CN113355227B - 一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统 - Google Patents

一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于污染物处理领域，更具体地说，涉及一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统。本发明的控制装置包括罐体、输入设备和监测设备，用于控制二级发酵的发酵液中的DO浓度，控制策略为：二级发酵阶段至少包括十个发酵循环，调节设备根据监测设备的DO检测信号，基于给定的DO曲线调节每个发酵循环的进料流的单位时间气态氧输入量；本发明进一步提供一种控制系统，结合多个并联设置的温控发酵装置进行前置发酵。本发明适用于好氧反硝化的大规模工业生产，大大降低生产成本，同时通过对发酵条件的精准控制，提高发酵产物的使用效果。

Description

一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统
技术领域
本发明属于污染物处理领域，更具体地说，涉及一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统。
背景技术
为了得到人类所需要的微生物产品，通常需要利用工业发酵对菌种进行培养。发酵主要设备为发酵罐和种子罐，它们各自都附有原料(培养基)调制、蒸煮、灭菌和冷却设备，通气调节和除菌设备，以及搅拌器等。种子罐以确保发酵罐培养所必需的菌体量为目的，而发酵罐承担产物的生产任务。发酵罐必须能够提供微生物生命活动和代谢所要求的条件，并便于操作和控制，保证工艺条件的实现，从而获得高产。一个优良的发酵罐应具有严密的结构、良好的液体混合特性、好的传质相传热速率以及配套而又可靠的检测和控制仪表。
在工业发酵过程中，主要通过调整发酵温度、发酵液的溶解氧(DissolvedOxygen，DO) 浓度等参数来控制发酵过程。例如专利文献1通过监测采集发酵温度信号，反馈至处理器中，进而实现对温度的控制。
目前对于发酵液中DO浓度的控制方法主要集中于好氧微生物。例如专利文献2通过控制氧气浓度来调节微生物的氧传质速率，进而提高有氧生物合成效率。对于好氧微生物而言，低浓度的DO对微生物有害，但过高的DO浓度也会抑制微生物的生长。专利文献3提出一种应用于好氧微生物的DO发酵曲线，在微生物的指数生长期开始时最初升高DO水平至预定的最高靶值，然后在与微生物的最大生长速率相关的时间，开始将DO水平从最高靶值降低至预定的最低靶值，同时维持该最低靶值至发酵过程完成。
好氧反硝化是指在有氧条件下，好氧反硝化细菌将硝氮、亚硝氮转化为气态氮的过程。研究表明，大部分具有好氧反硝化功能的细菌，同时也具有异养硝化的能力。异养硝化-好氧反硝化细菌可以在好氧条件下完成NH4 +-N到含氮气体的转化。此外，这类细菌在脱氮的同时还具有去除COD的能力。好氧反硝化菌的发现为生物脱氮等技术提供了崭新的思路。异养硝化是指有机化能营养型微生物，将氨、羟胺及-3价有机氮化合物转化为亚硝酸盐和硝酸盐的过程。
目前已经有多位研究者成功分离出反硝化细菌，例如非专利文献1中公开的施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri TR2)以及施氏假单胞菌(Pseudomonas sp.strain K50)，非专利文献2中公开的施氏假单胞菌(Pseudomonas stutzeri SU2)，非专利文献3中公开的粪产碱菌 (Alcaligenes faecalis strain NR)以及非专利文献4中公开的粪产碱菌(Alcaligenes faecalis C16)。
但是，对于好氧反硝化菌而言，在投入使用时，不仅需要好氧反硝化菌在好氧呼吸时产生的酶，例如周质硝酸还原酶(Periplasmic Nitrate Reductases，PNR)、一氧化二氮还原酶等，还需要在厌氧呼吸时产生的酶，例如膜结合硝酸还原酶(Membrane-boundNitrate Reductases， MNR)等。申请人发现，如果采用专利文献3的方法对好氧反硝化菌进行发酵，得到的产品的好氧反硝化效果并不理想，推测可能是由于其中起到好氧反硝化的相关酶的产生量不多或不同酶之间的配比不合理。因此，亟需设计一种具有工业推广性的生产好氧反硝化复合菌剂的发酵装置。
