CN113403193B - 一种多级连续发酵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多级连续发酵系统，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；所述下位机包括级联的多个微型生物反应器、多级发酵数据采集模块、模数转换器、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板；所述上位机包括数据计算模型以及控制系统。本发明能够按照实验目标自动求解、设计合适的发酵参数，并且在发酵过程中对参数进行实时测量和最优控制。

Description

一种多级连续发酵系统
技术领域
本发明涉及生物产业技术领域，尤其涉及一种应用于微型生物反应器(Micro-bioreactor，MBR)的多级连续发酵系统。
背景技术
传统的分批发酵效率越来越无法满足工业生产的自动化控制需求，越来越多的企业使用多级连续发酵来提高生产效率，同时多级连续培养体系具有方便自动化控制，降低生产成本等诸多优势。
在现有的多级连续发酵系统中，需要对每一级发酵进行一系列复杂的物料衡算和能量守恒的计算，并且需要考虑温度、pH、溶氧等多因素耦合，从而才能够对多级连续发酵系统进行精确的控制，实现我们制定的发酵目标。对于多级连续发酵现在往往在实时得到详细发酵数据后无法实时将获得的数据进行处理，从而无法实时对发酵参数及时的调整，以致无法对多级发酵自动控制。多参数耦合的发酵，通过人工计算会是十分缓慢的过程，然而细胞内反应是一个十分快速的过程，从而计算出的结果也并没有了时效性，并且设计成完善的系统会减少人工计算的出错率。考虑多参数因素的多级发酵系统，可以迅速计算出发酵状态，能够及时的给出反馈控制参数。此多级连续发酵系统，主要包括发酵罐数据的采集，非线性动力系统的建模，多个参数的最优控制，实现实时发酵数据的反馈控制。多级连续发酵能够极大的提高生产效率，并且有利于自动化控制，可以同时获得多个比生长速率下的实验数据。帮助科研人员同时大批量的进行发酵实验，节约科研人员的时间。多级连续发酵系统可以提前预测发酵进程，能够指导实验设计和提高实验效率。其也可以帮助企业进行多级连续发酵的参数监控和调控，降低企业生产成本，提高生产效率。
但是，随着科技进步，发酵罐上可以实时获取的数据逐渐增多，检测的变量参数例如尾气中的O2含量、尾气的湿度、PH、溶氧，而不是传统的只关注尾气中的CO2含量、进料速率、进料糖浓度。对于多级连续发酵，可以获得的数据则更加的多，此时需要处理的数据量远高于单级发酵，而且不同级的发酵罐之间会相互影响，给求解带来了很大的困难。因此目前应用于微型生物反应器(Micro-bioreactor，MBR)的多级连续发酵系统存在求解多级发酵的多种变量参数不准确的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微型生物反应器，用以解决目前应用于微型生物反应器(Micro-bioreactor，MBR)的多级连续发酵系统存在求解多级发酵的多种变量参数不准确的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种多级连续发酵系统，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；所述下位机包括级联的多个微型生物反应器、多级发酵数据采集模块、模数转换器、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板；所述多级发酵数据采集模块用以采集所述微型生物反应器中的发酵数据，并传输至所述模数转换器中以获得液相参数和气相参数；所述脉宽调制器驱动板用于在接受到一调控参数后通过控制所述多级发酵执行模块调节控制所述微型生物反应器的驱动；所述上位机包括数据计算模型以及控制系统；所述数据计算模型用于接收所述模数转换器输出的液相参数和气相参数，通过计算求解所述微型生物反应器内的液相的物质含量、菌体生长速率、底物消耗速率、产物生成速率，再通过元素守恒、亨利定律计算获得所述微型生物反应器中的反应速率；所述控制系统根据所述微型生物反应器中的反应速率调节所述微型生物反应器的调控参数，并将所述调控参数传输至所述脉宽调制器驱动板。
