基于数据分析模型的微生物发酵优化方法与流程

本发明涉及微生物数据分析，尤其涉及一种基于数据分析模型的微生物发酵优化方法。

背景技术：

1、随着数据科学和人工智能技术的发展，基于新技术的数据分析模型成为实现微生物发酵过程智能化和优化的关键工具，从而为提高发酵效率和产品质量带来了重要的创新和进步，通过引入了在线监测和传感器设备对微生物发酵罐进行参数的实时监测，能够实时采集发酵过程中的关键参数，如温度、ph值、溶氧量、营养物质浓度等，这些数据被传输至中央数据库并通过构建相应的数据分析模型进行发酵的优化处理，能够实时监测发酵过程的动态变化，从而可以识别潜在的优化空间和风险因素。还通过结合了机器学习和优化算法对实时监测得到的发酵参数数据进行训练和模型建立，能够预测和优化发酵过程中的最佳操作条件，优化算法(如遗传算法、粒子群算法等)能够通过迭代优化，自动调整发酵参数，以达到最大化产量、最优化能效和稳定的产品质量。然而，传统的微生物发酵优化方法依赖于经验积累和试错探索，难以精确控制发酵条件和最大化微生物生长速率。

技术实现思路

1、基于此，本发明有必要提供一种基于数据分析模型的微生物发酵优化方法，以解决至少一个上述技术问题。

2、为实现上述目的，一种基于数据分析模型的微生物发酵优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：通过在微生物发酵罐中部署温度传感器、ph传感器、氧气浓度监测器、营养物质浓度监测器以及数据处理单元，并利用温度传感器、ph传感器、氧气浓度监测器以及营养物质浓度监测器对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵参数实时监测，以得到微生物发酵实时温度数据、微生物发酵实时ph值数据、微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据；将微生物发酵实时温度数据、微生物发酵实时ph值数据、微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据通过网络连接传输至数据处理单元内；

4、步骤s2：通过数据处理单元对微生物发酵实时温度数据以及微生物发酵实时ph值数据进行发酵生长环境模拟分析，以生成微生物发酵实时生长环境模拟场；对微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据进行发酵生长动力场设定，生成微生物发酵实时生长速率动力学场；

5、步骤s3：基于微生物发酵实时生长环境模拟场以及微生物发酵实时生长速率动力学场对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵生长代谢分析建模处理，以构建微生物发酵环境约束-生长代谢数据分析模型；

6、步骤s4：基于微生物发酵环境约束-生长代谢数据分析模型对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行微生物发酵优化处理，得到微生物发酵生长代谢目标优化结果。

7、进一步的，步骤s1包括以下步骤：

8、步骤s11：根据温度传感器、ph传感器、氧气浓度监测器、营养物质浓度监测器以及数据处理单元相对应的网络监测覆盖范围在微生物发酵罐内设计传感器网络布置方案，并基于传感器网络布置方案通过在微生物发酵罐中部署温度传感器、ph传感器、氧气浓度监测器、营养物质浓度监测器以及数据处理单元；

9、步骤s12：利用温度传感器对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵温度实时监测，以得到微生物发酵实时温度数据；

10、步骤s13：利用ph传感器对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵ph值实时监测，以得到微生物发酵实时ph值数据；

11、步骤s14：利用氧气浓度监测器对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵氧气浓度实时监测，以得到微生物发酵实时氧气浓度数据；

12、步骤s15：利用营养物质浓度监测器对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵营养物质浓度实时监测，以得到微生物发酵实时营养物质浓度数据；

13、步骤s16：将微生物发酵实时温度数据、微生物发酵实时ph值数据、微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据通过网络连接传输至数据处理单元内。

14、进一步的，步骤s2包括以下步骤：

15、步骤s21：通过数据处理单元对微生物发酵实时温度数据以及微生物发酵实时ph值数据进行时序同步处理，得到微生物发酵温度时序同步数据以及微生物发酵ph值时序同步数据；

16、步骤s22：对微生物发酵温度时序同步数据进行微生物环境温度建模分析，生成微生物发酵环境温度时序变化模拟场；

17、步骤s23：对微生物发酵ph值时序同步数据进行微生物环境ph动态模拟分析，生成微生物发酵环境ph值时序变化模拟场；

18、步骤s24：根据微生物发酵环境温度时序变化模拟场以及微生物发酵环境ph值时序变化模拟场进行生长环境节律影响耦合分析，以生成微生物发酵实时生长环境模拟场；

19、步骤s25：对微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据进行发酵生长动力场设定，生成微生物发酵实时生长速率动力学场。

20、进一步的，步骤s24包括以下步骤：

21、步骤s241：对微生物发酵环境温度时序变化模拟场以及微生物发酵环境ph值时序变化模拟场进行频域变化转换处理，得到微生物发酵温度频域变化模拟场以及微生物发酵ph值频域变化模拟场；

22、步骤s242：对微生物发酵温度频域变化模拟场以及微生物发酵ph值频域变化模拟场进行节律性频率分析，得到微生物发酵温度节律性频率以及微生物发酵ph值节律性频率；