专利文献1：CN103941769A、公开日2014-07-23、一种菌种发酵温度控制系统及方法；
专利文献2：CN111836898A、公开日2020-10-27、用于在连续有氧发酵中控制溶解氧浓度的方法；
专利文献3：CN101522883A、公开日2009-09-02、增加发酵生产力和经济性的溶解氧图谱；
非专利文献1：Sakaguchi Y,Shoun H,Kato I,et al.Aerobic DenitrifyingBacteria That Produce Low Levels of Nitrous Oxide[J].Applied andEnvironmental Microbiology,2003, 69(6):págs.3152-3157；
非专利文献2：J.-J.Su,B.-Y.Liu,C.-Y.Liu.Comparison of aerobicdenitrification under high oxygen atmosphere by Thiosphaera pantotropha ATCC35512and Pseudomonas stutzeri SU2 newly isolated from the activated sludge ofa piggery wastewater treatment system.[J].Journal of Applied Microbiology,2010,90(3):457-462；
非专利文献3：Zhao B,Qiang A,Yi L H,et al.N2O and N2 production duringheterotrophic nitrification by Alcaligenes faecalis strain NR.[J].BioresourceTechnology,2012,116(none):379-385；
非专利文献4：Richardson D J,Wehrfritz J M,K Ee Ch A,et al.Thediversity of redox proteins involved in bacterial heterotrophic nitrificationand aerobic denitrification[J].Biochemical Society Transactions,1998,26(3):401-408。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中的针对好氧反硝化菌剂的生产所设计的发酵罐，其发酵效果不佳的问题，本发明提供一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，通过对发酵过程的发酵液DO浓度的精准控制，提高好氧反硝化菌剂大规模工业生产的可行性。
进一步地，本发明提供基于自动控制装置的自动控制系统，结合多个并联设置的温控发酵装置进行前置发酵，进一步提高发酵产物的处理效果，同时具有低廉的生产成本。
2.技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，包括罐体，罐体具有用于至少在二级发酵阶段为发酵液提供发酵场所的腔体。本发明的控制设备还包括至少一个输入设备，输入设备用以向腔体中输送至少一种进料流，且至少一种进料流中包含气态氧，且输入设备设置有调节设备。
本发明的控制设备还包括与输入设备的调节设备电连接的监测设备，监测设备至少用于在发酵过程中，读取罐体中的发酵液的DO浓度，并向调节设备输送DO检测信号。二级发酵阶段至少包括十个发酵循环，优选为25-28个发酵循环，调节设备根据监测设备的DO检测信号，基于给定的DO曲线调节每个发酵循环的进料流的单位时间气态氧输入量，其中，只要识别到发酵液中的DO浓度低于或高于给定时间段的阈值浓度，则调节进料流的单位时间气态氧输入量，使发酵液中的DO浓度在给定的时间间隔t内线性地增大或降低至阈值浓度。