进一步地，每一微型生物反应器包括与所述多级发酵数据采集模块连接的传感器光密度传感器、pH电极、溶氧电极、温度电极、液位传感器、温湿度测量传感器、气压测量传感器、质量流量控制器、O2尾气分析传感器、CO2尾气分析传感器，以及与所述多级发酵执行模块连接的补酸碱蠕动泵、加热片、制冷片以及搅拌装置。
进一步地，所述数据计算模型使用物料衡算、黑箱模型、元素守恒、亨利定律来进行求解所述微型生物反应器中的反应速率；所述黑箱模型为通过忽略菌体内部的代谢反应与发酵罐各区域的发酵差异，建立起输入底物浓度、菌体和输出底物浓度、菌体之间因果关系的模型。
进一步地，结合所述物料衡算、所述黑箱模型、所述元素守恒的公式通过初始参数发酵罐体积V、进料菌体浓度Xin、进料底物浓度Sin、进料产物浓度Pin、底物平衡常数Km、生长偶联系数α、非生长偶联系数β、生长消耗系数a、产物合成系数b、维持系数ms，通过物料衡算和黑箱模型可以计算出出口菌体浓度Xout、产物浓度Pout、比生长速率μ、底物消耗速率qs、产物合成速率qp、进料流量Q，再通过菌体的分子式、底物的分子式求出各个组分的含量和氧气消耗速率rO2和二氧化碳生成速率rCO2。
进一步地，所述物料衡算的公式包括：Q(Xin-Xout)+V Xoutμ＝0；Q(Sin-Sout)-V Xoutqs＝0；Q(Pin-Pout)+V Xout qp＝0。
进一步地，所述黑箱模型的公式包括：
Figure BDA0003124777300000041
qp＝αμ+β；qs＝αμ+b qp+ms。
进一步地，所述元素守恒的公式包括：
Figure BDA0003124777300000042
Figure BDA0003124777300000043
Figure BDA0003124777300000044
Figure BDA0003124777300000045
Figure BDA0003124777300000046
Figure BDA0003124777300000047
Figure BDA0003124777300000048
进一步地，通过所述亨利定律结合液相中气体物料守恒以及气相物料守恒的公式获得气相组分及液体组分气体分子含量；其中已知进气流量Vg,in、进气氧含量gO2,in、进气二氧化碳含量gCO2,in、进气氮含量gN2,in、进料氧含量lO2,in、进料二氧化碳含量lCO2,in、进料氮含量lN2,in此外加上rO2和rCO2，通过亨利定律求得气体分子在气体和液体中的含量。
进一步地，所述液相中气体物料守恒的公式为：
Figure BDA0003124777300000051
Figure BDA0003124777300000052
Figure BDA0003124777300000053
所述气相物料守恒的公式为：Vg,in gO2,in-TO2＝Vg,outgO2,out；Vg,in gCO2,in-TCO2＝Vg,out gCO2,out；Vg,in gN2,in-TN2＝Vg,out gN2,out；gCO2,out+gN2,out+gO2,out＝1；所述亨利定律为：
Figure BDA0003124777300000054
Figure BDA0003124777300000055
进一步地，所述液相参数包括：PH、溶氧、细胞密度、溶解氧、液体体积、液体温度中的至少一种；所述气相参数包括；氧气浓度、二氧化碳浓度、气体温度、气体湿度中的至少一种；所述微型生物反应器的调控参数包括：进料流水、通气流量、补酸碱流速、搅拌转速中的至少一种。
本发明的有益效果在于，提供一种多级连续发酵系统，能够按照实验目标自动求解、设计合适的发酵参数，并且在发酵过程中对参数进行实时测量和最优控制。求解方法使用MATLAB中的solve()函数进行求解。并且发酵系统考虑了更多的变量参数，例如尾气中的O2含量、尾气的湿度、PH、溶氧，而不是传统的只关注尾气中的CO2含量、进料速率、进料糖浓度，适合需要高精度控制的发酵系统。
附图说明
下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
