CN115011739A - 一种益生菌的生产控制方法与系统 - Google Patents

一种益生菌的生产控制方法与系统 Download PDF

Info

Publication number
CN115011739A
CN115011739A CN202210925212.5A CN202210925212A CN115011739A CN 115011739 A CN115011739 A CN 115011739A CN 202210925212 A CN202210925212 A CN 202210925212A CN 115011739 A CN115011739 A CN 115011739A
Authority
CN
China
Prior art keywords
parameter
probiotics
absorption
fermentation
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210925212.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115011739B (zh
Inventor
林璇如
王志华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Bancom Biotechnology Co ltd
Original Assignee
Nanjing Bancom Biotechnology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Bancom Biotechnology Co ltd filed Critical Nanjing Bancom Biotechnology Co ltd
Priority to CN202210925212.5A priority Critical patent/CN115011739B/zh
Publication of CN115011739A publication Critical patent/CN115011739A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115011739B publication Critical patent/CN115011739B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q3/00—Condition responsive control processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M31/00—Means for providing, directing, scattering or concentrating light
    • C12M31/02—Means for providing, directing, scattering or concentrating light located outside the reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/06—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of illumination
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/34—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/02—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving viable microorganisms
    • C12Q1/04—Determining presence or kind of microorganism; Use of selective media for testing antibiotics or bacteriocides; Compositions containing a chemical indicator therefor
    • C12Q1/06—Quantitative determination
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/225—Lactobacillus
    • C12R2001/23—Lactobacillus acidophilus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12R—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASSES C12C - C12Q, RELATING TO MICROORGANISMS
    • C12R2001/00—Microorganisms ; Processes using microorganisms
    • C12R2001/01—Bacteria or Actinomycetales ; using bacteria or Actinomycetales
    • C12R2001/225—Lactobacillus
    • C12R2001/245—Lactobacillus casei
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Proteomics, Peptides & Aminoacids (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

一种益生菌的生产控制方法，包括：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；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；获取多组参数值；每一组参数值包括：激子吸收峰的峰值的横坐标，温度，活性菌体的浓度，以及吸收边的关联参数；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。本发明无需取样，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。