大部分好氧反硝化菌能很好适应厌氧(或缺氧)周期变化，在有氧/缺氧交替时具有生态生长优势。申请人通过大量实验后发现，在发酵过程中，通过不断交替的短时间的发酵循环，同时严格控制发酵循环中的DO浓度阈值，可以得到具有较好处理效果的发酵产物。在本发明中，多种经过一级发酵的发酵产物混合后，加入培养基物，开始二级发酵。在二级发酵过程中，先进行好氧发酵，好氧发酵结束后，停止向罐体中通入包含气态氧的进料流，使得发酵液中DO浓度下降，下降至一定值时，进入厌氧或缺氧发酵阶段。经过一定时间的缺氧或厌氧发酵后，再向罐体中通入包含气态氧的进料流，使得发酵液中的DO浓度上升，重新开始好氧发酵阶段。
优选地，如图2所示，发酵循环的给定时间段包括阶段Ⅲ和阶段Ⅳ，阶段Ⅲ结束后，经过特定的时间间隔TR进入阶段Ⅳ；阶段Ⅲ的给定时间段为Δt1，在Δt1阶段的DO最低阈值浓度CLow为2mg/L；阶段Ⅳ的给定时间段为Δt2，在Δt2阶段的DO最高阈值浓度CHigh为0.5mg/L。通常来说，阀值随着底物、微生物的种类以及环境条件(温度、气压、离子强度等)不同而不同。申请人发现，好氧反硝化混合菌种在发酵时，阶段Ⅲ的发酵液DO浓度需要控制在2mg/L以上，优选为5-6.5mg/L；在阶段Ⅳ的发酵液DO浓度需要控制在0.5mg/L以下，优选为0.1-0.3mg/L。进一步优选地，温度波动值不超过±1℃。通过严格控制不同发酵阶段的发酵阈值DO浓度，平衡发酵产物中的好氧产出酶和厌氧产出酶的产出量，使得终产品中既包含高浓度、高活性的厌氧产出酶，也包含高浓度高活性的好氧产出酶，提高终产品在实际投入工业应用时的使用效果。
优选地，输入设备包括气态氧输入单元，气态氧输入单元用于输送包含气态氧的进料流；气态氧输入单元至少部分设置于罐体的底部，使得包含气态氧的进料流可以由下至上的进入罐体；进一步地，发酵液的截面积为A，气态氧输入单元的曝气面积为B，A:B至多为4:1，优选为1.5:1。优选地，曝气孔的面积小于100μm。
申请人进一步发现，提高曝气面积，在提高相同DO浓度的情况下，发酵液中的DO浓度分布更均匀，对发酵液的扰动更小。通常情况下，需要对发酵液进行不断搅拌，但申请人发现，过多且过为密集的扰动会减小菌团的大小，最后在制备终产品时，固体产品和发酵液无法得到有效过滤分离；不仅如此，由于小面积的曝气可能会带来大的气泡，会影响到DO检测装置的检测精度。
优选地，调节进料流的单位时间气态氧输入量的方式包括调节以下各项的至少一项：
a.包含气态氧的至少一种进料流的流量；
b.包含气态氧的至少一种进料流中的氧浓度；以及
c.发酵罐内作为气泡的气体滞留量。
优选地，CLow和CHigh的差值至少为2mg/L，进一步优选为至少5mg/L。
本发明进一步提供一种基于上述自动控制装置的自动控制系统，包括若干具有物料出口的一级发酵罐；以及
物料输送管，物料输送管的一端与上述自动控制装置的物料进口相连接，物料输送管的另一端与一级发酵罐的物料出口相连接。
优选地，自动控制系统包括并联设置的至少两个一级发酵罐，同时并行多个发酵过程，提高发酵效率。
优选地，一级发酵罐设置有温度控制器，温度控制器包括温度传感器和换热器，温度传感器用于读取罐体中的发酵液的温度，并向调节设备输送温度检测信号；
温度控制器根据温度传感器的温度检测信号，调节换热器的交换介质温度；
其中，只要识别到发酵液的温度低于或高于给定时间段的阈值温度，则提高或降低换热器的交换介质温度，使发酵液温度在给定的时间间隔t’内线性地将温度提升或下降至阈值温度。
优选地，一级发酵罐还包括搅拌器，搅拌器用于在温度控制器调节发酵液的温度时，对发酵液进行机械搅拌。
优选地，温度控制器设置有温度探头，温度探头距离发酵液底部的高度为H1，发酵液的高度为H2，H1:H2＝1:4-1:3。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的控制装置适用于好氧反硝化的大规模工业生产，大大降低生产成本，同时通过对发酵条件的精准控制，提高发酵产物的使用效果。进一步地，本发明的控制装置可以提高生产效率，结合对前置发酵的温控，进一步提高发酵产物的使用效果。
附图说明
图1为本发明的控制装置结构示意图；