图1为本申请实施例提供的多级连续发酵系统的整体结构示意图。
图2为本申请实施例提供的多级连续发酵系统的总体架构。
图3为本申请实施例提供的气体分子在单个微型生物反应器中的进出示意图。
图4为本申请实施例提供的发酵参数计算过程原理图。
图5为本申请实施例提供的数据计算模型(MATLAB模型)的原理示意图。
图6为本申请实施例提供的多级连续发酵系统中所有微型生物反应器的发酵罐内的发酵进程检测数据统计汇总图。
图7为本申请实施例提供的所述数据计算模型(MATLAB模型)的模拟结果。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
现有的商品化的细胞密度、溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)检测电极和pH检测电极体积较大，不能与本专利提出的MBR直接装配使用，故设计和开发了与微型生物反应器(MBR)配套使用的各类传感器用于MBR内部细胞密度的装置和溶解氧(DO)、pH电极及接口。
如图1、图2所示，本发明提供一种多级连续发酵系统，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；所述下位机包括级联的多个微型生物反应器(MBR)、多级发酵数据采集模块、模数转换器(ADC板)、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板(PWM驱动板)；所述多级发酵数据采集模块用以采集所述微型生物反应器中的发酵数据，并传输至所述模数转换器中以获得液相参数和气相参数；所述脉宽调制器驱动板用于在接受到一调控参数后通过控制所述多级发酵执行模块调节控制所述微型生物反应器的驱动；所述上位机包括数据计算模型(MATLAB模型)以及控制系统；所述数据计算模型用于接收所述模数转换器输出的液相参数和气相参数，通过计算求解所述微型生物反应器内的液相的物质含量、菌体生长速率μ、底物消耗速率qs、产物生成速率qp，再通过元素守恒、亨利定律计算获得所述微型生物反应器中的反应速率；所述控制系统根据所述微型生物反应器中的反应速率调节所述微型生物反应器的调控参数，并将所述调控参数传输至所述脉宽调制器驱动板。
进一步地，每一微型生物反应器包括与所述多级发酵数据采集模块连接的传感器光密度传感器、pH电极、溶氧电极、温度电极、液位传感器、温湿度测量传感器、气压测量传感器、质量流量控制器、O2尾气分析传感器、CO2尾气分析传感器，以及与所述多级发酵执行模块连接的补酸碱蠕动泵、加热片、制冷片以及搅拌装置。
如图1所示为24个微型反应器单体组成的多级连续微型反应器阵列，通过将多个反应器单体串联可组成连续发酵体系，也可并联完成独立工作。在该微型生物反应器的发酵罐中，光密度传感器：用来测量细胞密度。pH电极：用来测量培养体系内的pH。溶氧电极：用来测量发酵液中的溶解氧含量。温度电极：用来测量发酵温度。液位传感器：用来测量装液量。温湿度传感器：用来测量尾气中的温度与湿度。气压测量传感器：用来获得发酵罐气压。质量流量控制器：用来控制进气流量。O2尾气分析传感器：用来测定尾气中的O2含量。CO2尾气分析传感器：用来测定尾气中的CO2含量。蠕动泵：用来控制新鲜培养基补充速率与控制pH的补酸碱速率。加热片：用来进行发酵液加热。制冷片：用来消除发酵产生的反应热。无刷电机：控制搅拌转速。
进一步地，所述液相参数包括：PH、溶氧、细胞密度、溶解氧(DO)、液体体积、液体温度中的至少一种；所述气相参数包括；氧气浓度、二氧化碳浓度、气体温度、气体湿度中的至少一种；所述微型生物反应器的调控参数包括：进料流水、通气流量、补酸碱流速、搅拌转速中的至少一种。
如图2所示，为多级连续发酵系统总体架构，该系统包括作为下位机的多级连续的发酵罐(即为微型生物反应器)和作为上位机中的MATLAB(2020b)软件部分。该下位机包括各级发酵罐，每个发酵上配备了各种传感器由模数转换器(ADC板)和脉宽调制器(PWM驱动板)。模数转换器(ADC板)主要用来进行数据的读取和转换，PWM驱动板用来控制各种执行器的执行状态。上位机中的MATLAB程序主要分为MATLAB模型和控制系统。MATLAB模型主要负责多级连续发酵的设计与数据的实时分析，提供实时的调控参数。控制系统给出控制策略，来负责将参数平稳的调控到指定数值。
