ОПТИМИЗИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ БРОЖЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК C12M1/36 C12M1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу оптимизирования процесса брожения. В частности, настоящее изобретение относится к динамическому способу оптимизирования процесса брожения, улучшающему производительность.

Уровень техники

Брожение представляет собой метаболический процесс, который используют для образования различных продуктов брожения в результате роста микроорганизмов, которые потребляют субстрат. Продукты брожения могут представлять собой микробную биомассу, белки, органические кислоты, аминокислоты, спирт или другие химические соединения.

Процесс брожения является очень сложным процессом, который задействует большое количество переменных, которые могут оказывать воздействие на получающийся в результате выход процесса брожения, и некоторые из данных переменных могут оказаться независимыми, а другие могут оказаться взаимосвязанными, где изменение одной переменной оказывает воздействие на другую (другие) переменную (переменные). Таким образом, процесс брожения включает большое количество сложных взаимодействий нескольких переменных и реакций, которые могут быть (по отдельности или совместно) отрегулированы для оптимизирования представляющего интерес продукта (продуктов) брожения.

Один такой сложный процесс брожения представляет собой брожение в U-образном петлевом ферментере, в частности, брожение для получения белка одноклеточных организмов в U-образном петлевом ферментере, например, в результате брожения при использовании метанотрофных бактерий Methylococcus capsulatus, где основной продукт представляет собой материал биомассы, на основе метана или произведенного из метана субстрата, такого как метанол.

При таком брожении технологическое управление, например, подпиткой субстратом, таким как метан или метанол, во время фазы запуска (периодический процесс и/или периодический процесс с подпиткой) имеет первостепенную важность, поскольку чрезмерно маленькая подпитка субстратом в результате приводит к уменьшенному производству биомассы и, таким образом, получению ухудшенной производительности. В случае избыточной подпитки субстратом, например, метанолом, выход продукции будет падать, и в худшем случае выход незамедлительно упадет до нулевого производства биомассы, и зачастую процесс брожения должен будет быть перезапущен.

Таким образом, во избежание неудачного проведения традиционных процессов брожения, для обеспечения надлежащей производительности процесса брожения и при обеспечении проведения надлежащих запуска, периодического процесса и периодического процесса с подпиткой субстрат, например, метан или метанол, подают при недостаточной подпитке в сопоставлении с оптимальными подпиткой и производительностью приблизительно на 20-40%, что в результате приводит к получению нежелательной низкой производительности.

Таким образом, в промышленности существует потребность в оптимизированном процессе брожения при улучшенной производительности, в частности, во время фазы запуска (периодический процесс и периодический процесс с подпиткой).

Сущность изобретения

Таким образом, одна цель настоящего изобретения относится к системе и способу оптимизирования процесса брожения.

В частности, одна цель настоящего изобретения заключается в предложении системы и способа, которые разрешают вышеупомянутые проблемы предшествующего уровня техники, связанные с низкой степенью успешности подпитки и/или недостаточной подпиткой, например, субстратом, во избежание значительных уменьшений количеств желательного продукта брожения.

Таким образом, один аспект изобретения относится к системе для регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом система включает:

- по меньшей мере один U-образный петлевой ферментер, функционально соединенный с компьютером;

- компьютер, включающий процессор и функционально соединенный с базой данных;

- по меньшей мере одно устройство анализа для многократного предоставления тестового значения по меньшей мере одного параметра из одного U-образного петлевого ферментера;

- интерфейс данных для многократного введения тестового значения по меньшей мере одного параметра в базу данных;

- базу данных, включающую по меньшей мере одно управляющее значение,

где база данных выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих управляющее значение в различные моменты времени, где процессор запрограммирован для:

- выполнения по меньшей мере одного математического анализа тестового значения для предоставления рассчитанного тестового значения и/или управляющего значения для предоставления по меньшей мере одного рассчитанного управляющего значения; и

- выбора на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирования, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в одном U-образном петлевом ферментере.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к способу регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом система включает:

- многократное предоставления по меньшей мере одного тестового значения по меньшей мере одного параметра из одного U-образного петлевого ферментера для по меньшей мере одного устройства анализа;

- многократное введение тестового значения по меньшей мере одного параметра в базу данных компьютера, включающего процессор;

- многократное введение по меньшей мере одного управляющего значения в базу данных компьютера, включающего процессор;

где база данных выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих управляющее значение в различные моменты времени, где процессор запрограммирован для:

- выполнения по меньшей мере одного математического анализа тестового значения для предоставления рассчитанного тестового значения и/или управляющего значения для предоставления по меньшей мере одного рассчитанного управляющего значения; и

- выбора на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирования, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в одном U-образном петлевом ферментере.

Еще один другой аспект настоящего изобретения относится к использованию по меньшей мере одного математического анализа для оптимизирования эксплуатационных характеристик по меньшей мере одного U-образного петлевого ферментера.

Краткое описание фигур

На фигуре 1А демонстрируется U-образный петлевой реактор (100), например, для брожения при использовании метанотрофных бактерий Methanococcus capsulatus; U-образный петлевой реактор (100) включает по существу вертикальную часть с нисходящим потоком (102), по существу вертикальную часть с восходящим потоком (103), U-образную изогнутую часть (104), которая соединяет нижние концы части с нисходящим потоком (102) и части с восходящим потоком (103) и верхнюю часть (101). U-образный петлевой реактор (100), кроме того, включает линейный насос (110), например, расположенный в U-образной части для обеспечения циркулирования сбраживаемой среды в реакторе, впускное отверстие для сред (106); первое впускное отверстие для газа (105); второе впускное отверстие для газа (107); третье впускное отверстие для газа (108) и теплообменник (105).