23、步骤s243：基于微生物发酵温度节律性频率对微生物发酵温度频域变化模拟场进行温度频域节律波动分析，得到微生物发酵温度频域节律性波动变化关系；

24、步骤s244：基于微生物发酵ph值节律性频率对微生物发酵ph值频域变化模拟场进行ph值频域节律波动分析，得到微生物发酵ph值频域节律性波动变化关系；

25、步骤s245：基于微生物发酵温度频域节律性波动变化关系以及微生物发酵ph值频域节律性波动变化关系对微生物发酵温度频域变化模拟场以及微生物发酵ph值频域变化模拟场进行生长环境节律影响耦合分析，以生成微生物发酵实时生长环境模拟场。

26、进一步的，步骤s245包括以下步骤：

27、对微生物发酵温度频域节律性波动变化关系以及微生物发酵ph值频域节律性波动变化关系进行频域节律同步交互挖掘分析，得到微生物温度-ph频域节律性同步交互作用关系；

28、对微生物温度-ph频域节律性同步交互作用关系进行频域节律性交互效应模式识别分析，得到微生物温度-ph频域节律性变化交互效应模式；

29、基于微生物温度-ph频域节律性变化交互效应模式对微生物发酵温度频域变化模拟场以及微生物发酵ph值频域变化模拟场进行节律性相位影响约束分析，以生成微生物发酵温度频域节律性相位影响约束以及微生物发酵ph值频域节律性相位影响约束；

30、根据微生物发酵温度频域节律性相位影响约束对微生物发酵温度频域变化模拟场进行温度频域相位动态调整，得到微生物温度频域相位动态调整模拟场；根据微生物发酵ph值频域节律性相位影响约束对微生物发酵ph值频域变化模拟场进行ph值频域相位动态调整，得到微生物ph值频域相位动态调整模拟场；

31、对微生物温度频域相位动态调整模拟场以及微生物ph值频域相位动态调整模拟场进行实时生长环境模拟耦合处理，以生成微生物发酵实时生长环境模拟场。

32、进一步的，步骤s25包括以下步骤：

33、步骤s251：对微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据进行浓度变化曲线绘制，以生成微生物发酵氧气浓度变化曲线以及微生物发酵营养物质浓度变化曲线；

34、步骤s252：对微生物发酵氧气浓度变化曲线进行氧气溶解量统计分析，得到微生物发酵过程氧气实时溶解量；对微生物发酵营养物质浓度变化曲线进行营养物质消耗量统计分析，以得到微生物发酵过程营养物质实时消耗量；

35、步骤s253：根据微生物发酵过程氧气实时溶解量以及微生物发酵过程营养物质实时消耗量对相对应的微生物发酵过程进行微生物生长速率预测分析，以得到微生物发酵过程实时生长速率；

36、步骤s254：对微生物发酵过程实时生长速率进行生长速率传质动力学分析，得到微生物发酵实时生长速率传质动力学参数；

37、步骤s255：基于微生物发酵实时生长速率传质动力学参数对相对应的微生物发酵过程进行发酵生长动力场设定，生成微生物发酵实时生长速率动力学场。

38、进一步的，步骤s255包括以下步骤：

39、对微生物发酵过程进行生长阶段划分，以得到微生物在不同生长阶段内的发酵过程；

40、基于微生物发酵实时生长速率传质动力学参数对微生物在不同生长阶段内的发酵过程进行发酵传质动力过程模拟分析，得到微生物发酵过程在不同生长阶段内的生物质传输动力学模拟过程；

41、对微生物发酵过程在不同生长阶段内的生物质传输动力学模拟过程进行传质动力场融合设定，以生成微生物发酵实时传质动力场；

42、基于微生物发酵实时传质动力场对相对应的微生物发酵过程进行生长速率动态响应模拟，生成微生物发酵实时生长速率动力学场。

43、进一步的，步骤s3包括以下步骤：

44、步骤s31：基于微生物发酵实时生长环境模拟场对微生物发酵罐内相对应的微生物发酵过程进行种群生长环境条件优化分析，以得到微生物发酵过程中不同微生物种群的生长环境最适条件；

45、步骤s32：对微生物发酵过程中不同微生物种群的生长环境最适条件进行生长环境代谢影响约束分析，得到不同微生物种群的生长环境代谢影响约束目标；

46、步骤s33：基于微生物发酵实时生长速率动力学场对微生物发酵罐内相对应的微生物发酵过程进行种群生长代谢动力学特征分析，得到不同微生物种群的生长代谢动力学特征数据；

47、步骤s34：基于不同微生物种群的生长环境代谢影响约束目标对不同微生物种群的生长代谢动力学特征数据进行环境约束分析数学方程建立，以生成微生物种群发酵环境约束-生长代谢数据分析数学方程；