进一步地，所述数据计算模型使用物料衡算、黑箱模型、元素守恒、亨利定律来进行求解所述微型生物反应器中的反应速率；所述黑箱模型为通过忽略菌体内部的代谢反应与发酵罐各区域的发酵差异，建立起输入底物浓度、菌体和输出底物浓度、菌体之间因果关系的模型。
所述黑箱模型是一种忽略系统内部变量关系，只关心输入与输出关系建立起来的笼统直接因果关系。通过物料衡算和黑箱模型，我们可以求解得到菌浓、产物浓度、进料速率、比生长速率、底物消耗速率、产物生成速率。最后通过亨利定律获得气液两项组分气体分子含量。
进一步地，所述物料衡算的公式包括：Q(Xin-Xout)+V Xoutμ＝0；Q(Sin-Sout)-V Xoutqs＝0；Q(Pin-Pout)+V Xout qp＝0。
进一步地，所述黑箱模型的公式包括：
Figure BDA0003124777300000101
qp＝αμ+β；qs＝αμ+b qp+ms。
进一步地，所述元素守恒的公式包括：
Figure BDA0003124777300000102
Figure BDA0003124777300000103
Figure BDA0003124777300000104
Figure BDA0003124777300000105
Figure BDA0003124777300000106
Figure BDA0003124777300000107
Figure BDA0003124777300000108
进一步地，结合所述物料衡算、所述黑箱模型、所述元素守恒的公式通过初始参数发酵罐体积V、进料菌体浓度Xin、进料底物浓度Sin、进料产物浓度Pin、底物平衡常数Km、生长偶联系数α、非生长偶联系数β、生长消耗系数a、产物合成系数b、维持系数ms，通过物料衡算和黑箱模型可以计算出出口菌体浓度Xout、产物浓度Pout、比生长速率μ、底物消耗速率qs、产物合成速率qp、进料流量Q，再通过菌体的分子式、底物的分子式求出各个组分的含量和氧气消耗速率rO2和二氧化碳生成速率rCO2，此还可以获得除底物以外的其他培养基成分的含量(NH3、H2O…)。
进一步地，所述液相中气体物料守恒的公式为：
Figure BDA0003124777300000109
Figure BDA00031247773000001010
Figure BDA00031247773000001011
所述气相物料守恒的公式为：Vg,in gO2,in-TO2＝Vg,outgO2,out；Vg,in gCO2,in-TCO2＝Vg,out gCO2,out；Vg,in gN2,in-TN2＝Vg,out gN2,out；gCO2,out+gN2,out+gO2,out＝1；所述亨利定律为：
Figure BDA0003124777300000111
Figure BDA0003124777300000112
进一步地，通过所述亨利定律结合液相中气体物料守恒以及气相物料守恒的公式获得气相组分及液体组分气体分子含量；其中已知进气流量Vg,in、进气氧含量gO2,in、进气二氧化碳含量gCO2,in、进气氮含量gN2,in、进料氧含量lO2,in、进料二氧化碳含量lCO2,in、进料氮含量lN2,in此外加上rO2和rCO2，通过亨利定律求得气体分子在气体和液体中的含量。
图3为气体分子在单个微型生物反应器中的进出示意图，通过示意图我们可以得到气体组分求解方程组。其中在求得液相组分的基础上我们就可以获得气相组分的变化，通过气相组分求解方程组我们可以求解得到气相组分含量。气相物料守恒是气相在气液物质交换中物质守恒，液相物料守恒是气体分子在液相中经过气液物质交换后物质守恒，其中亨利定律是连通气液组分的关键。
结合图4所示的发酵参数计算过程，多级罐发酵模型的求解过程如下。