图2为本发明二级发酵的发酵循环的DO曲线；
图3为实施例1中的水体浊度对比图，其中，由左至右依次为进水、对照组和实验组。
图中：
100、罐体；
200、监测设备，210、感应探头；
300、输入设备。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用药剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。在实施例中，CODCr采用仪器快速测定法(兰州连华5B-1型CODCr测定仪)；总氮(Total Nitrogen，TN)采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(GB/T11894-89)；总磷(Total Phosphorus，TP)采用钼酸铵分光光度法(GB/T11893-89)。
如本文所使用，术语“约”用于提供与给定术语、度量或值相关联的灵活性和不精确性。本领域技术人员可以容易地确定具体变量的灵活性程度。
进一步说明，本发明对不同获取途径(高校实验室以及其他公司生产的市售菌种)的同一菌种进行小试试验后，检测生产的菌液对于污染物的处理效果。测定结果显示，利用本发明对不同获取途径的同一菌种进行发酵，其发酵产物的污染物处理效果均相似(以实施例1 中的菌种为例，利用自主生产菌剂、高校实验室以及其他公司生产的市售菌剂生产的发酵产物，在同一实验条件下处理实验室配置的污水，污水CODCr由500mg/L分别降低至20.2mg/L、 19.8mg/L以及20.7mg/L)。本发明的实施例中所使用的菌种来源如表1所示，本发明所使用的菌剂的原始菌种分离自污水厂的活性污泥中，经扩培后得到原料菌剂。经检验，扩培得到的原料菌剂与非专利文献中公开的菌种相同，同时申请人提交了保证从申请日起20年内向公众发放以上菌种的菌剂产品的证明文件。
表1实施例菌种来源表
Figure RE-GDA0003201471320000061
实施例1
本实施例提供一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，如图1所示，包括罐体100、至少一个具有调节设备的输入设备300以及与输入设备300的调节设备电连接的监测设备 200。其中，罐体100具有用于至少在二级发酵阶段为发酵液提供发酵场所的腔体。本实施例的监测设备200具有感应探头210，用于在发酵过程中，读取罐体100中的发酵液的DO浓度，并向调节设备输送DO检测信号。
进一步说明本实施例的自动控制装置的控制方法：本实施例中，二级发酵阶段包括十个发酵循环，调节设备根据监测设备200的DO检测信号，基于给定的DO曲线调节每个发酵循环的进料流的单位时间气态氧输入量。
本实施例的输入设备300还包括气态氧输入单元，气态氧输入单元用于输送包含气态氧的进料流；气态氧输入单元至少部分设置于罐体100的底部，使得包含气态氧的进料流可以由下至上的进入罐体100。发酵液的截面积为A，气态氧输入单元的曝气面积为B，A:B为4:1。在本实施例中，调节DO浓度的方式为调节包含气态氧的进料流中的氧浓度。
本实施例进一步提供基于上述自动控制装置的自动控制系统，包括若干具有物料出口的一级发酵罐以及物料输送管，物料输送管的一端与上述自动控制装置的物料进口相连接，物料输送管的另一端与一级发酵罐的物料出口相连接，且自动控制系统包括并联设置的四个一级发酵罐。
本实施例的一级发酵罐设置有温度控制器和搅拌器，温度控制器包括温度传感器和换热器，当温度控制器调节发酵液的温度时，搅拌器对发酵液进行机械搅拌。温度控制器还设置有温度探头，温度探头距离发酵液底部的高度为H1，发酵液的高度为H2，H1:H2＝1:4。
