一种耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法及系统与流程

本发明涉及生物工程与生物反应，尤其涉及一种耦合液态固态发酵的新型微生物生物合成工程化技术体系以及智能自动控制系统。

背景技术：

1、在现代生物工程领域，固态发酵(solid state fermentation，ssf)与液态发酵(submerged fermentation,smf)是两种主要的微生物工程反应技术体系，各自在药物生产、食品工业、能源转换等领域有着广泛的应用。传统上，固态发酵一般是微生物工程菌株在固态基质中的发酵，固态基质可以是培养基原料或其它载体，营养成分或底物往往存在于固态基质中；而液态发酵一般是微生物工程菌株在液态流体基质中的发酵，培养基原料或底物以溶解状态存在于液态基质中。固态和液态发酵系统各有优缺点，各自在不同的行业中有着长期的工业化开拓及发展历史。

2、有着数千年历史的固态发酵在历史上广泛用作食品行业的酒曲产业、制酱、醋等食品酿造工业乃至传统中草药发酵法制取，为人类文明做出了不小的贡献。20世纪以来，传统的固态发酵逐步融入现代工业生产中，目前已应用在酶制剂、有机酸、抗生素、维生素以及生物杀虫剂、生物饲料、生物农药以及中草药发酵等诸多现代产业分支。固态发酵有以下优点：1)原料便宜、设备简易、发酵投入低；2)发酵的下游工序简单，特别是产物需要干燥时，因基质含水量约在50％左右，产品的干燥过程容易且成本较低；3)在产品毋需纯化的产业如功能食品产业、功能益生菌产业、饲料添加剂产业、生物饲料产业、生物农药产业以及生物酶产业等领域，固态发酵有着无可比拟的成本优势。然而，由于使用固态基质，固态发酵在物料搅拌、混匀程度、通气及氧传递效率、温度、ph、水分控制等方面存在先天不足，导致物料、热传导、及营养物质分布的不均匀性导致发酵条件的不稳定性，使得产品的质量控制以及进一步的工程化、产业化遇到较大障碍，也给在线检测及自动化控制及固态发酵的自动化、智能化革新带来挑战。为实现固态发酵的现代化升级，需要通过设备及控制软件的创新以克服上述弊端病害通过数学模型和在线检测技术等现代工具的应用，进而达成对新技术加持的固态发酵规律的把握，最终通过新型的固态发酵反应器的设计及工业技术体系升级而实现。

3、液态发酵是20世纪发展起来的大规模发酵技术体系，先后经过上世纪初的菌株纯培养引发的液态发酵启蒙、40年代微生物生理学支撑及深层通气搅拌发酵成就的抗生素工业阶段以及上世纪末本世纪初以来的菌株基因改造技术、定向代谢控制手段以及现代分子生物学技术加持的定向育种及合成生物学阶段。集现代生物技术加持的液态发酵易于工程化、数字化、智能化控制规模化现代化生产。如今，液态发酵已成为发酵工业的主流，微生物代谢产物如氨基酸、肽类、高端生物酶制剂、抗生素、激素、及诸多高价值的产品多由规模化深层液体发酵工艺生产。相较于固态发酵，液态发酵无论在培养基、罐体设备乃至发酵系统配置等方面的成本度远远高于前者。高密度液态发酵往往面临溶解氧供应限制、高能耗的搅拌需求以及底物浓度控制、补料压力以及代谢产物积累造成的反馈抑制等诸多挑战。这些代谢产物需要配套的下游提取分离纯化工艺如过滤、浓缩、萃取、层析、结晶以及干燥等工段完成，下游分离纯化的成本往往远超上游的发酵成本。

4、综上，固态发酵及液态发酵在不同的产业领域均表现出工资的优势。如果能集成或融合二者的优势，不仅能极大提高功能食品产业、功能益生菌产业、饲料添加剂产业、生物饲料产业、生物农药产业以及生物酶等产业等传统行业的生产效率，而且能极大减少高端代谢产物产品下游的操作压力。遗憾的是，时至今日，国内外发酵行业尚没有耦合固态发酵及液态发酵与一体的技术体系及工程体系。耦合固态和液态发酵的技术创新极为必要。

5、针对上述问题，耦合固态和液态发酵的技术逐渐受到研究者关注。这种联合技术不仅有望克服单一发酵模式的限制，还可通过两种发酵模式的相互补充，增强系统的整体效率和灵活性。然而，现有的联合发酵系统往往缺乏有效的过程集成与控制策略，导致发酵过程中物质转化的协同效应未被充分开发。此外，温度和其他关键环境参数的精确控制问题，以及产物回收和循环利用的策略在现有技术中也未得到有效解决。这些技术挑战限制了联合发酵技术在工业规模上的应用潜力。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。因此，本发明提供了一种耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法，用来解决背景技术中提出的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法，包括：

5、收集液态和固态数据，根据所述液态和固态数据，得到固态基质中的生物活性和液态基质中的化学变化；

6、建立联合发酵反应器，分别处理所述固态基质中的生物活性和液态中的化学变化，并在所述联合发酵反应器之间，加入带有内置加热和冷却功能的物质流动通道；

7、基于pid算法，对所述通道进行温度监控，根据温度监控的结果，将联合发酵反应器在发酵过程中产生的反应物质，通过选择性反向循环机制，回流至联合发酵反应器中。

8、作为本发明所述的耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法的一种优选方案，其中：还包括：

9、在所述联合发酵反应器中模拟多类微环境，其中所述多类微环境包括但不限于变化的氧气浓度、溶解物质浓度、湿度、剪切力以及ph值。

10、作为本发明所述的耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法的一种优选方案，其中：收集液态和固态数据，根据所述液态和固态数据，得到固态基质中的生物活性和液态基质中的化学变化，包括：