在第一个罐中，a)我们通过初始参数发酵罐体积V、进料菌体浓度Xin、进料底物浓度Sin、进料产物浓度Pin、底物平衡常数Km、生长偶联系数α、非生长偶联系数β、生长消耗系数a、产物合成系数b、维持系数ms，通过物料衡算和黑箱模型可以计算出出口菌体浓度Xout、产物浓度Pout、比生长速率μ、底物消耗速率qs、产物合成速率qp、进料流量Q，再通过菌体的分子式、底物的分子式求出各个组分的含量和氧气消耗速率rO2和二氧化碳生成速率rCO2。b)已知进气流量Vg,in、进气氧含量gO2,in、进气二氧化碳含量gCO2,in、进气氮含量gN2,in、进料氧含量lO2,in、进料二氧化碳含量lCO2,in、进料氮含量lN2,in此外加上rO2和rCO2，通过亨利定律求得气体分子在气体和液体中的含量。然后进行发酵是否结束的判别，若发酵未结束则将发酵液流入下一个发酵罐中，并以此罐的出口物质含量作为下一个罐的初始参数。
最后输入菌体参考的最适生长温度、最适pH、转速n、压强P就可以完成整个系统的参数设定。其中转速n当系统判定氧传递过小时将在设定范围内适当调节。
其中，上述公式中所涉及的符号含义如下：Q：进料流量；Xin：进料菌体含量；Sin：进料底物含量；Pin：进料产物含量；Xout：出料菌体含量；Sout：出料底物含量；Pout：出料产物含量；V：发酵罐装液量；μ：比生长速率；μm：最大比生长速率；qs：底物消耗速率；qp：产物的生成速率；Ks：底物消耗常数；α：产物生成耦合系数；β：产物生成非耦合系数；a：生长消耗系数；b：产物合成系数；ms：维持系数；rCO2：二氧化碳生成速率；rO2：氧气消耗速率；NH3,in：进料氨含量；NH3,out：出料氨含量；H2Oin：进料相对水含量；H2Oout：出料相对水含量；P：气压；R：理想气体常数；Heat：为单位时间发酵产出的热量；Vg,in：进气流量；Vg,out：出气流量；gO2,in：进气氧气含量；gO2,out：出气氧气含量；gN2,in：进气氮气含量；gN2,out：出气氮气含量；gCO2,in：进气二氧化碳含量；gCO2,out：出气二氧化碳含量；lO2,in：进料中含氧含量；lCO2,in：进料中含二氧化碳含量；lN2,in：进料中含氮气含量；lO2,out：出料中含氧含量；lCO2,out：出料中含二氧化碳含量；lN2,out：出料中含氮气含量；TO2：气相向液相中交换的氧气含量；TCO2：气相向液相中交换的二氧化碳含量；TN2：气相向液相中交换的氮气含量；T：尾气温度；H：氧气的亨利常数；HCO2：二氧化碳的亨利常数；Hn2：氮气的亨利常数；OUR：氧气消耗速率；CER：二氧化碳产生速率；RQ：呼吸商；OD：光密度；DO：溶氧；KLa：气液交换速率。
图5为所述数据计算模型(MATLAB模型)的原理示意图，包括初始化、系统参数设计和接收发送信息三方面内容。
一、初始化
主要用于串口的初始化，以及下位机的传感器、执行器的初始化。
二、系统参数设计
需要用户输入菌体的生长模型参数，以及需要模拟的模型，从而给出设计方案如图4。
比生长速率模型：将每一级的比生长速率设计为特定数值，以每个罐的比生长速率作为调控目标。
底物浓度模型：将每一级的底物浓度设计为特定数值，从而维持每个罐的底物浓度恒定而进行调控。
菌浓模型：将每一级的菌浓设计为需求数值，从而维持每个罐的菌浓恒定而进行调控。
产物浓度模型：将每一级的产物浓度设计为特定数值，每一级的产物浓度可以用户自己设定。此模型需要准确的产物生成模型。
溶氧模型：将每一级的溶氧设计为特定数值，将溶氧作为调控目标。
发酵时间模型：将每一级的恒化设计为对应批发酵的特定发酵时间状态，每一级对应的发酵时间可以用户自己设定。
发酵体积模型：将每一级的装液量设计特定数值。
三、接收发送信息
与模数转换板和驱动板接收发送的接口，用于对发酵数据的读取与执行器控制。
其中，控制系统对加热片、制冷片、蠕动泵、无刷电机、进行合适的控制，使得控制参数能够平缓的到达设计参数并且维持系统的稳定。
首先需要向所述数据计算模型(MATLAB模型)中输入菌体的生长参数、反应器参数和通气参数。然后选择控制因素，例如底物浓度控制。输入希望控制的底物浓度后，计算后，所述数据计算模型会给出各级发酵的状态。
表1为各级菌体的生长状态。我们通过系统可以模拟得到各级发酵罐中的菌体生长状态，以此我们可以预测到菌体可能生长状态，以此来指导实验设计。我们也可以通过与实际发酵数据对比来分析菌体的生长状态，以此来分析代谢流的变化。
Figure BDA0003124777300000151
表1
表2表示发酵罐内物质参数。我们可以提前预测到物质含量的变化，也可以以此来指导发酵进程。