48、步骤s35：根据微生物种群发酵环境约束-生长代谢数据分析数学方程进行发酵生长代谢分析建模处理，以构建微生物发酵环境约束-生长代谢数据分析模型。

49、进一步的，步骤s31包括以下步骤：

50、基于微生物发酵实时生长环境模拟场对微生物发酵罐内相对应的微生物发酵过程进行种群生长环境条件模拟设定，得到每一个微生物种群设定的不同生长环境初始模拟条件；

51、对微生物发酵罐内相对应的微生物发酵过程进行微生物种群空间分布分析，得到每一个微生物种群的生长空间分布位置；

52、通过在每一个微生物种群设定的不同生长环境初始模拟条件下对相对应每一个微生物种群的生长空间分布位置进行种群生长位置分布密度分析，以得到每一个微生物种群在不同生长环境条件下相对应生长空间位置处的微生物分布密度；

53、基于每一个微生物种群在不同生长环境条件下相对应生长空间位置处的微生物分布密度对相对应的生长环境初始模拟条件进行环境偏好量化计算，得到每一个微生物种群在不同生长环境条件下的生长环境偏好值；

54、根据每一个微生物种群在不同生长环境条件下的生长环境偏好值对每一个微生物种群设定的不同生长环境初始模拟条件进行生长环境条件最适筛选处理，以得到微生物发酵过程中不同微生物种群的生长环境最适条件。

55、进一步的，步骤s4包括以下步骤：

56、步骤s41：基于微生物发酵环境约束-生长代谢数据分析模型利用粒子群优化算法对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行生长环境参数优化分析，得到微生物发酵生长环境参数最佳优化结果；

57、步骤s42：对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行发酵生长代谢目标分析，得到微生物发酵过程生长代谢目标；

58、步骤s43：基于微生物发酵生长环境参数最佳优化结果对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行营养物质补充策略及代谢途径优化分析，以生成微生物发酵营养物质补充策略优化方案以及微生物发酵代谢途径优化方案；

59、步骤s44：根据微生物发酵营养物质补充策略优化方案以及微生物发酵代谢途径优化方案对微生物发酵过程生长代谢目标进行微生物发酵优化处理，得到微生物发酵生长代谢目标优化结果。

60、本发明的有益效果：

61、本发明所提出的基于数据分析模型的微生物发酵优化方法，与现有技术相比，本技术的有益效果在于通过在微生物发酵罐内部署多种传感器并设计合理的网络监测布局，是为了全面监测和控制微生物发酵过程中的关键参数，其中温度传感器负责实时监测发酵罐内的温度变化，确保维持适宜的生物反应条件；ph传感器则监测溶液的酸碱度，关键于控制微生物生长环境的稳定性；氧气浓度监测器用于跟踪发酵液中的氧气水平，影响微生物的代谢过程；营养物质浓度监测器则监控发酵液中营养成分的浓度变化，保证微生物有足够的营养来增殖和产生目标产物，这些传感器通过数据处理单元的联合作用，构建了一个综合的监测网络，旨在提高生产效率和产品质量，减少资源浪费和生产成本。同时，通过将以上获得的微生物发酵实时温度数据、ph值数据、氧气浓度数据和营养物质浓度数据通过网络连接传输至数据处理单元，该数据处理单元负责分析和处理这些数据，能够为操作员提供实时的发酵过程状态和趋势分析，通过实时数据的监测和分析，能够及时发现潜在的问题并采取必要的措施，以确保发酵过程的稳定性和产量的优化。其次，通过使用数据处理单元对微生物发酵实时温度数据以及微生物发酵实时ph值数据进行发酵生长环境模拟分析，这一过程旨在通过统计分析和数学建模，以将环境温度和ph值的时序数据进行生长环境的耦合模拟分析，并探讨它们在时间和空间上的交互作用，通过这种耦合模拟分析，可以揭示发酵过程中温度和酸碱度变化之间的关系及其对微生物生长节律的影响，并耦合生成相应的生长环境模拟场，从而为优化发酵条件和提高产量提供科学依据。还通过对微生物发酵实时氧气浓度数据以及微生物发酵实时营养物质浓度数据进行发酵生长动力场设定，以设定发酵生长动力场，这一步骤涉及到根据实时监测的氧气浓度和营养物质浓度数据，建立微生物发酵的生长速率动力学场，这些数据的精确设定能够直接影响微生物的生长速率和最终产物的产量，为实现高效发酵过程提供了重要的操作指导和精确的发酵条件控制手段。然后，通过基于微生物发酵实时生长环境模拟场以及微生物发酵实时生长速率动力学场对微生物发酵罐内相对应的微生物发酵过程进行发酵生长代谢分析建模处理，以构建全面的微生物发酵环境约束-生长代谢数据分析模型，这个模型不仅可以预测微生物在不同环境条件下的生长行为，还可以优化发酵工艺的控制策略，确保微生物在复杂环境中高效运行和生产目标产物。通过这些步骤，能够在微生物发酵生产中实现更精确的微生物发酵过程控制，从而提升生产效率和经济效益，促进生物工艺技术的进一步发展和应用。最后，通过基于微生物发酵环境约束-生长代谢数据分析模型对微生物发酵罐内的微生物发酵过程进行微生物发酵优化处理，这包括使用先前构建得到的数据分析模型调整微生物发酵过程中的操作参数和控制策略，以达到预期的生长和代谢目标，通过这一步骤，能够实现微生物发酵过程的最大化微生物生长速率和最优质量的产物生产，从而提升微生物发酵工业生产的效率和经济效益。