На фигуре 1В демонстрируется иллюстрация концептуальных элементов, составляющих U-образный петлевой реактор и использованных в математической модели, описывающей производство белка одноклеточных организмов (БОО) в U-образном петлевом реакторе.

На фигуре 2 демонстрируются оптимальные профили запуска (профили периодических вариантов или профили периодических вариантов с подпиткой) и соответствующие концентрации. На фигуре 2а иллюстрируется концентрация биомассы в кг/м³ по мере течения времени (час); на фигуре 2b иллюстрируется концентрация субстрата в кг/м³ по мере течения времени (час); на фигуре 2с иллюстрируется концентрация кислорода в кг/м³ по мере течения времени (час); на фигуре 2d иллюстрируется расход воды в кг/м³ по мере течения времени (час); на фигуре 2е иллюстрируется расход субстрата в кг/м³ по мере течения времени (час); на фигуре 2f иллюстрируется расход газа в кг/м³ по мере течения времени (час). Сокращение I относится к моделированным состояниям в верхнем резервуаре и дополнительно описывается ниже. Сокращение I в последующем изложении также обозначается черным цветом или кривой черного цвета. Сокращение II относится к оптимальным профилям запуска и соответствующим концентрациям в верхнем резервуаре для расчета на компьютере оптимального запуска при использовании одновременного способа и дополнительно описывается ниже. Сокращение II в последующем изложении также обозначается синим цветом или кривой синего цвета. Сокращение III относится к оптимальным профилям запуска и соответствующим концентрациям при использовании P-контроллера и дополнительно описывается ниже. Сокращение III в последующем изложении также обозначается красным цветом или кривой красного цвета. Сокращение IV относится к оптимальной стационарной рабочей точке и дополнительно описывается ниже. Сокращение IV в последующем изложении также обозначается зеленым цветом или кривой зеленого цвета.

На фигуре 3 демонстрируется производительность по биомассе U-образного петлевого реактора, рассчитанная на компьютере при использовании оптимального профиля запуска в стационарном состоянии. Черная область соответствует нулевой производительности. Черный круг указывает на рабочую точку для заданного значения, такого как в случае метанольного субстрата, обрабатываемых переменных при использовании традиционных процессов брожения, а белый/серый круг указывает на рабочую точку для заданного значения, например, в случае метанольного субстрата, обрабатываемых переменных при использовании системы и способа, соответствующих настоящему изобретению. Сокращение m_s относится к массовому расходу субстрата, такому как массовый расход метанола, во время фазы запуска. Сокращение D_U-loop относится к степени разбавления в U-образном петлевом реакторе во время фазы запуска. На правой стороне шкала перехода от 1 до 7 указывает на производительность фазы запуска в кг/м²/час.

Теперь настоящее изобретение будет описываться более подробно в последующем изложении.

Подробное описание изобретения

Продукты брожения, подобные белкам, аминокислотам, органическим кислотам и биомассе, которые зачастую имеют меньшую ценность, чем фармацевтические соединения, приобретают все более и более высокий интерес, однако, обычно отличие стоимости производства продукта брожения по отношению к доходу от продажи продукта брожения зачастую является низкой или даже недопустимой. Таким образом, существует огромный интерес к изменению данного соотношения и приданию данному процессу большей производительности. В соответствии с этим, даже расчет на компьютере и воплощение оптимальных профилей процесса, в частности, профиля запуска, могут быть труднодостижимыми, поскольку оптимальный профиль запуска оказывается нестабильным аттрактором, и запуск зачастую завершается неудачным или медленным или проблематичным процессом запуска, что в результате приводит к неэкономичному производству, изобретатели настоящего изобретения обнаружили вариант моделирования процесса брожения, в частности, составляющей запуск части процесса брожения, что в результате приводит к получению оптимизированного процесса брожения при улучшенной производительности.

В ходе работы при использовании U-образного петлевого ферментера (в частности, во время процесса запуска, включая периодический процесс и/или периодический процесс с подпиткой) требуется сложное математическое моделирование, поскольку различные секции U-образного петлевого ферментера могут оказывать воздействие на процесс брожения различным образом во время процесса запуска (но также и во время периодического процесса или периодического процесса с подпиткой). Таким образом, изобретатели настоящего изобретения к своему удивлению обнаружили вариант разделения U-образного петлевого ферментера на различные элементы, для каждого из которых может быть выполнено индивидуальное математическое моделирование в целях предоставления подходящего для использования математического моделирования всего U-образного петлевого ферментера, поскольку единственный расчет на компьютере был бы недостаточным. В одном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один математический анализ задействует индивидуальное математическое моделирование по меньшей мере одного представителя, выбираемого из верхней части, петлевой части, смесительной части, части, соответствующей рециркуляционному насосу, и/или сепаратора (или выпускного отверстия). Предпочтительно настоящее изобретение включает индивидуальное математическое моделирование верхней части, петлевой части, смесительной части и сепаратора (или выпускного отверстия).

Таким образом, один предпочтительный аспект настоящего изобретения относится к системе для регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом система включает:

- по меньшей мере один U-образный петлевой ферментер, функционально соединенный с компьютером;

- компьютер, включающий процессор и функционально соединенный с базой данных;

- по меньшей мере одно устройство анализа для многократного предоставления тестового значения по меньшей мере одного параметра из одного U-образного петлевого ферментера;

- интерфейс данных для многократного введения тестового значения по меньшей мере одного параметра в базу данных;

- базу данных, включающую по меньшей мере одно управляющее значение,

где база данных выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих управляющее значение в различные моменты времени, где процессор запрограммирован для:

- выполнения по меньшей мере одного математического анализа тестового значения для предоставления рассчитанного тестового значения и/или управляющего значения для предоставления по меньшей мере одного рассчитанного управляющего значения; и

- выбора на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирования, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в одном U-образном петлевом ферментере.

