生物过程工艺设计装置及方法与流程

1.本发明涉及一种生物过程工艺设计装置及方法。


背景技术：

2.目前，生物过程，可以自动完成也可以手动完成。使用手动完成的方式，需要人员倒班，不利于身体健康，而且手动设置的频率不高，且只适用于变化较明显的参数的生物过程，而对于参数微小变化的生物过程，则不可能及时响应；自动完成的过程由控制系统根据算法完成，算法的依据通常是根据时间、溶解氧及氢离子浓度指数等过程参数的变化，但现在的控制系统还不能将这些算法集成在一起，更没有形成基础工艺包。所以，当前控制系统的自动控制的形式简单，结构单一，不满足复杂的多尺度生物过程的自动控制要求。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中的生物补料控制系统的形式简单、结构单一，不满足复杂的多尺度生物过程的自动控制要求缺陷，而提供一种生物过程工艺设计装置及方法。
4.本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：
5.本发明提供一种生物过程工艺设计装置，所述工艺设计装置用于设计并控制生物过程，所述工艺设计装置包括：
6.指令编辑单元，所述指令编辑单元用于生成预设执行指令，所述预设执行指令包括启动条件和所述启动条件满足时的执行命令，所述启动条件为所述生物过程中检测到的因变量的因变量值与预设因变量值之间的数值关系，所述执行命令为将所述生物过程所需的结果变量、结果变量值输送至外部设备；
7.指令选择单元，所述指令选择单元用于存储所述指令编辑单元所生成的预设执行指令，所述指令选择单元还用于在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令；
8.指令执行单元，所述指令执行单元用于接收所述指令选择单元所选择的实际执行指令；
9.外部数据接口，所述外部数据接口用于与所述外部设备相连接；
10.所述指令执行单元用于根据所述实际执行指令发送需检测的因变量至所述外部数据接口，以便所述外部数据接口从所述外部设备获得所需要的因变量值；所述外部数据接口用于将检测到的因变量的因变量值发送至所述指令执行单元；所述指令执行单元还用于将检测到的因变量值与预设因变量值比较；若所述因变量值与所述预设因变量值之间的数值关系符合启动条件，则所述指令执行单元发送所述执行命令的结果变量、结果变量值给所述外部数据接口，所述外部数据接口将所述结果变量、结果变量值输送至所述外部设备。
11.较佳地，所述工艺设计装置还包括设备选择单元，所述设备选择单元用于指定需
检测的外部设备并生成设备选择指令，所述设备选择单元用于发送所述设备选择指令给所述指令执行单元，所述指令执行单元用于将所述设备选择指令发送至所述外部数据接口，所述外部数据接口用于根据所述设备选择指令选择数据交互的外部设备。
12.较佳地，所述指令编辑单元包括时序指令编辑单元，所述时序指令编辑单元的因变量为执行时间，所述预定因变量值为预定时间，所述因变量值与预设因变量值之间的数值关系为所述执行时间等于所述预定时间。
13.较佳地，所述指令编辑单元包括条件指令编辑单元，所述条件指令编辑单元的因变量包括第一因变量和第二因变量，所述第一因变量所检测的因变量值为第一因变量值，所述第一因变量对应的预设因变量值为第一预设因变量值，所述第二因变量所检测的因变量值为第二因变量值，所述第二因变量对应的预设因变量值为第二预设因变量值；
14.所述第一因变量包括温度、氢离子浓度指数、溶解氧浓度、搅拌电机转速、尾气二氧化碳浓度、尾气氧浓度、摄氧速率、二氧化碳释放速率、呼吸商、生物量或底物浓度，所述第一因变量值与对应的第一预设因变量值之间的数值关系包括大于、等于、小于、不大于、不小于或不等于；
15.所述第二因变量为执行时间，所述第二预设因变量值包括开始时间和结束时间，所述第二因变量值与对应的第二预设因变量值之间的数值关系为所述执行时间大于所述开始时间且小于所述结束时间。