Figure BDA0003124777300000152
表2
表3为气体中的物质含量变化，通过进气和出气的气体成分分析，我们可以对多级发酵进行参数修正，以此来减少随着系统运行而不断累积的系统误差。
Figure BDA0003124777300000153
表3
整个专利包含下位机和软件部分，软件包括了模拟与控制。通过MATLAB模拟我们获得了多个罐的模拟发酵结果。我们希望模拟结果为我们的目标状态，当结果不符合我们的要求时，我们需要修改发酵体积或发酵底物等初始条件。当模拟的结果为我们预期的结果时，此时我们就可以使用模拟的发酵环境参数，如补料速率、补碱量、通气速率、发酵罐体积。然后控制系统控制执行器，如温度会采用PID的方式控制加热器和制冷器，补料速率和会通过控制蠕动泵转速来控制，通过液位计来控制发酵罐装液量。并且通过传感器可以获得尾气的物质含量和发酵罐中的菌体含量，将其与模拟结果做比较得到误差。
结合图5，在整个发酵过程中，发酵主要受温度、酸碱度、进料速率、搅拌速率、进气速率影响，所以根据发酵模拟结果来控制这5个参数。图6为多级连续发酵系统中所有微型生物反应器的发酵罐内的发酵进程检测数据统计汇总图。所述数据计算模型(MATLAB模型)的模拟结果见图7。
温度调控，通过罐温度传感器获取当前罐温数值，将其与模拟的罐温作差，将差值作为PID控制输入参数，用PID控制的输出结果来控制加热片和制冷片。
酸碱度控制，通过pH电极获取当前发酵罐的pH，将该值与模拟的pH作差，与温度相同通过PID控制来控制补碱蠕动泵的工作状态。
进料速率控制，在确定管径的情况下通过作进料的标准曲线获得转速与进料量的关系，从而通过控制蠕动泵来精确控制进料速率。此外在整体OUR和OD值低于预测目标时，也会增加进料速率，相反当整体OUR和OD值高于预测目标时，也会减少进料速率。
搅拌转速控制，搅拌转速主要通过霍尔元件来获得转速信息，通过控制无刷电机控制搅拌转速。
进气速率控制，因为质量流量计本身有测量和控制气体流量的功能，所以可以通过质量流量计精确的获得气体流量信息和控制气体流量。
通过进料速率可以来控制OUR和菌浓。通过搅拌速率和进气速率控制可以实现溶氧的控制。
其他传感器获得的信息主要是为监控发酵状态和做发酵的关键参数(OUR、CER、RQ、KLa等)计算。
本申请的多级连续发酵系统相对现有技术的特点为：
1.这个多级连续发酵系统包含了多参数的模拟、控制、监测，适用于高精度控制的多级串联系统。
2.提供了多模式的设计策略，为实验设计提供更多的方案。
3.通过利用MATLAB强大的计算能力预先进行发酵模拟，该模拟通过黑箱模型模拟了发酵状态并结合元素守恒推断出发酵液中的所有成分组成，然后计算出气相的组成，使得多级发酵各级透明化，便于发酵的监控和调控。
4.通过预测OUR、CER、OD和实时OUR、CER、OD的比较，可以给出更多的调控策略。
5.上位机可以保存不同菌种模型来构建菌种模型库。同时所有的发酵数据都上传MySQL数据库。
因此，本发明的有益效果在于，提供一种多级连续发酵系统，能够按照实验目标自动求解、设计合适的发酵参数，并且在发酵过程中对参数进行实时测量和最优控制。求解方法使用MATLAB中的solve()函数进行求解。并且发酵系统考虑了更多的变量参数，例如尾气中的O2含量、尾气的湿度、PH、溶氧，而不是传统的只关注尾气中的CO2含量、进料速率、进料糖浓度，适合需要高精度控制的发酵系统。
以上对本申请实施例所提供的一种微型生物反应器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种多级连续发酵系统，其特征在于，所述多级连续发酵系统包括下位机和上位机；
所述下位机包括级联的多个微型生物反应器、多级发酵数据采集模块、模数转换器、多级发酵执行模块以及脉宽调制器驱动板；所述多级发酵数据采集模块用以采集所述微型生物反应器中的发酵数据，并传输至所述模数转换器中以获得液相参数和气相参数；所述脉宽调制器驱动板用于在接受到一调控参数后通过控制所述多级发酵执行模块调节控制所述微型生物反应器的驱动；