利用本实施例中的控制装置生产好氧反硝化菌剂，将施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri)、施氏假单胞菌(Pseudomonas sp.strain K50)、脱氮副球菌(Paracoccusdenitrificans) 和枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)分别与培养液混合后，加入不同的一级发酵罐中，在发酵循环中，阶段Ⅲ为好氧发酵，DO浓度为2-5mg/L；阶段Ⅳ为缺氧或厌氧发酵，DO浓度为0.1- 0.5mg/L，二级发酵持续7d，同时控制阶段Ⅲ的发酵时间为阶段Ⅳ的发酵时间的3.5-4倍。本实施例一级发酵罐的控制策略为：发酵过程包括阶段Ⅰ和阶段Ⅱ，阶段Ⅰ的持续时间为20d，发酵温度为27-60℃，在第4-5d时达到峰值；阶段Ⅰ结束后经过2d进入阶段Ⅱ，阶段Ⅱ的持续时间为30d，发酵温度为27-55℃，在进入阶段Ⅱ第3-5d时升温至峰值，并维持4-6d。
利用本实施例制备得到的发酵产物，浓缩后得到复合酶制剂。利用本实施例的复合酶制剂，在实验室进行污水处理试验，实验室模拟污水的配置浓度为：CODCr为600mg/L，TN浓度为100mg/L，TP浓度为5mg/L。同时在好氧条件下模拟好氧反硝化过程，通过曝气，使得污水中的DO浓度维持在8mg/L及以上，控制进水流量为20L/h，处理时间为5d，加药方式为隔膜泵注加。污水处理结束后，模拟污水的CODCr降低至10.7-12.1mg/L，TN浓度为7.6- 9.4mg/L，TP浓度为0.5-0.8mg/L。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：本实施例包括28个发酵循环，且发酵液的截面积为A，气态氧输入单元的曝气面积为B，A:B为1.2:1。在本实施例中，调节DO 浓度的方式为调节发酵罐100内作为气泡的气体滞留量，即适当增大曝气速率。本实施例设置有五个一级发酵罐，每个一级发酵罐的温度控制器均设置有温度探头，温度探头距离发酵液底部的高度为H1，发酵液的高度为H2，H1:H2＝1:3。
利用本实施例中的控制装置生产好氧反硝化菌剂，将施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri SU2)、粪产碱菌(Alcaligenes faecalis C16)、粪产碱菌(Alcaligenesfaecalis strain NR)、硫杆菌(Thiobacillus versutus)和枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)分别与培养液混合后，加入不同的一级发酵罐中，在发酵循环中，阶段Ⅲ为好氧发酵，DO浓度为2-4mg/L；阶段Ⅳ为缺氧或厌氧发酵，DO浓度为0.1-0.5mg/L，二级发酵持续7d，同时控制阶段Ⅲ的发酵时间为阶段Ⅳ的发酵时间的3倍。本实施例一级发酵罐的控制策略为：发酵过程包括阶段Ⅰ和阶段Ⅱ，阶段Ⅰ的持续时间为30d，发酵温度为22.5-50℃，在第0.5-1d时达到峰值；阶段Ⅰ结束后经过1d进入阶段Ⅱ，阶段Ⅱ的持续时间为30d，发酵温度为22.5-45℃，在进入阶段Ⅱ第8-15d 时升温至峰值，并维持8-10d。
利用本实施例制备得到的复合酶制剂在实施例1相同的实验条件下处理模拟污水，污水处理结束后，模拟污水的CODCr降低至＜10mg/L，TN浓度为2.1-2.8mg/L，TP浓度为0.1- 0.3mg/L。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例2，其不同之处在于：二级发酵进行15个发酵循环，持续 7d，同时控制阶段Ⅲ的发酵时间为阶段Ⅳ的发酵时间的3倍。利用本实施例制备得到的复合酶制剂在实施例1相同的实验条件下处理模拟污水，污水处理结束后，模拟污水的CODCr降低至10.4-11.1mg/L，TN浓度为2.5-4.4mg/L，TP浓度为1.2-1.6mg/L。
实施例4
本实施例的基本内容同实施例2，其不同之处在于：二级发酵进行40个发酵循环，持续7d，同时控制阶段Ⅲ的发酵时间为阶段Ⅳ的发酵时间的3倍。利用本实施例制备得到的复合酶制剂在实施例1相同的实验条件下处理模拟污水，污水处理结束后，模拟污水的CODCr降低至44.0mg/L，TN浓度为31.2mg/L，TP浓度为3.3mg/L。推测可能是由于发酵循环的发酵时间过短，对于仪器操控的精度变高，同时由于厌氧或好氧环境的持续时间短，相应的酶的产量下降，制备同样处理效果的发酵产物需要进行深度加工(例如：提高浓缩倍数或延长发酵时间等)，发酵成本上升，不利于工业大规模推广。