16.较佳地，所述结果变量包括温度、氢离子浓度指数、溶解氧浓度、搅拌电机转速、空气流量、空气压力、补料执行机构开关或速率、气动阀的开关状态或比例阀的开度。
17.较佳地，所述指令编辑单元还用于将所述预设执行指令标记批号，所述指令编辑单元还用于将相同批号的预设执行指令打包形成基础工艺包；所述指令选择单元用于存储所述指令编辑单元所生成的基础工艺包，所述指令选择单元还用于在多个基础工艺包中选择一个基础工艺包生成实际执行工艺包，所述实际执行工艺包包括至少一个实际执行指令。
18.本发明提供一种生物过程工艺设计方法，包括以下步骤：
19.生成预设执行指令，所述预设执行指令包括启动条件和所述启动条件满足时的执行命令，所述启动条件为所述生物过程中检测到的因变量的因变量值与预设因变量值之间的数值关系，所述执行命令为将所述生物过程所需的结果变量的结果变量值输送至外部设备；
20.在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令；
21.根据所述实际执行指令发送需检测的因变量至所述外部设备；
22.将检测到的因变量值与预设因变量值比较，判断因变量值与预设因变量值之间的数值关系是否符合启动条件；若是，则发送所述执行命令的结果变量、结果变量值至所述外部设备。
23.较佳地，根据所述实际执行指令发送需检测的因变量至所述外部设备，之前：
24.指定需检测的外部设备并生成设备选择指令；
25.根据所述设备选择指令选择数据交互的外部设备。
26.较佳地，所述因变量为执行时间，所述预定因变量值为预定时间，所述因变量值与预设因变量值之间的数值关系为所述执行时间等于所述预定时间；
27.将检测到的因变量值与预设因变量值比较；若所述因变量值与所述预设因变量值之间的数值关系符合启动条件，则发送所述执行命令的结果变量、结果变量值至所述外部设备，包括：
28.将检测到的执行时间与预定时间比较，判断执行时间与预定时间是否相等；若是，则发送执行命令的结果变量、结果变量值至外部设备。
29.较佳地，所述因变量包括第一因变量和第二因变量，所述第一因变量所检测的因变量值为第一因变量值，所述第一因变量对应的预设因变量值为第一预设因变量值，所述第二因变量所检测的因变量值为第二因变量值，所述第二因变量对应的预设因变量值为第二预设因变量值；
30.所述第一因变量包括温度、氢离子浓度指数、溶解氧浓度、搅拌电机转速、尾气二氧化碳浓度、尾气氧浓度、摄氧速率、二氧化碳释放速率、呼吸商、生物量或底物浓度，所述第一因变量值与对应的第一预设因变量值之间的数值关系包括大于、等于、小于、不大于、不小于或不等于；
31.所述第二因变量为执行时间，所述第二预设因变量值包括开始时间和结束时间，所述第二因变量值与对应的第二预设因变量值之间的数值关系为所述执行时间大于所述开始时间且小于所述结束时间；
32.将检测到的因变量值与预设因变量值比较；若所述因变量值与所述预设因变量值之间的数值关系符合启动条件，则发送所述执行命令的结果变量、结果变量值至所述外部设备，包括：
33.将检测到的所述第一因变量值与所述第一预设因变量值比较，将检测到的所述第二因变量值与所述第二预设因变量值比较；判断所述第一因变量值与所述第一预设因变量值之间的数值关系、所述第二因变量值与所述第二预设因变量值之间的数值关系是否同时符合启动条件；若是，则发送所述执行命令的结果变量、结果变量值至所述外部设备。
34.较佳地，生成预设执行指令，之后；
35.在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令，之前；包括：
36.将所述预设执行指令标记批号；
37.将相同批号的预设执行指令打包形成基础工艺包。
38.较佳地，在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令，包括：
39.在多个基础工艺包中选择一个基础工艺包生成实际执行工艺包，所述实际执行工艺包包括至少一个实际执行指令。