Description

一种益生菌的生产控制方法与系统
技术领域
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
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。
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。
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。
发明内容
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。
本发明采用如下的技术方案。
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：
Figure 114517DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 528181DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 615085DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 462693DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 431786DEST_PATH_IMAGE005
；其中
Figure 852403DEST_PATH_IMAGE004
为激子吸收峰的峰值的横坐标，
Figure 731498DEST_PATH_IMAGE003
为温度，
Figure 376106DEST_PATH_IMAGE005
为活性菌体的浓度；
Figure 35757DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 932169DEST_PATH_IMAGE002
为吸收边的关联参数，如下式所示：
Figure 790404DEST_PATH_IMAGE006
Figure 809175DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 628227DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 390646DEST_PATH_IMAGE009
满足如下约束条件：
Figure 103387DEST_PATH_IMAGE010
Figure 726349DEST_PATH_IMAGE011
Figure 360592DEST_PATH_IMAGE012
Figure 723441DEST_PATH_IMAGE013
Figure 166054DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 526629DEST_PATH_IMAGE015
为吸收光谱的离散函数，
Figure 444906DEST_PATH_IMAGE016
分别代表
Figure 549128DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 111828DEST_PATH_IMAGE017
的x坐标，
Figure 705620DEST_PATH_IMAGE018
分别代表
Figure 48877DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 363315DEST_PATH_IMAGE019
的y坐标，
Figure 170734DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 873110DEST_PATH_IMAGE015
中离散点的个数，
Figure 139881DEST_PATH_IMAGE021
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
Figure 382644DEST_PATH_IMAGE022
，第一输出参数为
Figure 247832DEST_PATH_IMAGE023
；
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
Figure 58793DEST_PATH_IMAGE024
，获得训练好的学生模型；
其中，第二输入参数
Figure 907800DEST_PATH_IMAGE025
，第二输出参数为
Figure 157516DEST_PATH_IMAGE026
；
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。
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：
本申请无需取样，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
图1是一种益生菌的生产控制方法的流程图。
图2是吸收实验的系统的示意图。
图3是不同发酵时间下的复合益生菌的混合液的吸收谱。
图4A是不同温度下的活性菌体的吸收谱。
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
下面结合附图对本申请作进一步描述。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申请的保护范围。
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。
基于此，本申请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。
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。
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。
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。
发酵的其他参数如下：温度38℃；搅拌转速150rpm；pH为6.5~7.0。
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。
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。
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。
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。
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。
本申请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。
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。
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。
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。
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。
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。本申请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。
为了描述方便，可以用
Figure 549314DEST_PATH_IMAGE004
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：
Figure 655810DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 195376DEST_PATH_IMAGE002
，其分别代表urbach能量与吸收边的斜率：
Figure 920887DEST_PATH_IMAGE006
Figure 291825DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 506906DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 238495DEST_PATH_IMAGE009
满足如下约束条件：
Figure 361172DEST_PATH_IMAGE010
Figure 55458DEST_PATH_IMAGE011
Figure 379123DEST_PATH_IMAGE012
Figure 690019DEST_PATH_IMAGE013
Figure 819649DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 306125DEST_PATH_IMAGE015
为吸收光谱的离散函数，
Figure 659746DEST_PATH_IMAGE016
分别代表
Figure 661200DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 266625DEST_PATH_IMAGE017
的x坐标，
Figure 466662DEST_PATH_IMAGE018
分别代表
Figure 630665DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 119415DEST_PATH_IMAGE019
的y坐标，
Figure 653165DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 848654DEST_PATH_IMAGE015
中离散点的个数，
Figure 544077DEST_PATH_IMAGE021
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。
步骤3，获取多组参数值；每一组参数值包括：
Figure 520124DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 732930DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 641980DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 977147DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 112593DEST_PATH_IMAGE005
；其中
Figure 191407DEST_PATH_IMAGE004
为激子吸收峰的峰值的横坐标，
Figure 954964DEST_PATH_IMAGE003
为温度，
Figure 917758DEST_PATH_IMAGE005
为活性菌体的浓度。
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。
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。
经过实验表明，这些环境变量，除了温度
Figure 602817DEST_PATH_IMAGE003
之外，其他环境变量并不会对
Figure 16481DEST_PATH_IMAGE004
产生影响。
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，第一输入参数为
Figure 41069DEST_PATH_IMAGE022
，第一输出参数为
Figure 718038DEST_PATH_IMAGE023
。
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。
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。
此处需要注意的是，在教师模型中，
Figure 952710DEST_PATH_IMAGE004
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
Figure 45431DEST_PATH_IMAGE004
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
Figure 986842DEST_PATH_IMAGE004
另一方面也起到置信度（对应于
Figure 897029DEST_PATH_IMAGE024
函数中的权重）的作用。
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
Figure 228785DEST_PATH_IMAGE024
，获得训练好的学生模型。
其中，第二输入参数为
Figure 187513DEST_PATH_IMAGE025
，第二输出参数为
Figure 311327DEST_PATH_IMAGE026
。
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。
为了方便起见，定义第一预测值为
Figure 235159DEST_PATH_IMAGE027
，第二预测值为
Figure 382106DEST_PATH_IMAGE028
。
步骤5的损失函数
Figure 206843DEST_PATH_IMAGE024
如下式所示：
Figure 122846DEST_PATH_IMAGE029
Figure 984623DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 415604DEST_PATH_IMAGE031
为均方误差函数，
Figure 388239DEST_PATH_IMAGE032
为权重。
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。
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。
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。
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。
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。

Claims (5)

