发酵工艺的优化制造技术

本发明专利技术涉及一种用于调节和/或优化在至少一个U形环管式发酵罐中进行的发酵工艺的系统和方法，该系统包括：至少一个U形环管式发酵罐，其可操作地连接到计算机；所述计算机，包括处理器并可操作地连接到数据库；至少一个5分析设备，用于重复提供一个U形环管式发酵罐的至少一个参数的测试值；数据接口，用于在数据库中重复地输入至少一个参数的测试值；所述数据库，包括至少一个控制值；其中所述数据库适于存储表示在各个时间点的所述至少一个参数的测试值的多个数据库条目，并且适于存储表示在各个时间点的控制值的多个10数据库条目，其中所述处理器被编程以：对测试值进行至少一种数学分析，提供计算出的测试值和/或对控制值进行至少一种数学分析，提供至少一个计算出的控制值；和基于计算出的测试值和/或计算出的控制值，选择要引入到至少一个其他U形环管式发酵罐中的调节，以受益于在一个U形环管式发酵罐中所做的改变。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】发酵工艺的优化
本专利技术涉及优化发酵工艺的方法。特别地，本专利技术涉及用于优化发酵工艺以提高生产率的动态方法。
技术介绍
发酵是一种用于从消耗底物的微生物生长提供各种发酵产物的代谢过程。发酵产物可以是微生物生物质、蛋白质、有机酸、氨基酸、醇或其他化合物。发酵工艺是一个非常复杂的过程，涉及大量可能影响发酵工艺产生的结果的变量，这些变量中的一些可以是独立的，而其他变量可是相互关联的，其中一个变量的变化影响其他变量(或多个)。因此，发酵工艺包括可以被(单独地或联合地)调节以优化目标发酵产物(一种或多种)的许多变量和反应的大量复杂相互作用。一种这样的复杂的发酵工艺是在一个U形环管式发酵罐中的发酵，特别是在一个U形环管式发酵罐中的单细胞蛋白质发酵，例如通过发酵甲烷营养菌，荚膜甲基球菌(Methylococcuscapsulatus)，其中主产物是生物质物质，基于甲烷或甲烷衍生的底物，诸如甲醇。在这种发酵中，例如在启动阶段(分批过程和/或补料分批过程)期间，诸如甲烷或甲醇的底物进料的过程控制是最重要的，因为太少的底物进料导致生物质生产减少，从而损害生产率。如果底物(例如甲醇)过量进料，则生产产量将下降，在最坏的情况下，产量将立即下降至生物质生产为零，并且通常必须重新启动发酵工艺。因此，为了避免传统发酵工艺的失败，为发酵工艺提供适当的生产率，并确保适当的启动、分批和补料分批过程，底物(例如甲烷或甲醇)进料不足，低于最佳进料和生产率约20-40％，导致不良的低生产率。因此，工业上需要具有提高的生产率的优化的发酵工艺，特别是在启动阶段(分批过程和补料分批过程)期间。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的涉及用于优化发酵工艺的系统和方法。特别地，本专利技术的一个目的是提供一种系统和方法，该系统和方法解决了现有技术的上述问题，例如，底物的高水平的失败和/或进料不足，从而避免了所需发酵产物的显著减少。因此，本专利技术的一个方面涉及一种用于调节和/或优化在至少一个U形环管式发酵罐中进行的发酵工艺的系统，该系统包括：-至少一个U形环管式发酵罐，其可操作地连接到计算机-计算机，包括处理器并可操作地连接到数据库；-至少一个分析设备，用于重复提供一个U形环管式发酵罐的至少一个参数的测试值；-数据接口，用于在数据库中重复地输入至少一个参数的测试值，-数据库，包括至少一个控制值，其中所述数据库适于存储表示在各个时间点的所述至少一个参数的测试值的多个数据库条目，并且适于存储表示在各个时间点的控制值的多个数据库条目，其中所述处理器被编程以：-对测试值进行至少一种数学分析，提供计算出的测试值，和/或对控制值进行至少一种数学分析，提供至少一个计算出的控制值；和-基于计算出的测试值和/或计算出的控制值，选择要引入到至少一个其他U形环管式发酵罐中的调节，以受益于在一个U形环管式发酵罐中所做的改变。