11、收集固态数据使用呼吸速率传感器，收集液态数据使用氨基酸与糖类浓度传感器；

12、将所述呼吸速率传感器置于固态数据产生的固态基质内部中，得到固态机制内部的梯度变化值；

13、将所述氨基酸与糖类浓度传感器置于液态数据产生的流体动态的两侧，得到液态基质流动特性；

14、通过固态基质内部的梯度变化值和液态基质流动特性之间的相互作用，使用回归分析法，确定对发酵产率的影响参数。

15、作为本发明所述的耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法的一种优选方案，其中：建立联合发酵反应器，分别处理所述固态基质中的生物活性和液态基质中的化学变化，包括：

16、建立的联合发酵反应器表示为：

17、

18、其中，ptotal表示为联合发酵反应器，包含液态和固态发酵反应器；prate表示发酵产率；k(t)表示为发酵效率时间衰减系数；rs(cs(t),θs)表示为在当前时刻t发生固态发酵反应时固态基质的微生物浓度在温度与湿度下的速率；s表示为固态基质；cs(t)表示为固态基质的微生物浓度；θs表示为固态下的温度与湿度；rl(cl(t),θl)表示在当前时刻t发生液态发酵反应时液态基质的化学物质浓度在ph值与溶解氧下的速率；cl(t)表示为液态基质的化学物质浓度；θl表示为液态下的ph值与溶解氧；rs和rl分别表示固态和液态基质中发酵反应的速率；α表示固态基质内部的梯度变化值；h表示液态基质流动特性；g表示α与h的相互作用函数；t表示为温度。

19、作为本发明所述的耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法的一种优选方案，其中：在所述联合发酵反应器之间，加入带有内置加热和冷却功能的物质流动通道，包括：

20、在所述通道中引入动态调节机制，根据温度t、θl中的ph值、固态基质的微生物浓度cs(t)以及液态基质的化学物质浓度cl(t)调整通道内的物质流动；

21、设计所述加热和冷却功能的启动条件；

22、构建发酵效率与发酵时间的变化函数；

23、通过所述动态调节机制、加热和冷却功能的启动条件以及发酵效率与发酵时间的变化函数，重新定义联合发酵反应器。

24、作为本发明所述的耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法的一种优选方案，其中：基于pid算法，对所述通道进行温度监控，包括：

25、设定比例p，积分i和微分d，并进行初始化；

26、设定发酵的目标温度，所述目标温度为发酵效率的理想值；

27、如果温度超出所述目标温度，且浮动于目标温度的上下1.5℃以内，则根据设定比例p，积分i和微分d，不间断调整加热或冷却功能的输出功率，否则触发强制加热和冷却的启动条件。

28、作为本发明所述的耦合液态固态发酵的自动化生物反应方法的一种优选方案，其中：根据温度监控的结果，将联合发酵反应器在发酵过程中产生的反应物质，通过选择性反向循环机制，回流至联合发酵反应器中，包括：

29、所述选择性反向循环机制，将发酵过程中产生的反应物质分为回流发酵反应物质和非回流发酵反应物质；

30、所述回流发酵反应物质包含，未发生反应的添加底物，发酵过程中部分转化或未完全消耗的中间体以及微生物活性平衡体；

31、所述非回流发酵反应物质包含，抑制微生物生长的有机酸和醇以及完全消耗的矿物质或维生素；

32、将非回流发酵反应物质从物质流动通道中舍弃，将回流发酵反应物质回流至联合发酵反应器中。

33、第二方面，本发明提供了耦合液态固态发酵的自动化生物反应系统，其包括：

34、液态固态数据分析模块，用于收集液态和固态数据，根据所述液态和固态数据，得到固态基质中的生物活性和液态基质中的化学变化；

35、联合发酵反应器控制模块，用于建立联合发酵反应器，分别处理所述固态基质中的生物活性和液态中的化学变化，并在所述联合发酵反应器之间，加入带有内置加热和冷却功能的物质流动通道；

36、自动化温控与物质回流模块，用于基于pid算法，对所述通道进行温度监控，根据温度监控的结果，将联合发酵反应器在发酵过程中产生的反应物质，通过选择性反向循环机制，回流至联合发酵反应器中。

37、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的任一步骤。

38、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的任一步骤。

39、与现有技术相比，发明有益效果为：本发明通过收集液态和固态数据，根据所述液态和固态数据，得到固态基质中的生物活性和液态基质中的化学变化，建立联合发酵反应器，分别处理固态基质中的生物活性和液态中的化学变化，优化了反应条件和提高生物转化效率；引入带有内置加热和冷却功能的物质流动通道，不仅解决了温度控制的问题，还通过基于pid算法的精确温度监控，进一步提升了过程稳定性和反应效率；此外，设计选择性反向循环机制，实现了在发酵过程中产生的反应物质的高效回流，这不仅增强了底物的利用率，也显著提高了最终发酵的效率和质量。