1.一种益生菌的生产控制方法，其特征在于，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：
Figure 894902DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 152708DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 750262DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 257466DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 532590DEST_PATH_IMAGE005
；其中
Figure 582586DEST_PATH_IMAGE004
为激子吸收峰的峰值的横坐标，
Figure 714490DEST_PATH_IMAGE003
为温度，
Figure 177832DEST_PATH_IMAGE005
为活性菌体的浓度；
Figure 928750DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 957886DEST_PATH_IMAGE002
为吸收边的关联参数，如下式所示：
Figure 198375DEST_PATH_IMAGE006
Figure 821117DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 500360DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 587265DEST_PATH_IMAGE009
满足如下约束条件：
Figure 700452DEST_PATH_IMAGE010
Figure 403966DEST_PATH_IMAGE011
Figure 434370DEST_PATH_IMAGE012
Figure 579043DEST_PATH_IMAGE013
Figure 662799DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 932238DEST_PATH_IMAGE015
为吸收光谱的离散函数，
Figure 828650DEST_PATH_IMAGE016
分别代表
Figure 591944DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 345136DEST_PATH_IMAGE017
的x坐标，
Figure 695346DEST_PATH_IMAGE018
分别代表
Figure 321017DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 971441DEST_PATH_IMAGE019
的y坐标，
Figure 567638DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 903679DEST_PATH_IMAGE015
中离散点的个数，
Figure 141894DEST_PATH_IMAGE021
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
Figure 787770DEST_PATH_IMAGE022
，第一输出参数为
Figure 384230DEST_PATH_IMAGE023
；
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
Figure 443453DEST_PATH_IMAGE024
，获得训练好的学生模型；
其中，第二输入参数
Figure 891883DEST_PATH_IMAGE025
，第二输出参数为
Figure 484276DEST_PATH_IMAGE026
；
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。
2.根据权利要求1所述的一种益生菌的生产控制方法，其特征在于，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；接种液的成分包括：嗜酸乳杆菌BLCC2-0024与干酪乳杆菌BLCC2-0003；温度为38℃；搅拌转速为150rpm；pH为6.5~7.0。
3.根据权利要求1所述的一种益生菌的生产控制方法，其特征在于，其中，第一预测值为
Figure 750172DEST_PATH_IMAGE027
，第二预测值为
Figure 968795DEST_PATH_IMAGE028
，并且步骤5的损失函数
Figure 309997DEST_PATH_IMAGE024
如下式所示：
Figure 789519DEST_PATH_IMAGE029
Figure 367262DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 634034DEST_PATH_IMAGE031
为均方误差函数，
Figure 814479DEST_PATH_IMAGE032
为权重。
4.一种益生菌的生产控制系统，其特征在于，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
用于获取多组参数值；每一组参数值包括：
Figure 617350DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 867459DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 122991DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 107128DEST_PATH_IMAGE004
与
Figure 935144DEST_PATH_IMAGE005
；其中
Figure 917007DEST_PATH_IMAGE004
为激子吸收峰的峰值的横坐标，
Figure 722152DEST_PATH_IMAGE003
为温度，
Figure 713241DEST_PATH_IMAGE005
为活性菌体的浓度；
Figure 392835DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 545598DEST_PATH_IMAGE002
为吸收边的关联参数，如下式所示：
Figure 306881DEST_PATH_IMAGE006
Figure 272301DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 638691DEST_PATH_IMAGE008
与
Figure 24673DEST_PATH_IMAGE009
满足如下约束条件：
Figure 243558DEST_PATH_IMAGE010
Figure 982975DEST_PATH_IMAGE011
Figure 610DEST_PATH_IMAGE012
Figure 196974DEST_PATH_IMAGE013
Figure 932849DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 538273DEST_PATH_IMAGE015
为吸收光谱的离散函数，
Figure 312545DEST_PATH_IMAGE016
分别代表
Figure 509171DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 670025DEST_PATH_IMAGE017
的x坐标，
Figure 639992DEST_PATH_IMAGE018
分别代表
Figure 773165DEST_PATH_IMAGE015
中离散点
Figure 609534DEST_PATH_IMAGE019
的y坐标，
Figure 87045DEST_PATH_IMAGE020
为
Figure 299851DEST_PATH_IMAGE015
中离散点的个数，
Figure 287530DEST_PATH_IMAGE021
为预设的固定值；
CPU中还包括算法模块；
算法模块，用于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，以完成对教师模型的预训练；
其中，第一输入参数
Figure 58915DEST_PATH_IMAGE022
，第一输出参数为
Figure 256678DEST_PATH_IMAGE023
；以及
用于根据第二输入参数、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
Figure 273175DEST_PATH_IMAGE024
，获得训练好的学生模型；
其中，第二输入参数
Figure 712483DEST_PATH_IMAGE025
，第二输出参数为
Figure 687392DEST_PATH_IMAGE026
；以及
用于根据学生模型，预测出活性菌体的浓度，以控制益生菌的发酵结束时间。
5.根据权利要求4所述的一种益生菌的生产控制系统，其特征在于，测量光源为卤钨灯，光电探测器为硅光电二极管。
CN202210925212.5A 2022-08-03 2022-08-03 一种益生菌的生产控制方法与系统 Active CN115011739B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210925212.5A CN115011739B (zh) 2022-08-03 2022-08-03 一种益生菌的生产控制方法与系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210925212.5A CN115011739B (zh) 2022-08-03 2022-08-03 一种益生菌的生产控制方法与系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115011739A true CN115011739A (zh) 2022-09-06
CN115011739B CN115011739B (zh) 2022-11-01

Family

ID=83066199

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210925212.5A Active CN115011739B (zh) 2022-08-03 2022-08-03 一种益生菌的生产控制方法与系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115011739B (zh)

Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000075284A1 (en) * 1999-06-03 2000-12-14 The Bio Balance Corporation A bacterial strain, processed plant extracts and probiotic compositions for human and veterinary use
CN101314782A (zh) * 2007-05-30 2008-12-03 宁波天安生物材料有限公司 发酵生产辅酶q10的方法
KR20080114007A (ko) * 2007-06-26 2008-12-31 한경대학교 산학협력단 항균과 생균 활성을 가지는 신규한락토바실러스　코르니포미스 ｈｄ-０２ 균주 및 이의 용도
CN101623099A (zh) * 2009-04-17 2010-01-13 黑龙江北奇神高科保健品有限公司 一种蓝莓益生菌粉及其工艺制法
US20110274676A1 (en) * 1997-04-18 2011-11-10 Sean Farmer Topical Use Of Probiotic Bacillus Spores To Prevent Or Control Microbial Infections
CN102905548A (zh) * 2010-03-23 2013-01-30 吉百利英国有限公司 包含活性和/或反应性组分的糖食产品及其生产方法
CN104254394A (zh) * 2012-03-12 2014-12-31 南洋理工大学 制备用于手性选择性合成单壁碳纳米管的催化剂的方法
CN104855772A (zh) * 2015-04-24 2015-08-26 西藏月王生物技术有限公司 一种玛咖酵素及其制备方法
CN104919050A (zh) * 2012-09-12 2015-09-16 布特马斯先进生物燃料有限责任公司 用于生产发酵产物的工艺和系统
CN105164513A (zh) * 2013-06-04 2015-12-16 福斯分析股份公司 校正光谱仪的强度偏差的方法及设备
CN106011159A (zh) * 2009-05-21 2016-10-12 巴斯夫酶有限责任公司 肌醇六磷酸酶、编码它们的核酸及制备和使用它们的方法
CN106754619A (zh) * 2017-01-16 2017-05-31 吉林省浦生泰生物技术有限责任公司 一种在谷物培养基中添加中药组分促进益生菌生长的方法
CN107338203A (zh) * 2017-07-11 2017-11-10 福建贝迪药业有限公司 一种饲用粪肠球菌、防治畜禽热应激的微生态制剂及其制备方法
CN206996354U (zh) * 2017-05-02 2018-02-13 南京邦康生物技术有限公司 具有排风净风装置的混合机
CN108070537A (zh) * 2016-11-17 2018-05-25 青岛农业大学 多种益生菌混合发酵高产工艺
CN208328019U (zh) * 2018-04-25 2019-01-04 华东理工大学 光合细菌的培养装置
CN109705025A (zh) * 2019-01-26 2019-05-03 济宁学院 一种有机无机杂化铜碘化合物及其制备方法和应用
CN109883959A (zh) * 2019-02-26 2019-06-14 江苏大学 一种基于阵列传感器芯片的便携式多光谱成像装置及其应用
CN110358869A (zh) * 2019-07-03 2019-10-22 山东大学 一种基于近红外光谱技术的低分子量透明质酸的制备方法
CN110982047A (zh) * 2019-12-19 2020-04-10 河南大学 一类引达省并二呋喃基有机太阳能电池给体材料、其制备方法及应用
CN112226335A (zh) * 2020-10-22 2021-01-15 南京聚亿源精细化工有限公司 一种益生菌生产制备方法
CN113355227A (zh) * 2021-06-15 2021-09-07 青岛万慧源环保科技有限公司 一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统