40.在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
41.本发明的积极进步效果在于：
42.上述生物过程工艺设计装置及方法，可以针对不同的生物过程设置不同的因变量和结果变量，进行个性化的预设执行指令的编辑，还可以同时监测多台外部设备，从而实现多台外部设备地生物过程的的无人值守自控功能。
附图说明
43.图1为本发明生物过程工艺设计装置的实施例1的示意图。
44.图2为使用图1所示的生物过程工艺设计装置的方法的流程示意图。
45.图3为本发明生物过程工艺设计装置的实施例2的示意图。
46.图4为使用图3所示的生物过程工艺设计装置的方法的流程示意图。
47.图5为本发明生物过程工艺设计装置的实施例3的示意图。
48.图6为图5所示的生物过程工艺设计装置的操作界面示意图。
49.图7为图6所示的生物过程工艺设计装置的条件指令编辑区的示意图。
50.附图标记说明
51.指令编辑单元 1
52.指令选择单元 2
53.指令执行单元 3
54.外部数据接口 4
55.外部设备 5
56.第一外部设备 51
57.第二外部设备 52
58.第三外部设备 53
59.设备选择单元 6
60.时序指令编辑区 7
61.条件指令编辑区 8
62.因变量选择区域 81
63.结果输入区域 82
64.符号选择区域 83
65.时间开始区域 84
66.时间结束区域 85
67.结果变量区域 86
68.变量值区域 87
69.批号区域 88
70.保存按钮 89
71.基础工艺包选择区 9
72.设备多选框 10
73.下载按钮 20
具体实施方式
74.下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
75.实施例1
76.图1所示为生物过程工艺设计装置的示意图。该工艺设计装置用于设计并控制生物过程。其中，该工艺设计装置包括指令编辑单元1、指令选择单元2、指令执行单元3和外部数据接口4，指令编辑单元1用于生成预设执行指令，预设执行指令包括启动条件和启动条件满足时的执行命令，启动条件为生物过程中检测到的因变量的因变量值与预设因变量值
之间的数值关系，执行命令为将生物过程所需的结果变量、结果变量值输送至外部设备5；指令选择单元2用于存储指令编辑单元1所生成的预设执行指令，指令选择单元2还用于在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令；指令执行单元3用于接收指令选择单元2所选择的实际执行指令；外部数据接口4用于与外部设备5相连接；指令执行单元3用于根据实际执行指令发送需检测的因变量至外部数据接口4，以便外部数据接口4从外部设备5获得所需要的因变量值；外部数据接口4用于将检测到的因变量的因变量值发送至指令执行单元3；指令执行单元3还用于将检测到的因变量值与预设因变量值比较；若因变量值与预设因变量值之间的数值关系符合启动条件，则指令执行单元3发送执行命令的结果变量、结果变量值给外部数据接口4，外部数据接口4将结果变量、结果变量值输送至外部设备5。
77.如图2所示，使用上述生物过程工艺设计装置的工艺设计方法，包括以下步骤：
78.s1、生成预设执行指令；
79.s2、在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令；
80.s3、根据实际执行指令发送需检测的因变量至外部设备；
81.s4、将检测到的因变量值与预设因变量值比较，判断因变量值与预设因变量值之间的数值关系是否符合启动条件；若是，则执行步骤s5；
82.s5、发送执行命令的结果变量、结果变量值至外部设备。
83.其中，因变量可以根据不同的生物过程中需监测的过程参数设置，比如温度、氢离子浓度指数、溶解氧浓度、搅拌电机转速、尾气二氧化碳浓度、尾气氧浓度、摄氧速率、二氧化碳释放速率、呼吸商、生物量或底物浓度等。结果变量可以根据不同的生物过程中需输出的过程参数设置，比如温度、氢离子浓度指数、溶解氧浓度、搅拌电机转速或补料速率等。