实施例5
本实施例的基本内容同实施例1，其不同之处在于：利用本发明在一体化污水处理设备中用于处理生活污水，对第1-15d的出水指标进行检测，检测结果如表2所示，在正常污水处理中使用本发明制备得到的菌剂，可以有效降低水体中的CODCr以及TN浓度。
表2一体化设备出水检测数据规律
Figure RE-GDA0003201471320000081
Figure RE-GDA0003201471320000091
实施例6
本实施例的基本内容同实施例2，其不同之处在于：利用本发明在一体化污水处理设备中用于处理生活污水，对第1-15d的出水指标进行检测，检测结果如表3所示，在正常污水处理中使用本发明制备得到的菌剂，可以有效降低水体中的CODCr以及TN浓度。
表3一体化设备出水检测数据规律
COD<sub>Cr</sub>(mg/L) 氨氮浓度(mg/L) TN浓度(mg/L)
第1天 192 53 71
第3天 142 25 61
第5天 79 23 55
第7天 36 11 \
第9天 32 6 31
第11天 19 2.3 \
第13天 10 1.15 12
第15天 3 0.43 10
对比例1
本对比例的基本内容同实施例2，其不同之处在于：不进行二级发酵，直接将经过阶段Ⅰ、阶段Ⅱ发酵后的五种发酵液按照体积比1:1:1:1:1进行混合使用。利用本实施例制备得到的发酵产物在实施例1相同的实验条件下处理模拟污水，污水处理结束后，模拟污水的TN 去除率为59.42％。
对比例2
本对比例的基本内容同实施例2，其不同之处在于：在本对比例中，二级发酵仅仅进行5 个发酵循环，同时延长阶段Ⅲ和阶段Ⅳ的发酵时间，使得总发酵时间与实施例2的发酵时间相同。利用本实施例制备得到的发酵产物在实施例1相同的实验条件下处理模拟污水，污水处理结束后，模拟污水的TN去除率为77.23％。
对比例3
本对比例的基本内容同实施例2，其不同之处在于：在本对比例中，二级发酵仅仅进行1 个发酵循环，同时延长阶段Ⅲ和阶段Ⅳ的发酵时间，使得总发酵时间与实施例2的发酵时间相同。利用本实施例制备得到的发酵产物在实施例1相同的实验条件下处理模拟污水，污水处理结束后，模拟污水的TN去除率为67.66％。
对比例4
本对比例利用专利文献3的方法对好氧反硝化菌进行发酵，发酵产物的总酶活极高，可达3000U/mL，但是当实际投入应用时，在好氧条件下，其TN去除率仅为27.33％-31.22％，推测可能是由于发酵产物中的个别酶的产量较高，使得检测总酶活极高。在实际生产过程中，发酵产物的总酶活需要维持在800-1700U/mL，优选为1300-1700U/mL，产品后续使用可以达到较好的效果。
更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。
除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中的定义为准。质量、浓度、温度、时间、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范围，而不论该范围是否单独公开了。例如，1-50的范围应理解为包括选自1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、 23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、 44、45、46、47、48、49或50的任何数字、数字的组合、或子范围、以及所有介于上述整数之间的小数值，例如，1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8和1.9。关于子范围，具体考虑从范围内的任意端点开始延伸的“嵌套的子范围”。例如，示例性范围1-50的嵌套子范围可以包括一个方向上的1-10、1-20、1-30和1-40，或在另一方向上的50-40、50-30、50-20和50- 10。

Claims (9)

1.一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，包括，