所述上位机包括数据计算模型以及控制系统；所述数据计算模型用于接收所述模数转换器输出的液相参数和气相参数，通过计算求解所述微型生物反应器内的液相的物质含量、菌体生长速率、底物消耗速率、产物生成速率，再通过元素守恒、亨利定律计算获得所述微型生物反应器中的反应速率；所述控制系统根据所述微型生物反应器中的反应速率调节所述微型生物反应器的调控参数，并将所述调控参数传输至所述脉宽调制器驱动板；
每一微型生物反应器包括与所述多级发酵数据采集模块连接的传感器光密度传感器、pH电极、溶氧电极、温度电极、液位传感器、温湿度测量传感器、气压测量传感器、质量流量控制器、O2尾气分析传感器、CO2尾气分析传感器，以及与所述多级发酵执行模块连接的补酸碱蠕动泵、加热片、制冷片以及搅拌装置；
所述数据计算模型使用物料衡算、黑箱模型、元素守恒、亨利定律来进行求解所述微型生物反应器中的反应速率；所述黑箱模型为通过忽略菌体内部的代谢反应与发酵罐各区域的发酵差异，建立起输入底物浓度、菌体和输出底物浓度、菌体之间因果关系的模型。
2.根据权利要求1所述的多级连续发酵系统，其特征在于，结合所述物料衡算、所述黑箱模型、所述元素守恒的公式通过初始参数发酵罐体积V、进料菌体浓度Xin、进料底物浓度Sin、进料产物浓度Pin、底物平衡常数Km、生长偶联系数α、非生长偶联系数β、生长消耗系数a、产物合成系数b、维持系数ms，通过物料衡算和黑箱模型可以计算出出口菌体浓度Xout、产物浓度Pout、比生长速率μ、底物消耗速率qs、产物合成速率qp、进料流量Q，再通过菌体的分子式、底物的分子式求出各个组分的含量和氧气消耗速率rO2和二氧化碳生成速率rCO2。
3.根据权利要求2所述的多级连续发酵系统，其特征在于，所述物料衡算的公式包括：
Q(Xin-Xout)+VXoutμ＝0；
Q(Sin-Sout)-VXoutQs＝＝0；
Q(Pin-Pout)+VXoutqp＝0。
4.根据权利要求2所述的多级连续发酵系统，其特征在于，所述黑箱模型的公式包括：
Figure FDA0003845461540000021
qp＝αμ+β；
Qs＝aμ+bqp+ms。
5.根据权利要求2所述的多级连续发酵系统，其特征在于，所述元素守恒的公式包括：
Figure FDA0003845461540000031
Figure FDA0003845461540000032
Figure FDA0003845461540000033
Figure FDA0003845461540000034
Figure FDA0003845461540000035
6.根据权利要求2所述的多级连续发酵系统，其特征在于，通过所述亨利定律结合液相中气体物料守恒以及气相物料守恒的公式获得气相组分及液体组分气体分子含量；其中已知进气流量Vg,in、进气氧含量gO2,in、进气二氧化碳含量gCO2,in、进气氮含量gN2,in、进料氧含量lO2,in、进料二氧化碳含量lCO2,in、进料氮含量lN2,in此外加上rO2和rCO2，通过亨利定律求得气体分子在气体和液体中的含量。
7.根据权利要求6所述的多级连续发酵系统，其特征在于，
所述液相中气体物料守恒的公式为：
Figure FDA0003845461540000036
Figure FDA0003845461540000037
Figure FDA0003845461540000038
所述气相物料守恒的公式为：
Vg，ingO2，in-TO2＝Vg，outgO2，out；
Vg，ingCO2，in-TCO2＝Vg，outgCO2，out；
Vg，ingN2，in-TN2＝Vg，outgN2，out；
gCO2，out+gN2，out+gO2，out＝1；
所述亨利定律为：
Figure FDA0003845461540000041
Figure FDA0003845461540000042
Figure FDA0003845461540000043
8.据权利要求6所述的多级连续发酵系统，其特征在于，
所述液相参数包括：PH、溶氧、细胞密度、溶解氧、液体体积、液体温度中的至少一种；
所述气相参数包括；氧气浓度、二氧化碳浓度、气体温度、气体湿度中的至少一种；
所述微型生物反应器的调控参数包括：进料流水、通气流量、补酸碱流速、搅拌转速中的至少一种。
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