84.以大肠杆菌发酵过程为例，因变量可以设置为温度，因变量值为温度值，预设因变量值为25度。预设执行指令的启动条件为温度值小于25度，结果变量为补料速率，结果变量值为1l/min，启动条件满足时的执行命令为开启补料装置以1l/min的补料速率补加诱导物。
85.再以酵母发酵过程为例，因变量可以设置为光密度，因变量值为吸光度。预设执行指令的启动条件为吸光度大于20，启动条件满足时的执行命令为开启补料装置以一定速率补加甲醇。
86.其中，步骤s4包括以下步骤：
87.s41、检测获得因变量值并记录检测时间点；
88.s42、参考因变量的随时间变化的预测曲线，根据检测时间点和当下时间点的关系，将检测获得的因变量值调整至当下时间点的因变量值；
89.s43、将调整后的因变量值与预设因变量值比较，判断因变量值与预设因变量值之间的数值关系是否符合启动条件；若是，则执行步骤s5。
90.通过指令编辑单元1，可以针对不同的生物过程设置不同的因变量和结果变量，进行个性化的预设执行指令的编辑，将预设执行指令集合保存到指令选择单元2；待生物过程开始后，指令执行单元3以一定的频率通过外部数据接口4获得生物过程的因变量值，并判断因变量值的变化是否符合实际执行指令的启动条件，如果启动条件满足，则将包含在这条实际执行指令中的结果变量及结果变量值通过外部数据接口4传递给相应的外部设备5，
从而实现生物过程的无人值守自控功能。
91.实施例2
92.在实施例1的基础上，当外部设备为多个时，该生物过程工艺设计装置还可以设置设备选择单元6。如图3所示，外部设备包括第一外部设备51、第二外部设备52和第三外部设备53。设备选择单元6用于指定需检测的外部设备并生成设备选择指令，设备选择单元6用于发送设备选择指令给指令执行单元3，指令执行单元3用于将设备选择指令发送至外部数据接口4，外部数据接口4用于根据设备选择指令选择数据交互的外部设备。
93.如图4所示，使用上述生物过程工艺设计装置的工艺设计方法，包括以下步骤：
94.s10、生成预设执行指令；
95.s20、在多个预设执行指令中选择一个预设执行指令生成实际执行指令；
96.s30、指定需检测的外部设备并生成设备选择指令；
97.s40、根据设备选择指令选择数据交互的外部设备；
98.s50、根据实际执行指令发送需检测的因变量至外部设备；
99.s60、将检测到的因变量值与预设因变量值比较，判断因变量值与预设因变量值之间的数值关系是否符合启动条件；若是，则执行步骤s70；
100.s70、发送执行命令的结果变量、结果变量值至外部设备。
101.通过设置设备选择单元6，使该工艺设计装置可以适用于多个外部设备。当设置有多个外部设备时，可以任意选择数据交互的外部设备，使该生物过程工艺设计装置，不仅能适应各种生物过程，还可以适应多个外部设备。
102.实施例3
103.如图5所示，在实施例1的基础上，指令编辑单元1包括时序指令编辑单元11和条件指令编辑单元12。
104.其中，时序指令编辑单元11的因变量为执行时间，预定因变量值为预定时间，因变量值与预设因变量值之间的数值关系为执行时间等于预定时间。
105.当使用时序指令编辑单元11编辑预设执行指令后，将检测到的执行时间与预定时间比较，判断执行时间与预定时间是否相等；若是，则发送执行命令的结果变量、结果变量值至外部设备。
106.其中，条件指令编辑单元12的因变量包括第一因变量和第二因变量，第一因变量所检测的因变量值为第一因变量值，第一因变量对应的预设因变量值为第一预设因变量值，第二因变量所检测的因变量值为第二因变量值，第二因变量对应的预设因变量值为第二预设因变量值。第一因变量包括温度、氢离子浓度指数、溶解氧浓度、搅拌电机转速、尾气二氧化碳浓度、尾气氧浓度、摄氧速率、二氧化碳释放速率、呼吸商、生物量或底物浓度，第一因变量值与对应的第一预设因变量值之间的数值关系包括大于、等于、小于、不大于、不小于或不等于；第二因变量为执行时间，第二预设因变量值包括开始时间和结束时间，第二因变量值与对应的第二预设因变量值之间的数值关系为执行时间大于开始时间且小于结束时间。
