的发酵过程的在线参数，所述在线参数包括当前耗碱量以及当前底物消耗量；

41、输出单元：用于输入所述在线参数至定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出目标参数；

42、所述目标参数至少包括当前目标产物的产量以及当前净生物量。

43、第五方面，本发明还提供了一种微生物发酵监测系统，包括数据采集模块、数据处理模块以及数据可视化模块，所述数据处理模块包括所述的微生物发酵监测装置，用于获取目标参数；

44、所述数据采集模块包括：

45、补料传感器，用于获取当前耗碱量以及当前底物消耗量；

46、罐参数传感器，用于获取当前罐参数；

47、所述数据可视化模块包括：

48、图像绘制单元：用于显示所述目标参数。

49、根据本发明提供的微生物发酵监测系统，所述数据处理模块还包括：数据比对单元；所述数据比对单元，用于在所述目标参数超出预设范围的情况下，生成异常信息；

50、所述微生物发酵监测系统还包括：异常提示单元；所述异常提示单元：用于显示异常信息。

51、根据本发明提供的微生物发酵监测系统，所述微生物为能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物。

52、第六方面，还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的微生物发酵监测方法。

53、第七方面，还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的微生物发酵监测方法。

54、本发明提供了一种定量关系模型及应用、发酵监测方法、装置、系统、设备，通过采集微生物的发酵过程的在线参数，输入所述在线参数至定量关系模型进行数据分析，实时预测发酵过程中的目标参数，所述目标参数至少包括当前目标产物的产量以及当前净生物量，摒弃了现有技术中所采用的离线测定方法，提供快速而又准确的实时目标参数，从而保证了发酵过程的正常运行，为后续发酵状况的评估以及发酵工艺的改进提升提供了理论基础，本发明能够将净生物量的模型预测结果的平均偏差控制在2.5%以内，甚至是小于2%；pha产量的模型预测结果的平均偏差控制在1%以内，甚至低于0.7%。