本专利技术的另一方面涉及一种用于调节和/或优化在至少一个U形环管式发酵罐中进行的发酵工艺的方法，该系统包括：-向至少一个分析设备重复提供一个U形环管式发酵罐的至少一个参数的至少一个测试值；-在包括处理器的计算机的数据库中重复输入至少一个参数的测试值；-在包括处理器的计算机的数据库中重复输入至少一个控制值；其中所述数据库适于存储表示在各个时间点的所述至少一个参数的测试值的多个数据库条目，并且适于存储表示在各个时间点的控制值的多个数据库条目，其中所述处理器被编程以：-对测试值进行至少一种数学分析，提供计算出的测试值和/或对控制值进行至少一种数学分析，提供至少一个计算出的控制值；和-基于计算出的测试值和/或计算出的控制值，选择要引入到至少一个其他U形环管式发酵罐中的调节，以受益于在一个U形环管式发酵罐中所做的改变。本专利技术的另一方面涉及至少一种数学分析用于优化至少一个U形环管式发酵罐的性能的用途。附图说明图1A示出了U形环管式反应器(100)，例如用于甲烷营养菌，荚膜甲烷球菌(Methanococcuscapsulatus)的发酵；U形环管式反应器(100)包括基本竖直的下游部分(102)、基本竖直的上游部分(103)、连接下游部分(102)和上游部分(103)的下端的U形弯曲部分(104)以及顶部(101)。U形环管式反应器(100)进一步包括管道泵(110)，例如放置在U形部分用于发酵液在反应器中的循环，培养基入口(106)；第一进气口(105)；第二进气口(107)；第三进气口(108)和热交换器(105)。图1B示出了构成U形环管式反应器并用于描述U形环管式反应器中的单细胞蛋白质(SCP)生产的数学模型的概念性元素的图示。图2示出了最佳启动曲线(分批曲线或补料分批曲线)和相应的浓度。图2a示出了随着时间(h)的生物质浓度(以kg/m3计)；图2b显示了随着时间(h)的底物浓度(以kg/m3计)；图2c示出了随着时间(h)的氧浓度(以kg/m3计)；图2d示出了随着时间(h)的水流量(以kg/m3计)；图2e示出了随着时间(h)的底物流量(以kg/m3计)；图2f显示了随着时间(h)的气体流量(以kg/m3计)。缩写I涉及顶部槽中的模拟状态，并在下面进一步描述。缩写I在下面也表示为黑色或黑色曲线。缩写II涉及当使用同时的方法计算最佳启动时的最佳启动曲线和顶部槽中的相应的浓度，并在下面将进一步描述。缩写II在下面也表示为蓝色或蓝色曲线。缩写III涉及使用P-控制器的最佳启动曲线和相应浓度，并在下面进一步描述。缩写III在下面也表示为红色或红色曲线。缩写IV涉及最佳稳态工作点，并在下面进一步描述。缩写IV在下面也表示为绿色或绿色曲线。图3示出了通过在稳态下的最佳启动曲线计算出的U形环管式反应器生物质生产率。黑色区域对应于零生产率。黑色圆圈表示使用传统发酵工艺的操纵变量的给定值的工作点，诸如底物甲醇，白色/灰色圆圈表示使用根据本专利技术的系统和方法的操纵变量的给定值工作点，诸如底物甲醇。缩写ms涉及启动阶段期间的底物质量速率，诸如甲醇的质量速率。缩写DU形环管涉及启动阶段期间U形环管式反应器的稀释速率。右手侧从1至7表示以kg/m2/小时计的启动阶段的生产率。以下将更详细地描述本专利技术。具体实施方式发酵产物，如蛋白质、氨基酸、有机酸和生物质——通常比药物化合物的价值低，正获得越来越多的关注，但是，通常生产发酵产物的成本相对于来自销售发酵产物的收入之间的差异常常是低的或甚至无法负担。因此，存在改变这种关系并使过程更多产的巨大兴趣。因此，甚至最佳过程曲线特别是启动曲线的计算和实现也可能具有挑战性，因为用于启动的最佳曲线被证明是不稳定的吸引子，并且启动通常以失败或缓慢或麻烦的启动过程——导致不经济的生产——告终，本专利技术的专利技术人发现了对发酵工艺特别是发酵工艺的启动部分进行建模的方法，得到具有改善的生产率的优化的发酵工艺。当用U形环管式发酵罐工作时(尤其是在启动过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于调节和/或优化在至少一个U形环管式发酵罐中进行的发酵工艺的系统，所述系统包括：/n-至少一个U形环管式发酵罐，其可操作地连接到计算机/n-所述计算机，包括处理器并可操作地连接到数据库；/n-至少一个分析设备，用于重复提供一个U形环管式发酵罐的至少一个参数的测试值；/n-数据接口，用于在所述数据库中重复地输入所述至少一个参数的测试值，/n-所述数据库，包括至少一个控制值，/n其中所述数据库适于存储表示在各个时间点的所述至少一个参数的测试值的多个数据库条目，并且适于存储表示在各个时间点的所述控制值的多个数据库条目，其中所述处理器被编程以：/n-对测试值进行至少一种数学分析，提供计算出的测试值和/或对控制值进行至少一种数学分析，提供至少一个计算出的控制值；以及/n-基于所述计算出的测试值和/或所述计算出的控制值，选择要引入到至少一个其他U形环管式发酵罐中的调节，以受益于在所述一个U形环管式发酵罐中所做的改变。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170929 DK PA2017005391.一种用于调节和/或优化在至少一个U形环管式发酵罐中进行的发酵工艺的系统，所述系统包括：
-至少一个U形环管式发酵罐，其可操作地连接到计算机
-所述计算机，包括处理器并可操作地连接到数据库；
-至少一个分析设备，用于重复提供一个U形环管式发酵罐的至少一个参数的测试值；
-数据接口，用于在所述数据库中重复地输入所述至少一个参数的测试值，
-所述数据库，包括至少一个控制值，
其中所述数据库适于存储表示在各个时间点的所述至少一个参数的测试值的多个数据库条目，并且适于存储表示在各个时间点的所述控制值的多个数据库条目，其中所述处理器被编程以：
-对测试值进行至少一种数学分析，提供计算出的测试值和/或对控制值进行至少一种数学分析，提供至少一个计算出的控制值；以及
-基于所述计算出的测试值和/或所述计算出的控制值，选择要引入到至少一个其他U形环管式发酵罐中的调节，以受益于在所述一个U形环管式发酵罐中所做的改变。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述数学分析包括状态估计器，并且，其中所述状态估计器包括卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、无迹卡尔曼滤波器、集合卡尔曼滤波器、粒子滤波器或滚动时域估计器、或者这些滤波器中的一个或多个的变型。


3.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述数学分析包括模型调节器，并且其中所述模型调节器包括模型预测控制、线性模型调节器、非线性模型调节器，和/或其中所述模型调节器基于关于物理过程、关于化学和生化过程、关于数据驱动模型、关于数据驱动模型和第一原理模型的组合的知识，和/或其中所述模型调节器基于线性MPC、经济线性MPC、非线性MPC、经济非线性MPC。


4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，其中，所述数学分析包括模型控制器和/或其中所述模型控制器包括比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊布·克里斯滕森，利安德·彼得森，安德烈·科菲·德雷杰，约翰·巴格尔普·尤根森，斯坦·贝·尤根森，约根·K·H·克努森，
申请(专利权)人：联合生物有限公司，
类型：发明
国别省市：丹麦;DK