Patent Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110274676A1 (en) * 1997-04-18 2011-11-10 Sean Farmer Topical Use Of Probiotic Bacillus Spores To Prevent Or Control Microbial Infections
WO2000075284A1 (en) * 1999-06-03 2000-12-14 The Bio Balance Corporation A bacterial strain, processed plant extracts and probiotic compositions for human and veterinary use
CN101314782A (zh) * 2007-05-30 2008-12-03 宁波天安生物材料有限公司 发酵生产辅酶q10的方法
KR20080114007A (ko) * 2007-06-26 2008-12-31 한경대학교 산학협력단 항균과 생균 활성을 가지는 신규한락토바실러스　코르니포미스 ｈｄ-０２ 균주 및 이의 용도
CN101623099A (zh) * 2009-04-17 2010-01-13 黑龙江北奇神高科保健品有限公司 一种蓝莓益生菌粉及其工艺制法
CN106011159A (zh) * 2009-05-21 2016-10-12 巴斯夫酶有限责任公司 肌醇六磷酸酶、编码它们的核酸及制备和使用它们的方法
CN102905548A (zh) * 2010-03-23 2013-01-30 吉百利英国有限公司 包含活性和/或反应性组分的糖食产品及其生产方法
CN104254394A (zh) * 2012-03-12 2014-12-31 南洋理工大学 制备用于手性选择性合成单壁碳纳米管的催化剂的方法
CN104919050A (zh) * 2012-09-12 2015-09-16 布特马斯先进生物燃料有限责任公司 用于生产发酵产物的工艺和系统
CN105164513A (zh) * 2013-06-04 2015-12-16 福斯分析股份公司 校正光谱仪的强度偏差的方法及设备
CN104855772A (zh) * 2015-04-24 2015-08-26 西藏月王生物技术有限公司 一种玛咖酵素及其制备方法
CN108070537A (zh) * 2016-11-17 2018-05-25 青岛农业大学 多种益生菌混合发酵高产工艺
CN106754619A (zh) * 2017-01-16 2017-05-31 吉林省浦生泰生物技术有限责任公司 一种在谷物培养基中添加中药组分促进益生菌生长的方法
CN206996354U (zh) * 2017-05-02 2018-02-13 南京邦康生物技术有限公司 具有排风净风装置的混合机
CN107338203A (zh) * 2017-07-11 2017-11-10 福建贝迪药业有限公司 一种饲用粪肠球菌、防治畜禽热应激的微生态制剂及其制备方法
CN208328019U (zh) * 2018-04-25 2019-01-04 华东理工大学 光合细菌的培养装置
CN109705025A (zh) * 2019-01-26 2019-05-03 济宁学院 一种有机无机杂化铜碘化合物及其制备方法和应用
CN109883959A (zh) * 2019-02-26 2019-06-14 江苏大学 一种基于阵列传感器芯片的便携式多光谱成像装置及其应用
CN110358869A (zh) * 2019-07-03 2019-10-22 山东大学 一种基于近红外光谱技术的低分子量透明质酸的制备方法
CN110982047A (zh) * 2019-12-19 2020-04-10 河南大学 一类引达省并二呋喃基有机太阳能电池给体材料、其制备方法及应用
CN112226335A (zh) * 2020-10-22 2021-01-15 南京聚亿源精细化工有限公司 一种益生菌生产制备方法
CN113355227A (zh) * 2021-06-15 2021-09-07 青岛万慧源环保科技有限公司 一种基于多阶段发酵的自动控制装置和控制系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
LONG JIN: "On Modified Multi-Output Chebyshev-Polynomial Feed-Forward Neural Network for Pattern Classification of Wine Regions", 《IEEE ACCESS》 *
李晶: "益生菌在酸奶生产过程中对酵母和霉菌污染的控制", 《中国乳品工业》 *
陈启凡: "《量子点生物荧光探针的制备及应用》", 31 December 2007 *
马永红等: "《连续变量纠缠和自旋压缩的研究》", 31 December 2016 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115011739B (zh) 2022-11-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Maxon et al. Aeration studies on propagation of baker's yeast
Leduy et al. An improved method for optical density measurement of the semimicroscopic blue green alga Spirulina maxima
CN107475172B (zh) 一种获得嗜热脂肪地芽孢杆菌芽孢的方法
CN106190889A (zh) 一种己酸发酵菌种及己酸提取方法
CN110988106A (zh) 一种氧化亚氮同位素δ15N的校正方法
CN103725669A (zh) 一种红曲色素高产菌株的高通量筛选方法
CN115011739B (zh) 一种益生菌的生产控制方法与系统
CN110462018A (zh) 用于控制生物技术过程的方法
LaRoche et al. Bioassays, batch culture and chemostat experimentation
Benavides et al. Parameter identification of Droop model: an experimental case study
CN112553260A (zh) 一种基于在线乙醇浓度响应值监测的葡萄糖补料发酵生产乙醇的方法
CN106290162B (zh) 一种连续检测细菌生长曲线的装置和方法
JPH06178697A (ja) 生物活性因子を検出するための培地
Kiss et al. Application of a high cell density capacitance sensor to different microorganisms
Lee et al. Evaluation of semiconductor gas sensor system for on-line ethanol estimation
Uyar A novel non‐invasive digital imaging method for continuous biomass monitoring and cell distribution mapping in photobioreactors
Ibarra et al. Quantitative analysis of Escherichia coli metabolic phenotypes within the context of phenotypic phase planes
CN114113049B (zh) 一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用
WO2020087611A1 (zh) 一种速溶发酵茶粉的智能化制备方法
CN103361285B (zh) 一种詹氏丙酸杆菌及其应用
CN106635782A (zh) 一种产油微藻一体式培养反应器及培养方法
JP2006288201A (ja) 微生物の流加培養方法及び流加培養装置
Chauvatcharin et al. On-line monitoring and control of acetone-butanol fermentation by membrane-sensor mass spectrometry
Benjelloun et al. An on-line technique for monitoring propionic acid fermentation
CN103616335A (zh) 发酵食品产酸菌产酸能力的快速鉴别方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant