本發(fā)明涉及生物發(fā)酵工程，具體為基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、在微生物發(fā)酵產(chǎn)酸工業(yè)中，產(chǎn)酸速率的穩(wěn)定性直接決定發(fā)酵產(chǎn)物的品質(zhì)、產(chǎn)量及生產(chǎn)效率，而產(chǎn)酸速率的核心影響因素是特定產(chǎn)酸菌株的發(fā)酵活力——菌株活力直接反映其代謝強(qiáng)度、增殖能力及產(chǎn)酸潛能，活力異常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)酸速率波動(dòng)、發(fā)酵周期延長(zhǎng)、產(chǎn)物雜質(zhì)增多，甚至發(fā)酵失敗；現(xiàn)有基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)使用時(shí)，通用型探針或檢測(cè)手段，無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別特定菌株，易與發(fā)酵體系中的雜菌、雜質(zhì)發(fā)生交叉反應(yīng)，預(yù)判模型多依賴(lài)發(fā)酵體系的ph值、溶氧濃度等輔助參數(shù)，未充分考慮菌株活力的核心影響，且模型參數(shù)模糊、缺乏針對(duì)性，無(wú)法提前預(yù)判產(chǎn)酸速率的變化趨勢(shì)，多采用單一參數(shù)調(diào)控模式，各調(diào)控單元缺乏協(xié)同配合，易導(dǎo)致產(chǎn)酸速率波動(dòng)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別特定菌株，易與發(fā)酵體系中的雜菌、雜質(zhì)發(fā)生交叉反應(yīng)等問(wèn)題。
2、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)，所述系統(tǒng)適用于單一或具備相同特異性分子標(biāo)志物的特定菌株，且用于調(diào)控特定菌株在發(fā)酵罐內(nèi)的產(chǎn)酸發(fā)酵過(guò)程，包括電連接形成信號(hào)傳輸與執(zhí)行閉環(huán)的特定菌株專(zhuān)屬活力檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊、產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊、多維度協(xié)同調(diào)控模塊、反饋校正模塊、應(yīng)急模塊，其中：
3、特定菌株專(zhuān)屬活力檢測(cè)模塊，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)特定菌株的發(fā)酵活力，所述特定菌株進(jìn)行產(chǎn)酸發(fā)酵所在發(fā)酵罐內(nèi)反應(yīng)體系為發(fā)酵體系；
4、數(shù)據(jù)處理與分析模塊，基于專(zhuān)屬活力檢測(cè)模塊檢測(cè)的發(fā)酵活力信號(hào)進(jìn)行降噪、濾波、標(biāo)準(zhǔn)化處理后，通過(guò)計(jì)算得出特定菌株的實(shí)時(shí)活力指數(shù)，構(gòu)建關(guān)聯(lián)特定菌株活力-產(chǎn)酸速率-輔助參數(shù)的三維關(guān)聯(lián)模型；
5、產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊，基于特定菌株的實(shí)時(shí)活力指數(shù)、三維關(guān)聯(lián)模型、發(fā)酵體系的輔助參數(shù)，預(yù)判產(chǎn)酸速率變化趨勢(shì)并輸出預(yù)判結(jié)果；
6、多維度協(xié)同調(diào)控模塊，基于三維關(guān)聯(lián)模型、預(yù)判結(jié)果，采用動(dòng)態(tài)解耦-前饋協(xié)同調(diào)控策略，調(diào)控發(fā)酵體系，確保產(chǎn)酸速率穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍；
7、反饋校正模塊，基于發(fā)酵體系中實(shí)際產(chǎn)酸速率與預(yù)判產(chǎn)酸速率、目標(biāo)產(chǎn)酸速率的偏差，反饋校正模塊的輸出端連接產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊的輸入端，對(duì)產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊及調(diào)控參數(shù)進(jìn)行校正；
8、應(yīng)急模塊，用于監(jiān)測(cè)特定菌株的活力衰減速率及幅度，觸發(fā)應(yīng)急策略，且應(yīng)急模塊的輸入端連接數(shù)據(jù)處理與分析模塊的輸出端。
9、優(yōu)選的，所述特定菌株專(zhuān)屬活力檢測(cè)模塊包括專(zhuān)屬識(shí)別單元、原位檢測(cè)單元、信號(hào)放大單元、數(shù)據(jù)輸出單元，所述專(zhuān)屬識(shí)別單元包含僅與特定菌株的特異性分子標(biāo)志物結(jié)合的專(zhuān)屬探針，所述專(zhuān)屬探針表面修飾有抗降解基團(tuán)。
10、優(yōu)選的，所述特定菌株的特異性分子標(biāo)志物為菌株獨(dú)有的產(chǎn)酸關(guān)鍵酶、特異性代謝中間產(chǎn)物或細(xì)胞表面抗原，所述專(zhuān)屬探針為熒光適配體探針或酶聯(lián)探針，僅與該特定菌株的特異性分子標(biāo)志物結(jié)合，不與發(fā)酵體系中的雜菌、雜質(zhì)發(fā)生交叉反應(yīng)，可耐受發(fā)酵體系中酸堿代謝產(chǎn)物的干擾，所述原位檢測(cè)單元采用微流控芯片結(jié)合激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)。
11、優(yōu)選的，所述三維關(guān)聯(lián)模型用于確定特定菌株的最優(yōu)活力區(qū)間，且所述三維關(guān)聯(lián)模型引入活力指數(shù)權(quán)重因子，可優(yōu)先響應(yīng)活力指數(shù)的微小變化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)酸速率的提前預(yù)判與調(diào)控。
12、優(yōu)選的，所述特定菌株的實(shí)時(shí)活力指數(shù)計(jì)算公式為：
13、,
14、式中：為擬合系數(shù)，為校正常數(shù)，、通過(guò)特定菌株產(chǎn)酸關(guān)鍵酶與熒光強(qiáng)度的梯度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析得出，梯度實(shí)驗(yàn)覆蓋該菌株產(chǎn)酸關(guān)鍵酶活性范圍為，為菌株產(chǎn)酸關(guān)鍵酶活性，為熒光強(qiáng)度。
15、優(yōu)選的，所述多維度協(xié)同調(diào)控模塊包括彼此協(xié)同運(yùn)作的底物補(bǔ)加單元、溶氧度調(diào)控單元、溫度調(diào)控單元、ph調(diào)控單元、攪拌調(diào)控單元、代謝調(diào)控劑添加單元，避免單一參數(shù)調(diào)控導(dǎo)致的產(chǎn)酸速率波動(dòng)，所述多維度協(xié)同調(diào)控模塊具體通過(guò)三維關(guān)聯(lián)模型實(shí)時(shí)計(jì)算各調(diào)控單元的作用參數(shù)，且根據(jù)實(shí)時(shí)活力指數(shù)與產(chǎn)酸速率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，動(dòng)態(tài)分配各調(diào)控單元的作用時(shí)序與量化幅度，以確保產(chǎn)酸速率穩(wěn)定在預(yù)設(shè)的目標(biāo)范圍。
16、優(yōu)選的，所述產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊內(nèi)置改進(jìn)型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)酸速率預(yù)判模型，所述改進(jìn)型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在常規(guī)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，增設(shè)時(shí)序注意力權(quán)重分配層，所述時(shí)序注意力權(quán)重分配層采用門(mén)控循環(huán)單元，所述門(mén)控循環(huán)單元含2層隱藏層，每層神經(jīng)元數(shù)為64-128，時(shí)間步長(zhǎng)為10min。
17、優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括模型更新模塊，用于根據(jù)發(fā)酵批次的實(shí)際產(chǎn)酸數(shù)據(jù)對(duì)所述產(chǎn)酸速率預(yù)判模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，且優(yōu)化過(guò)程結(jié)合活力指數(shù)與實(shí)際產(chǎn)酸速率的偏差，實(shí)現(xiàn)模型的自適應(yīng)調(diào)整。
18、優(yōu)選的，所述應(yīng)急模塊根據(jù)監(jiān)測(cè)特定菌株活力的衰減程度的預(yù)設(shè)閾值，觸發(fā)對(duì)應(yīng)的應(yīng)急策略，所述預(yù)設(shè)閾值基于發(fā)酵成功率下降拐點(diǎn)設(shè)定。
19、本發(fā)明還公開(kāi)了基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控方法，具體包括以下步驟：
20、s1、確定特定產(chǎn)酸菌株，明確其特異性分子標(biāo)志物及代謝特性，對(duì)專(zhuān)屬探針進(jìn)行抗降解修飾；
21、s2、獲取該特定菌株的歷史發(fā)酵數(shù)據(jù)，基于≥3批次發(fā)酵實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建“活力-產(chǎn)酸速率-輔助參數(shù)”三維關(guān)聯(lián)模型，引入活力指數(shù)權(quán)重因子，確定最優(yōu)活力區(qū)間及應(yīng)急閾值；
22、s3、接入特定菌株種子液，啟動(dòng)系統(tǒng)，特定菌株專(zhuān)屬活力檢測(cè)模塊通過(guò)修飾后的專(zhuān)屬探針，實(shí)時(shí)檢測(cè)菌株活力；
23、s4、數(shù)據(jù)處理與分析模塊對(duì)活力數(shù)據(jù)及發(fā)酵輔助參數(shù)進(jìn)行降噪、濾波、標(biāo)準(zhǔn)化處理及關(guān)聯(lián)分析，通過(guò)擬合公式計(jì)算實(shí)時(shí)活力指數(shù)，判定活力狀態(tài)；
24、s5、產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊輸入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)改進(jìn)型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)判未來(lái)產(chǎn)酸速率趨勢(shì)及預(yù)判值，若預(yù)判值偏離目標(biāo)范圍，發(fā)送調(diào)控指令至多維度協(xié)同調(diào)控模塊；
25、s6、多維度協(xié)同調(diào)控模塊根據(jù)調(diào)控指令，若活力衰減斜率低于應(yīng)急閾值，則執(zhí)行量化協(xié)同調(diào)控；否則跳轉(zhuǎn)至s7，其中量化協(xié)同調(diào)控操作為：采用動(dòng)態(tài)解耦-前饋協(xié)同調(diào)控策略，量化調(diào)控各單元參數(shù)，維持產(chǎn)酸速率穩(wěn)定；
26、s7、反饋校正模塊實(shí)時(shí)對(duì)比實(shí)際產(chǎn)酸速率與預(yù)判產(chǎn)酸速率、目標(biāo)產(chǎn)酸速率的偏差，并及時(shí)校正；應(yīng)急模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)菌株活力衰減程度，并及時(shí)進(jìn)行應(yīng)急調(diào)控；
27、s8、發(fā)酵結(jié)束，關(guān)閉系統(tǒng)，記錄全程數(shù)據(jù)，模型更新模塊根據(jù)本次發(fā)酵數(shù)據(jù)，結(jié)合活力指數(shù)與實(shí)際產(chǎn)酸速率偏差，對(duì)產(chǎn)酸速率預(yù)判模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。
28、有益效果
29、本發(fā)明提供了基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比具備以下有益效果：
30、（1）該基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置特定菌株專(zhuān)屬活力檢測(cè)模塊，采用專(zhuān)屬探針結(jié)合特定菌株的特異性分子標(biāo)志物，探針經(jīng)抗降解修飾，可避免被雜菌代謝產(chǎn)物降解，不與雜菌、雜質(zhì)發(fā)生交叉反應(yīng)；結(jié)合微流控芯片在線(xiàn)紫外滅菌及激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)菌原位檢測(cè)，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性，解決了現(xiàn)有檢測(cè)特異性差、信號(hào)失真的痛點(diǎn)。
31、（2）該基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置產(chǎn)酸速率預(yù)判模塊，采用含時(shí)序注意力權(quán)重分配層的改進(jìn)型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)預(yù)判產(chǎn)酸速率變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)提前調(diào)控，采用多維度協(xié)同調(diào)控策略，避免單一參數(shù)調(diào)控導(dǎo)致的波動(dòng)，應(yīng)急閾值采用量化的線(xiàn)性衰減斜率，精準(zhǔn)捕捉活力衰減趨勢(shì)，提升發(fā)酵穩(wěn)定性。
32、（3）該基于特定菌株發(fā)酵活力實(shí)時(shí)監(jiān)控的產(chǎn)酸速率調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置模型更新模塊，模型更新模塊實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)優(yōu)化，適配不同發(fā)酵批次的波動(dòng)，可適用于同一菌株的多批次發(fā)酵，降低生產(chǎn)成本。