В контексте настоящего изобретения термин «процесс брожения» относится к процессу культивирования микроорганизма или группы микроорганизмов в результате предоставления им возможности воспроизводства в предварительно определенных культурных средах в контролируемых условиях.

Полный процесс брожения задействует несколько ступеней, каждая из которых задействует в значительной степени различные кинетики, различные стехиометрические требования и/или различные потребности в субстрате.

Традиционно процесс брожения может быть разделен на 3 основные ступени - периодическая фаза, периодическая фаза с подпиткой и непрерывная фаза.

Для коммерческого производства, например, в случае белка БОО в U-образном петлевом ферментере, процесс брожения задействует 3 ступени брожения:

- периодическое брожение; которое представляет собой начальное разрастание микроорганизмов, где все требуемые материалы за исключением микроорганизмов предварительно обеззараживают в результате автоклавирования, загружают в реактор, такой как U-образный петлевой ферментер, совместно с микроорганизмами, и процесс начинается. Использованный микроорганизм проходит через все фазы роста (латентная фаза, экспоненциальная фаза и стационарная фаза). В данном режиме эксплуатации условия непрерывно изменяются с течением времени в нестационарной системе и требуют проведения большой работы и наличия большого вмешательства со стороны.

- периодическое брожение с подпиткой; представляет собой биотехнологический рабочий процесс, где во время культивирования реактор, такой как U-образный петлевой ферментер, подпитывают одним или более питательными веществами, и при котором продукт/продукты остаются в реакторе вплоть до конца прогона. Периодическое брожение с подпиткой следует за периодическим брожением и предусматривается для достижения очень высоких концентраций клеток организма, поскольку периодическое брожение потребовало бы использования ингибирующих высоких концентраций питательных веществ и поэтому было бы невозможным. Периодическое брожение с подпиткой получает клеточную культуру для непрерывного брожения.

- непрерывное брожение; представляет собой производственный режим процесса брожения, при котором проводят подпитку микроорганизмов стерильной бродильной средой, которую используют для культивирования микроорганизма, и в то же самое время удаление части сбраживаемой среды, содержащей клетки совместно с отработанной средой, из системы. Это образует уникальный признак непрерывного культивирования, которое представляет собой изменяющееся во времени стационарное состояние, достижения которого можно добиться, и которое делает возможным определение соотношений между условиями окружающей среды и микробиологическим поведением, включающим экспрессию как гена, так и фенотипа.

По финансовым причинам в промышленности существуют интерес и побудительный мотив в отношении обеспечения по возможности наиболее быстрого начала непрерывного и стационарного брожения для экономии времени и издержек и более быстрого и прибыльного предложения продукта БОО на рынок.

В контексте настоящего изобретения запуск процесса брожения включает периодическую фазу и/или периодическую фазу с подпиткой процесса брожения. Предпочтительно запуск процесса брожения может включать периодическую фазу и периодическую фазу с подпиткой процесса брожения. Еще более предпочтительно запуск процесса брожения может включать периодическую фазу процесса брожения.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения система может быть предложена для фазы запуска (периодической фазы) процесса брожения.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения система может быть предложена для периодической фазы с подпиткой процесса брожения.

В еще одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения система может быть предложена для непрерывной фазы процесса брожения.

Микроорганизмом может быть любой микроорганизм, который может представлять собой культуры в U-образном ферментере, таким как бактериальная клетка, дрожжевая клетка, грибковая клетка и/или растительная клетка. Предпочтительно микроорганизм, соответствующий настоящему изобретению, представляет собой бактериальную клетку.

В одном варианте осуществления, соответствующем настоящему изобретению, процесс брожения может быть процессом брожения для получения белка одноклеточных организмов (БОО).

В другом одном варианте осуществления настоящего изобретения процесс брожения может быть процессом бактериального брожения. Предпочтительно бактерии, культивируемые в процессе брожения, включают метанотрофные бактерии, предпочтительно метанотрофные бактерии могут быть бактериями Methylococcus capsulatus.

Система, соответствующая настоящему изобретению, может включать один U-образный петлевой ферментер, который может быть отрегулирован и оптимизирован на основе теоретических данных. Теоретические данные могут включать рассчитанные теоретические данные, необязательно использующие одну или более моделей, представленных в настоящем документе, или теоретические данные могут включать практические данные, полученные от одного или более других U-образных петлевых ферментеров, или теоретические данные могут включать комбинацию из рассчитанных теоретических данных, необязательно использующих одну или более моделей, представленных в настоящем документе, и практических данных, полученных от одного или более других U-образных петлевых ферментеров.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения система включает два и более U-образных петлевых ферментера, функционально соединенных через компьютер.

U-образный петлевой ферментер, соответствующий настоящему изобретению, может быть петлевым ферментером и/или U-образным петлевым ферментером.

Изобретатели настоящего изобретения к своему удивлению обнаружили вариант моделирования процесса брожения, проводимого в U-образном петлевом ферментере, в частности, составляющей запуск части процесса брожения, что в результате приводит к получению оптимизированного процесса брожения при улучшенной производительности. Модель может включать стадию разделения брожения на несколько секций, которые могут быть промоделированы по отдельности при использовании одной или более моделей. Предпочтительно модели включают один или более математических анализов.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один математический анализ задействует корреляцию/соотношение между тестовым значением и управляющим значением.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения математический анализ задействует однофакторный анализ данных; многофакторный анализ данных; или комбинацию из однофакторного анализа данных и многофакторного анализа данных.

В другом одном варианте осуществления настоящего изобретения математический анализ задействует оцениватель состояния. В настоящем контексте термин «оцениватель состояния» относится к состояниям модели на основе всех измерений. Состояния предпочтительно могут представлять собой минимальную информацию, которая компактно обобщает прошлое системы и требуется для прогнозирования будущего развития системы. Оцениватель состояния предпочтительно может включать фильтр Калмана, расширенный фильтр Калмана, сигма-точечный фильтр Калмана, ансамблевый фильтр Калмана, фильтр частиц или оцениватель со скользящим интервалом или разновидность одного или более упомянутых фильтров.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения математический анализ задействует модельный регулятор. В контексте настоящего изобретения термин «модельный регулятор» относится к регулятору, который либо стимулирует переход системы к предварительно определенным значениям уставок, либо, как в экономических регуляторах, сводит к минимуму/доводит до максимума некоторые целевые параметры, например, доводит до максимума прибыль или сводит к минимуму эксплуатационные издержки, относящиеся к процессу. Регулятор использует модель и дает оценку для прогнозирования будущего развития модели в различных сценариях и отбирает наилучший сценарий (набор решений). Модельный регулятор предпочтительно может задействовать управление по модели предсказания, линейный модельный регулятор и/или нелинейный модельный регулятор.

Модельный регулятор, управление по модели предсказания, линейный модельный регулятор и/или нелинейный модельный регулятор могут базироваться на знаниях в отношении физических процессов, химических и биохимических процессов, моделей, управляемых данными, комбинации из моделей, управляемых данными, и моделей, основанных на фундаментальных принципах.

В другом одном варианте осуществления настоящего изобретения модельный регулятор может базироваться на управлении по модели предсказания (MPC), таком как линейное MPC, экономическое линейное MPC, нелинейное MPC, экономическое нелинейное MPC.

Математический анализ может включать комбинацию из одного или более оценивателей (оценивателя) состояния и одного или более модельных регуляторов (регулятора).

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения математический анализ включает модельный контроллер. Модельный контроллер может включать пропорциональный (З) контроллер, пропорционально-интегральный (PI) контроллер, пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) контроллер или их комбинацию.

В отношении процесса запуска, соответствующего настоящему изобретению, который может быть рассмотрен, может потребоваться нестабильный аттрактор - специализированные методики для запуска U-образного петлевого ферментера. В одном варианте осуществления настоящего изобретения процесс брожения представляет собой обыкновенную стратегию на основе обратной связи, может быть использована технология PID-контроллера, которая соответствует описанию изобретения, представленному в настоящем документе.

В соответствии с технологиями нелинейного MPC на основе оптимизирования и/или при расчете на компьютере оптимальной траектории могут быть использованы способы одновременного оптимизирования или оптимизирования при множественной пристрелке.

Математический анализ, предпочтительный в настоящем изобретении, может задействовать модель в пространстве состояний.

Математический анализ может включать комбинацию из одного или более оценивателей (оценивателя) состояний и одного или более модельных контроллеров или одного или более модельных регуляторов (регулятора) и одного или более модельных контроллеров или одного или более оценивателей (оценивателя) состояний; одного или более модельных регуляторов (регулятора) и одного или более модельных контроллеров.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один математический анализ задействует одного или более представителей, выбираемых из моделирования микробиологической кинетики; моделирования производства; моделирования скорости роста; моделирования субстрата; стехиометрического моделирования; механического моделирования (скорости смешивания, размера U-образного петлевого ферментера, расхода, устройств, генерирующих давление, устройств, регулирующих температуру); или моделирования дизайна U-образного петлевого ферментера.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один математический анализ задействует одно или более моделирований, таким образом, как два и более моделирования, например, три и более моделирования, таким образом, как четыре и более моделирования, например, пять и более моделирований, таким образом, как шесть и более моделирований, например, семь и более моделирований, выбираемых из моделирования микробиологической кинетики; моделирования производства; моделирования скорости роста; моделирования субстрата; стехиометрического моделирования; механического моделирования (скорости смешивания, размера U-образного петлевого ферментера, расхода, устройств, генерирующих давление, устройств, регулирующих температуру); или моделирования дизайна U-образного петлевого ферментера.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один математический анализ задействует моделирование одного или более субстратов или метаболитов, ингибирующих рост микроорганизма в U-образном петлевом ферментере. Предпочтительно один или более субстратов или метаболитов, ингибирующих рост микроорганизма в U-образном петлевом ферментере, могут представлять собой метан, метанол, нитрит, нитрат, аммоний, кислоту или их производные.

В случае субстрата, представляющего собой метан, субстрат/метан могут быть образованы в виде биогаза, природного газа, синтез-газа или чистого газообразного метана.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере один математический анализ задействует моделирование одного или более факторов, ингибирующих или уменьшающих рост микроорганизма, присутствующего в U-образном петлевом ферментере. Предпочтительно один или более факторов (фактор) могут включать температуру, давление, расход и/или значение рН.

Математический анализ может задействовать оценку тестового значения по отношению к одному или более управляющим значениям в отношении конкретного параметра. В одном варианте осуществления настоящего изобретения управляющее значение может быть предоставлено в виде по меньшей мере одного рассчитанного управляющего значения.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения процессор может быть выполнен для динамических регулирования и/или оптимизирования процесса брожения на основе множества записей базы данных, представляющих тестовое значение, и множества записей базы данных, представляющих управляющее значение.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения компьютер может быть оснащен моделированием с обратной связью.

В настоящем контексте термин «модулирование с обратной связью» относится к динамической системе, которая изменяет свое поведение с течением времени. Изменение поведения с течением времени может иметь место в ответ на внутреннее стимулирование; внешнее стимулирование или форсирование.

При модулировании с обратной связью на основе внутреннего стимулирования система может динамически изменяться в ответ на различие между тестовым значением (или рассчитанным тестовым значением) и управляющим значением (или рассчитанным управляющим значением).

Термин «модулирование с обратной связью на основе внешнего стимулирования» относится к ситуации, в которой две (и более) динамические системы (U-образные петлевые ферментеры) соединены друг с другом таким образом, чтобы каждая система (U-образный петлевой ферментер) оказывала бы воздействие на другую, и, таким образом, динамика каждой из них была бы сильно сопряженной с динамикой другой. В такой структуре первая система (U-образный петлевой ферментер) может оказывать воздействие на вторую систему (U-образный петлевой ферментер), а вторая система (U-образный петлевой ферментер) может оказывать воздействие на первую систему (U-образный петлевой ферментер), что приводит к получению кругового модулирования.

В одном предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения процессор может быть выполнен для динамических регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, например, на основе моделирования с обратной связью.

В целях предоставления тестовых значений и/или управляющих значений для базы данных система включает один или более устройств анализа для детектирования по меньшей мере одного параметра процесса брожения.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения данный параметр может быть выбран из группы, состоящей из выхода по биомассе, скорости роста биомассы, значения рН, уровня содержания нитрата, уровня содержания растворенного метана, уровня содержания газообразного метана, уровня содержания растворенного кислорода, уровня содержания газообразного кислорода; уровня содержания метанола, уровня содержания нитрита, уровня содержания нитрата, уровня содержания аммония, уровня содержания соли, температуры, давления внутри U-образного петлевого ферментера, расхода, скорости перемешивающего устройства, циркуляционного насоса или давления над барботером газа.

Параметры могут быть проанализированы в одном или более устройствах анализа. Предпочтительно один или более устройств анализа включают одного или более представителей, выбираемых из датчиков, таких как датчики, работающие в режиме реального времени, байпасных систем и тому подобного.

Управляющее значение может быть управляющим значением по меньшей мере одного параметра, и/или управляющее значение может быть управляющим значением по меньшей мере одного параметра управления продуктом.

Система может, кроме того, включать по меньшей мере одно устройство анализа продукта для многократного предоставления устанавливаемого при тестировании продукта значения по меньшей мере одного параметра тестирования продукта из одного U-образного петлевого ферментера.

Система предпочтительно может, кроме того, включать интерфейс данных для многократного введения устанавливаемого при тестировании продукта значения по меньшей мере одного параметра управления продуктом в базу данных.

Параметр управления продуктом может быть выбран из группы, состоящей из выхода по биомассе, скорости роста биомассы, значения рН, уровня содержания нитрата, уровня содержания растворенного метана, уровня содержания газообразного метана, уровня содержания растворенного кислорода, уровня содержания газообразного кислорода или любой их комбинации. Параметр управления продуктом предпочтительно может быть выбран различным образом из по меньшей мере одного параметра процесса брожения.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения управляющее значение может базироваться на наилучшем смоделированном профиле для по меньшей мере одного параметра.

В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения управляющее значение базируется на продукте брожения, полученном в процессе брожения, при предоставлении значения управления продуктом. Предпочтительно продукт брожения отличается от по меньшей мере одного параметра.

В одном дополнительном варианте осуществления настоящего изобретения управляющее значение базируется как на наилучшем смоделированном профиле для по меньшей мере одного параметра, так и на продукте брожения, полученном в процессе брожения, при предоставлении значения управления продуктом. Предпочтительно продукт брожения отличается от по меньшей мере одного параметра.

Один дополнительный аспект настоящего изобретения относится к способу регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом система включает:

- многократное предоставление по меньшей мере одного тестового значения по меньшей мере одного параметра из одного U-образного петлевого ферментера в по меньшей мере одно устройство анализа;

- многократное введение тестового значения по меньшей мере одного параметра в базу данных компьютера, включающего процессор;

- многократное введение по меньшей мере одного управляющего значения в базу данных компьютера, включающего процессор;

где база данных выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих управляющее значение в различные моменты времени, где процессор запрограммирован для:

- выполнения по меньшей мере одного математического анализа тестового значения для предоставления рассчитанного тестового значения и/или управляющего значения для предоставления по меньшей мере одного рассчитанного управляющего значения; и

- выбора на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирования, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в одном U-образном петлевом ферментере.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения управляющее значение является управляющим значением по меньшей мере одного параметра, и/или управляющее значение является управляющим значением по меньшей мере одного параметра управления продуктом.

В соответствии с настоящим изобретением тестовые значения и/или управляющие значения предпочтительно могут быть получены при динамическом интервале формирования выборки.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения тестовые значения и/или управляющие значения предоставляются с интервалом формирования выборки в диапазоне от 1 минуты до 10 часов, таким образом, как в диапазоне от 2 минут до 5 часов, например, в диапазоне от 3 минут до 1 часа, таким образом, как в диапазоне от 4 минут до 30 минут, например, в диапазоне от 5 минут до 10 минут.

Как это необходимо отметить, варианты осуществления и признаки, описанные в контексте одного из аспектов настоящего изобретения, также применяются и к другим аспектам изобретения.

Все ссылки на патентную и непатентную литературу, представленные в настоящей заявке, во всей своей полноте посредством ссылки на них включаются в настоящий документ.

Теперь изобретение будет описываться более подробно в следующих далее неограничивающих примерах.

Пример

Пример 1

В настоящем примере демонстрируется моделирование процесса брожения при использовании метанотрофов Methylococcus capsulatus.

Метанотрофы могут расти на дешевых источниках углерода, таких как метан или метанол. Они характеризуются высоким уровнем содержания белка и могут быть использованы для производства белка одноклеточных организмов (БОО). Белок БОО может быть использован в качестве корма для животных и, тем самым, может поддержать существование растущего народонаселения. В настоящем примере белок БОО производят при использовании U-образного петлевого ферментера. Однако, эксплуатация такого реактора и, в частности, фаза запуска такого брожения являются нетривиальными, и существует повышенный риск неудачи и/или получения уменьшенной производительности процесса. В настоящем примере изобретателями настоящего изобретения была использована математическая модель, которая описывает динамику производства белка БОО в U-образном петлевом ферментере и экономическое оптимизирующее управление, в целях расчета на компьютере оптимального профиля запуска для производства белка БОО в U-образном петлевом ферментере. Расчет на компьютере и воплощение оптимального профиля запуска могут быть труднодостижимыми, поскольку оптимальный профиль оказывается нестабильным аттрактором.

Математическая модель производства белка одноклеточных организмов в U-образном петлевом реакторе

На фигуре 1А демонстрируется диаграмма U-образного петлевого ферментера, а на фигуре 1В демонстрируется иллюстрация концептуальных элементов, составляющих U-образный петлевой реактор и использованных в математической модели, описывающей производство белка одноклеточных организмов (БОО) в U-образном петлевом реакторе.

Субстрат, использованный в настоящем примере, (метанол) совместно с водой и газом (кислородом) подают в реактор на впускном отверстии для сред в верхней части стояка U-образного петлевого контура. Данные потоки подаваемого исходного сырья смешиваются с потоком рецикла из верхнего резервуара, который моделируют как корпусной реактор с непрерывным перемешиванием (КРНП) при постоянном объеме жидкости. Данная двухфазная газо-жидкостная смесь перетекает через U-образную петлевую часть ферментера, которую моделируют как реактор РИВ. Разделение газа и жидкости при поступлении быстротекущего потока в верхний резервуар из стояка U-образного петлевого контура моделируют как статический идеальный газо-жидкостной сепаратор.

Стехиометрия, кинетика и норма выработки

Рост бактерий M. capsulatus может быть аппроксимирован суммарной реакцией (1):

при использовании стехиометрических коэффициентов, представленных в таблице 1.

Таблица 1: Коэффициенты выхода i Y_si [моль/моль] Y_xi [моль/моль] M_wi [г/моль] W_xi [г/г] CH₃OH S 1,000 1,366 32,042 1,778 HNO₃ N 0,146 0,199 63,013 0,510 O₂ O 0,439 0,600 31,999 0,779 CH_1.NO_0,5N_0,2 X 0,732 1,000 24,626 1,000 CO₂ C 0,268 0,366 44,010 0,654 H₂O W 1,415 1,933 18,015 1,414

На конкретную скорость роста µ бактерии M. capsulatus накладывают ограничения субстрат и растворенный кислород:

где факторы конкретной скорости роста определяются соотношениями в виде:

Нормы выработки по биомассе (Х), субстрату (S) и растворенному кислороду (О) представляют собой:

Секция смешивания

Расход жидкости в секции реактора РИВ представляет собой:

Расход на впускном отверстии для газа F_G также является расходом газовой фазы в секции реактора РИВ. Концентрации в жидкой фазе (X, S, O) и газовой фазе (gO) на впуске в секцию реактора РИВ, как это продемонстрировано на фигуре 1В, представляют собой:

где и обозначают концентрацию в рекции реактора КРНП (верхний резервуар).

U-образный контур, смоделированный как реактор РИВ

Граничные условия на впуске в секцию реактора РИВ представляют собой характеристики потока, определяемые скоростью и концентрациями на впуске в виде:

Скорость вычисляют на компьютере в виде v = (F_L+F_G)/A. А представляет собой площадь поперечного сечения U-образной петлевой трубы. Закон сохранения масс в U-образной петлевой трубе описывается следующей далее системой дифференциальных уравнений в частных производных:

для t_a < t < t_b и 0 < z < L. Как это необходимо отметить, концентрации C_i=C_i(t, z) и потоки N_i=N_i(C_i(t, z)) для i ϵ {X, S, O, gO} находятся в зависимости от времени t и местоположения z в U-образной петлевой трубе. Нормы выработки (R_X, R_S, R_O) также находятся в зависимости от времени и местоположения через их зависимость от С_Х, C_S и С_О. Доля газа представляет собой . J_{gl, O} обозначает газо-жидкостной перенос кислорода. Положение на выпуске из реактора РИВ определяется граничными условиями Данквертса

Поток в реакторе РИВ состоит из конвекционной части и диффузионной части, описываемой законом Фика:

Скорость газо-жидкостного переноса кислорода определяется в виде:

где закон Генри в комбинации с законом идеального газа обеспечивает получения концентрации насыщения для кислорода.

Секция газо-жидкостного разделения

При поступлении быстротекущей жидкой смеси в верхний резервуар из U-образной петлевой трубы, как это предполагается, газ и жидкость полностью и моментально разделяются. Это моделируют как идеальный статический газо-жидкостной сепаратор, где газовая фаза полностью удаляется, а жидкая фаза поступает в жидкую фазу верхнего резервуара.

Верхний резервуар, смоделированный как реактор КРНП

Верхний резервуар моделируют как реактор КРНП при постоянном объеме жидкости. Материальные балансы представляют собой:

представляет собой степень разбавления для постоянного объема жидкеости и совокупного расхода при притоке и оттоке . В случае эксплуатации верхнего резервуара при постоянном объеме жидкости расход продукта будет представлять собой . Концентрации на впуске в жидкую фазу верхнего резервуара являются концентрациями для жидкой фазы на выпуске из реактора РИВ

Экономическое оптимизирующее оптимальное управление запуском

Прибыль от эксплуатации представляет собой цену произведенной биомассы (БОО) за вычетом стоимости материалов исходного сырья. Стоимость материалов исходного сырья аппроксимируется стоимостью субстрата и стоимостью кислорода. Это может быть выражено в виде (р_Х представляет собой цену единицы продукции в виде биомассы (БОО), p_S представляет собой стоимость единицы материала в виде субстрата, р_О представляет собой стоимость единицы материала в виде кислорода):

что идентично соотношению

Структура модели такова, что данная функция прибыли увеличивается для увеличивающихся концентраций биомассы С_Х, поскольку R_X = µ(C_S, C_O)C_X. В модель не включаются несколько явлений, например, таких как уменьшенный газо-жидкостной массоперенос при высокой вязкости вследствие высокой концентрации биомассы. Во избежание возникновения нереалистично высоких концентраций биомассы принудительно устанавливают верхнее предельное значение С_Х,max при использовании выходных ограничений:

и предположительно данный максимум значительно уступает предельным значениям, когда, например, газо-жидкостной массоперенос начинает изменяться вследствие вязкостных эффектов. Заявители устанавливают подобные границы и для других концентрационных переменных, но они никогда не являются активными. В дополнение к этому, обрабатываемые переменные (F_W, F_S, F_G) связывают входным ограничением:

Оптимальное управление, определяющее оптимальные запуск и эксплуатацию U-образного петлевого реактора, состоит из вычисления на компьютере профилей обрабатываемых переменных таким образом, чтобы 1) была бы доведена до максимума экономическая целевая функция ɸ, 2) реализовалась бы модель, представлененая в разделе 2, и 3) удовлетворялись бы ограничения (15) и (16). Заявители дикретизируют входной профиль при ииспользовании (кусочно-постоянной) дискретизации с задержкой нулевого порядка. Как это оказывается, оптимальный профиль запуска является нестабильным, и для способа однократной пристрелки схождения не обнаруживается. Способ множественной пристрелки, а также одновременный способ обнаруживают схождение к оптимальному нестабильному профилю запуска. Следовательно, для вычисления на компьютере оптимальных рабочих профилей от начального времени t_a до конечного времени t_b заявители используют одновременный способ.

На фигуре 2 демонстрируются оптимальные профили запуска и соответствующие концентрации в верхнем резервуаре для вычисления на компьютере оптимального запуска при использовании одновременного способа (синий цвет). Черные кривые демонстрируют моделированные состояния в верхнем резервуаре при воплощении оптимального профиля в разомкнутом петлевом контуре. Как это с ясностью следует, оптимальные профили состояния и профили состояния, полученные при воплощении в незамкнутом петлевом контуре, расходятся в окрестности t=8 часов для концентрации субстрата и t=13 часов для концентрации биомассы. Это представляет собой еще одно указание на то, что оптимальный профиль запуска является нестабильным аттрактором. В соответствии с этим, невозможно добиться достижения высокой и прибыльной концентрации биомассы в результате воплощения оптимальных профилей запуска в незамкнутом петлевом контуре. В случае воплощения оптимального профиля запуска при использовании П-контроллера с ограничением для расхода субстрата

достигнутые профили запуска (красные кривые, которые едва отличаются от синих кривых) в очень большой степени напоминают оптимальные профили запуска (синие кривые). Это вполне демонстрирует необходимость наличия обратной связи для оптимального запуска U-образного петлевого ферментера при производстве белка одноклеточных организмов. Зеленые кривые демонстрируют оптимальную стационарную рабочую точку.

Выводы

Заявители представили модель, описывающую динамику производства белка БОО при использовании метанотрофов в U-образном петлевом ферментере. Заявители также представили экономические целевые функции и ограничения, которые могут быть использованы для формулирования проблемы экономического оптимизирующего оптимального управления при производстве белка БОО в U-образном петлевом ферментере. Модель может быть использована для экономического оптимизирующего управления U-образным петлевым ферментером при непрерывном режиме эксплуатации, а также во время запуска. С точки зрения численного решения интересно то, что оптимальный профиль запуска является нестабильным, и для динамического оптимизирования должны быть использованы либо способ множественной пристрелки, либо одновременный способ. Вследствие наличия нестабильности способ однократной пристрелки хорошо не работает. Как это демонстрируют заявители в результате моделирования, экономическое оптимизирующее управление обеспечивает получение оптимального профиля запуска, который является нестабильным.

Поэтому он не может быть воплощен в варианте с разомкнутым контуром, но должен быть стабилизирован при использовании, например, П-контроллера для концентрации субстрата.

Группа изобретений относится к области биотехнологии. Группа изобретений раскрывает систему и способ для регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом система включает: по меньшей мере, один U-образный петлевой ферментер, функционально соединенный с компьютером; компьютер, включающий процессор и функционально соединенный с базой данных; по меньшей мере, одно устройство анализа для многократного предоставления тестового значения по меньшей мере одного параметра из одного U-образного петлевого ферментера; интерфейс данных для многократного введения тестового значения по меньшей мере одного параметра в базу данных; базу данных, включающую по меньшей мере одно управляющее значение; где база данных выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и выполнена с возможностью хранения множества записей базы данных, представляющих управляющее значение в различные моменты времени, где процессор запрограммирован для: выполнения по меньшей мере одного математического анализа тестового значения для предоставления рассчитанного тестового значения и/или управляющего значения для предоставления по меньшей мере одного рассчитанного управляющего значения; и выбора на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирования, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в одном U-образном петлевом ферментере. Изобретение позволяет оптимизировать процесс брожения при улучшенной производительности, в частности, во время фазы запуска. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл., 1 пр.