罐体，所述罐体具有用于至少在二级发酵阶段为发酵液提供发酵场所的腔体；
至少一个输入设备，所述输入设备用以向所述腔体中输送至少一种进料流，且至少一种所述进料流中包含气态氧，且所述输入设备设置有调节设备；以及
与输入设备的调节设备电连接的监测设备，所述监测设备至少用于在发酵过程中，读取罐体中的发酵液的DO浓度，并向调节设备输送DO检测信号，其特征在于：
所述二级发酵阶段至少包括十个发酵循环，所述调节设备根据监测设备的DO检测信号，基于给定的DO曲线调节每个发酵循环的进料流的单位时间气态氧输入量，其中，
所述给定时间段包括阶段Ⅲ和阶段Ⅳ，所述阶段Ⅲ结束后，经过特定的时间间隔TR进入阶段Ⅳ；
二级发酵持续7d，同时控制阶段Ⅲ的发酵时间为阶段Ⅳ的发酵时间的3倍；
所述阶段Ⅲ的给定时间段为Δt1，在Δt1阶段的DO最低阈值浓度CLow为2mg/L；
所述阶段Ⅳ的给定时间段为Δt2，在Δt2阶段的DO最高阈值浓度CHigh为0.5mg/L；
在发酵循环中，只要识别到发酵液中的DO浓度低于或高于发酵循环中的给定时间段的阈值浓度，则调节进料流的单位时间气态氧输入量，使发酵液中的DO浓度在给定的时间间隔t内线性地增大或降低至阈值浓度。
2.根据权利要求1所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，其特征在于：所述输入设备包括气态氧输入单元，所述气态氧输入单元用于输送包含气态氧的进料流；
所述气态氧输入单元至少部分设置于罐体的底部，使得包含气态氧的进料流可以由下至上的进入罐体；和/或
所述发酵液的截面积为A，气态氧输入单元的曝气面积为B，A:B至多为4:1。
3.根据权利要求1所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，其特征在于，调节进料流的单位时间气态氧输入量的方式包括调节以下各项的至少一项：
a. 所述包含气态氧的至少一种进料流的流量；
b. 所述包含气态氧的至少一种进料流中的氧浓度；以及
c. 所述发酵罐内作为气泡的气体滞留量。
4.根据权利要求1所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置，其特征在于：所述CLow和CHigh的差值至少为2mg/L。
5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置的自动控制系统，其特征在于：包括
若干具有物料出口的一级发酵罐；以及
物料输送管，所述物料输送管的一端与权利要求1-4任意一项所述的自动控制装置的物料进口相连接，所述物料输送管的另一端与一级发酵罐的物料出口相连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置的自动控制系统，其特征在于：所述自动控制系统包括并联设置的至少两个一级发酵罐。
7.根据权利要求5所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置的自动控制系统，其特征在于：所述一级发酵罐设置有温度控制器，所述温度控制器包括温度传感器和换热器，所述温度传感器用于读取罐体中的发酵液的温度，并向调节设备输送温度检测信号；
所述温度控制器根据温度传感器的温度检测信号，调节换热器的交换介质温度；
其中，只要识别到发酵液的温度低于或高于给定时间段的阈值温度，则提高或降低换热器的交换介质温度，使发酵液温度在给定的时间间隔t’内线性地将温度提升或下降至阈值温度。
8.根据权利要求7所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置的自动控制系统，其特征在于：所述一级发酵罐还包括搅拌器，所述搅拌器用于在温度控制器调节发酵液的温度时，对发酵液进行机械搅拌。
9.根据权利要求7所述的一种基于多阶段发酵的二级发酵自动控制装置的自动控制系统，其特征在于：所述温度控制器设置有温度探头，所述温度探头距离发酵液底部的高度为H1，所述发酵液的高度为H2，H1:H2=1:4-1:3。
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