107.当使用条件指令编辑单元12编辑预设执行指令后，将检测到的第一因变量值与第一预设因变量值比较，将检测到的第二因变量值与第二预设因变量值比较，判断第一因变量值与第一预设因变量值之间的数值关系、第二因变量值与第二预设因变量值之间的数值
关系是否同时符合启动条件；若是，则发送执行命令的结果变量、结果变量值至外部设备5。
108.指令编辑单元1还用于将预设执行指令标记批号，指令编辑单元1还用于将相同批号的预设执行指令打包形成基础工艺包；指令选择单元2用于存储指令编辑单元1所生成的基础工艺包，指令选择单元2还用于在多个基础工艺包中选择一个基础工艺包生成实际执行工艺包，实际执行工艺包包括至少一个实际执行指令。
109.当需要将预设执行指令标记批号时，生成预设执行指令后，将预设执行指令标记批号；将相同批号的预设执行指令打包形成基础工艺包；在多个基础工艺包中选择一个基础工艺包生成实际执行工艺包，实际执行工艺包包括至少一个实际执行指令。
110.时序指令编辑单元11，可以用于以单一的时间作为因变量的预设执行指令的编辑，而条件指令编辑单元12，可以用于复杂的各种因变量的预设执行指令的编辑。这两种预设执行指令的编辑方式的组合使用，使该生物过程工艺设计装置，可适用于多种类型的生物过程的监控。
111.同时，当外部设备为多个时，该生物过程工艺设计装置还可以设置设备选择单元6。设备选择单元6用于指定需检测的外部设备并生成设备选择指令，设备选择单元6用于发送设备选择指令给指令执行单元3，指令执行单元3用于将设备选择指令发送至外部数据接口4，外部数据接口4用于根据设备选择指令选择数据交互的外部设备。
112.以控制三个大肠杆菌发酵罐的过程为例，因变量可以设置为发酵时间，预设因变量值为4小时，结果变量为发酵温度，结果变量值为25度。预设执行指令的启动条件为发酵时间等于4小时，启动条件满足时的执行命令为设置发酵温度为25度。由于设置了设备选择单元6，使指令执行单元3可以同时控制三个大肠杆菌发酵罐。即使三个大肠杆菌发酵罐的发酵起始时间不一致，当三个大肠杆菌发酵罐的发酵时间等于4小时时，这三个大肠杆菌发酵罐的发酵温度都可以被设置为25度。
113.如图6所示，为本实施例的操作界面示意图。其中，时序指令编辑区7为时序指令编辑单元11的操作界面，用于输入时序指令编辑单元11所设定的预设执行指令的各项参数。条件指令编辑区8为条件指令编辑单元12的操作界面，用于输入条件指令编辑单元12所设定的预设执行指令的各项参数。基础工艺包选择区9为指令选择单元2的操作界面，用于显示并选择存储于指令选择单元2内预设执行指令或基础工艺包。设备多选框10为设备选择单元6的操作界面，用于显示并选择多种设备，生成设备选择指令。通过按下下载按钮20，可以将指令选择单元2选择的实际执行指令下载至指令执行单元3。
114.如图7所示，为本实施例条件指令编辑区8的操作界面。从图7可见，条件指令编辑区8的因变量选择区域81，可选择第一因变量，比如周期、温度、氢离子浓度指数等；结果输入区域82，可输入第一预设因变量值；符号选择区域83，可输入大于、小于等数值关系符号，以设定第一因变量值与第一预设因变量值之间的数值关系；时间开始区域84、时间结束区域85，可输入第二预设因变量值；结果变量区域86，可选择结果变量；变量值区域87，可输入结果变量值；批号区域88，可输入批号。当预设执行指令编辑好后，可按“保存到工艺区”的保存按钮89，使该预设执行指令保存至指令选择单元2。
115.上述生物过程工艺设计装置及方法，可以针对不同的生物过程设置不同的因变量和结果变量，进行个性化的预设执行指令的编辑，还可以同时监测多台外部设备，从而实现多台外部设备地生物过程的的无人值守自控功能。
116.本发明不局限于上述实施方式，不论在其形状或结构上作任何变化，均落在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。