1. Система для регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом система содержит:

по меньшей мере один U-образный петлевой ферментер, функционально соединенный с компьютером;

компьютер, содержащий процессор и функционально соединенный с базой данных;

по меньшей мере одно устройство анализа для многократного предоставления тестового значения по меньшей мере одного параметра одного U-образного петлевого ферментера;

интерфейс данных для многократного введения этого тестового значения по меньшей мере одного параметра в базу данных;

базу данных, содержащую по меньшей мере одно управляющее значение,

при этом база данных приспособлена для хранения множества записей базы данных, представляющих упомянутое тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и приспособлена для хранения множества записей базы данных, представляющих упомянутое управляющее значение в различные моменты времени,

при этом U-образный петлевой ферментер разделен на элементы, для каждого из которых может быть выполнено индивидуальное моделирование,

причем процессор запрограммирован:

- выполнять по меньшей мере один математический анализ упомянутого тестового значения, обеспечивая рассчитанное тестовое значение, и/или упомянутого управляющего значения, обеспечивая по меньшей мере одно рассчитанное управляющее значение, и

- выбирать на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирование, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в упомянутом одном U-образном петлевом ферментере;

при этом упомянутый по меньшей мере один математический анализ задействует, для по меньшей мере одного из элементов U-образного петлевого ферментера, индивидуальное моделирование одного или более субстратов или метаболитов, ингибирующих рост микроорганизма в U-образном петлевом ферментере, причем эти один или более субстратов или метаболитов представляют собой нитрит, нитрат, аммоний, кислоту или их производное,

при этом процесс брожения является процессом бактериального брожения, причем бактерии, культивируемые в процессе брожения, содержат метанотрофные бактерии.

2. Система по п.1, в которой упомянутый математический анализ задействует оцениватель состояния, причем оцениватель состояния задействует фильтр Калмана, расширенный фильтр Калмана, сигма-точечный фильтр Калмана, ансамблевый фильтр Калмана, фильтр частиц или оцениватель со скользящим интервалом или разновидность одного или более из этих фильтров.

3. Система по любому одному из предшествующих пунктов, в которой

упомянутый математический анализ задействует модельный регулятор, причем этом модельный регулятор задействует управление по модели предсказания, линейный модельный регулятор, нелинейный модельный регулятор, и/или

модельный регулятор основывается на знаниях в отношении физических процессов, химических и биохимических процессов, моделей, управляемых по данным, комбинации из моделей, управляемых по данным, и моделей, основывающихся на фундаментальных принципах, и/или

модельный регулятор базируется на линейном MPC, экономическом линейном MPC, нелинейном MPC, экономическом нелинейном MPC.

4. Система по любому одному из предшествующих пунктов, в которой упомянутый математический анализ задействует модельный контроллер, и/или при этом модельный контроллер задействует пропорциональный (P) контроллер, пропорционально-интегральный (PI) контроллер и/или пропорционально-интегрально-дифференциальный (PID) контроллер.

5. Система по любому из пп.1-4, в которой упомянутое моделирование одного или более субстратов или метаболитов дополнительно включает в себя моделирование метанола.

6. Система по любому одному из предшествующих пунктов, в которой упомянутый по меньшей мере один математический анализ задействует моделирование одного или более факторов, ингибирующих или уменьшающих рост микроорганизма в U-образном петлевом ферментере.

7. Система по любому одному из предшествующих пунктов, при этом система предусмотрена для фазы запуска (периодической фазы) процесса брожения.

8. Система по любому одному из предшествующих пунктов, в которой метанотрофными бактериями являются бактерии Methylococcus capsulatus.

9. Система по любому одному из предшествующих пунктов, в которой упомянутые элементы U-образного петлевого ферментера содержат верхнюю часть, петлевую часть, смесительную часть, часть, соответствующую рециркуляционному насосу, и часть, соответствующую сепаратору.

10. Способ регулирования и/или оптимизирования процесса брожения, проводимого в по меньшей мере одном U-образном петлевом ферментере, при этом способ содержит этапы, на которых:

многократно подают по меньшей мере одно тестовое значение по меньшей мере одного параметра одного U-образного петлевого ферментера в по меньшей мере одно устройство анализа;

многократно вводят это тестовое значение по меньшей мере одного параметра в базу данных компьютера, содержащего процессор;

многократно вводят по меньшей мере одно управляющее значение в базу данных компьютера, содержащего процессор;

при этом база данных приспособлена для хранения множества записей базы данных, представляющих упомянутое тестовое значение по меньшей мере одного параметра в различные моменты времени, и приспособлена для хранения множества записей базы данных, представляющих упомянутое управляющее значение в различные моменты времени,

при этом U-образный петлевой ферментер разделен на элементы, для каждого из которых может быть выполнено индивидуальное моделирование,

при этом процессор запрограммирован:

- выполнять по меньшей мере один математический анализ упомянутого тестового значения, обеспечивая рассчитанное тестовое значение, и/или упомянутого управляющего значения, обеспечивая по меньшей мере одно рассчитанное управляющее значение, и

- выбирать на основе рассчитанного тестового значения и/или рассчитанного управляющего значения регулирование, которое должно быть введено в по меньшей мере один другой U-образный петлевой ферментер, для получения выгоды от изменения, произведенного в упомянутом одном U-образном петлевом ферментере;

при этом упомянутый по меньшей мере один математический анализ задействует, для по меньшей мере одного из элементов U-образного петлевого ферментера, индивидуальное моделирование одного или более субстратов или метаболитов, ингибирующих рост микроорганизма в U-образном петлевом ферментере, причем эти один или более субстратов или метаболитов представляют собой нитрит, нитрат, аммоний, кислоту или их производное,

при этом процесс брожения является процессом бактериального брожения, причем бактерии, культивируемые в процессе брожения, содержат метанотрофные бактерии.