CN115948622A - 微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微生物发酵控制领域，具体提供了一种微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质，所述微生物发酵控制方法包括：采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出底物消耗速率；根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。本发明通过精确的量化控制补料，实现对于聚羟基脂肪酸酯整个发酵过程的实时监测及精准控制，有效提高PHA的生产强度和发酵稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微生物发酵领域，尤其涉及一种微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯(PHA)主要以糖类或脂类物质作为碳源发酵来生产，为了保证达到较高的PHA产量，通常需要对整个发酵过程进行调控，常用的发酵过程控制工艺大多以酸碱度、溶氧、温度、压力等参数作为控制策略的依据或手段，然而这些参数大多只能反映出反应体系的物化特性，在通过这些参数实现发酵过程的控制时，由于控制过程的不稳定，会降低发酵生产能力，最终影响发酵的产量及发酵质量。
发明内容
本发明提供一种微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质，用以解决现有微生物发酵技术存在的发酵生产能力低下技术缺陷，本发明能够基于尾气监测数据调整补料速率，进而量化调控发酵过程，提高发酵过程稳定性。
第一方面，本发明提供了一种微生物发酵控制方法，包括：
采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；
输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出底物消耗速率；
根据所述底物消耗速率确定的补料速度指令；
所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
根据本发明提供的微生物发酵控制方法，所述尾气监测数据包括氧气消耗速率、二氧化碳生成速率、PHA合成耗氧速率、PHA合成CO2释放速率、细胞呼吸耗氧速率、细胞呼吸CO2释放速率。
根据本发明提供的微生物发酵控制方法，所述定量关系模型，用于基于氧气消耗速率、二氧化碳生成速率以及底物转化率之间建立的定量关系计算出所述底物消耗速率；
所述定量关系模型具体执行以下步骤：
根据所述二氧化碳生成速率以及第一系数确定二氧化碳生成分量；
根据所述氧气消耗速率以及所述二氧化碳生成分量确定消耗差值；
根据所述消耗差值以及第二系数确定消耗分量；
根据所述消耗分量以及底物转化率确定底物消耗速率；
所述第一系数由细胞呼吸耗氧速率与细胞呼吸CO2释放速率计算而来；所述第二系数由所述第一系数、PHA合成耗氧速率以及PHA合成耗氧量、PHA合成CO2释放速率计算而来。
根据本发明提供的微生物发酵控制方法，还包括：
输入所述氧气消耗速率至发酵阶段确认模型，由所述发酵阶段确认模型确认当前的目标发酵阶段，基于当前的目标发酵阶段确认补料程序的开始与结束；
以及基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度。
根据本发明提供的微生物发酵控制方法，所述目标发酵阶段包括发酵初始阶段、发酵增长阶段、发酵稳定阶段以及发酵衰亡阶段，对应的补料控制区间分别为：预设补料速度、第一补料控制区间、第二补料控制区间、第三补料控制区间；
所述预设补料速度、所述第一补料控制区间、所述第二补料控制区间、所述第三补料控制区间的数值为预设的补料速度。
根据本发明提供的微生物发酵控制方法，所述微生物为能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物，包括以下菌属的微生物：气单胞菌属、产碱菌属、固氮菌属、芽孢杆菌属、梭菌属、盐杆菌属、诺卡氏菌属、红螺菌属、假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、动胶菌属。
第二方面，还提供了一种微生物发酵控制装置，包括：
采集单元：用于采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；
分析单元：用于输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析；由所述定量关系模型输出底物消耗速率；
确定单元：用于根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；
所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
根据本发明所述的微生物发酵控制装置，所述分析单元还包括：用于输入所述氧气消耗速率至发酵阶段确认模型，由所述发酵阶段确认模型确认当前的目标发酵阶段，基于当前的目标发酵阶段确认补料程序的开始与结束；以及用于基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度。
第三方面，还提供了一种微生物发酵控制***，包括所述的微生物发酵控制装置，用于根据所述尾气监测数据控制微生物的发酵过程；
还包括：
发酵罐，用于为微生物提供发酵环境；
尾气进样管路，用于从所述发酵罐中采集尾气；
流量分配器，用于流量调节；
尾气质谱分析装置，用于分析尾气的组分信息；
尾气状态监测单元，用于获取尾气监测数据；
所述微生物为能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物。
第四方面，还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的微生物发酵控制方法。
第五方面，还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的微生物发酵控制方法。
本发明提供了一种微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质，在聚羟基脂肪酸酯的发酵过程中实时获取输入尾气监测数据，实时将尾气监测数据输入至定量关系模型后确定底物消耗速率，实时准确的分析得到当前需补料速度；另外，可进一步根据所述底物消耗速率结合从聚羟基脂肪酸酯的实时发酵阶段相对应的补料控制区间内调整补料速度指令，可实现对于包括聚羟基脂肪酸酯发酵的新工艺等过程的所有阶段的补料控制，本发明通过利用实时采集的尾气数据以及精确可调控的量化控制模型进行补料，实现了对于聚羟基脂肪酸酯整个发酵过程的实时监测以及精准控制，有效提高了PHA的生产强度和发酵稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的微生物发酵控制方法的流程示意图；
图2是本发明提供的发酵阶段确认模型的流程示意图；
图3是本发明提供的根据定量关系计算出底物消耗速率的流程示意图；
图4是本发明提供的微生物发酵控制***的结构示意图；
图5是采用本发明提供的微生物发酵控制方法的效果展示图；
图6是本发明提供的微生物发酵控制装置的结构示意图；
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明中所指的微生物包括能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物，具体包括以下菌属的微生物：气单胞菌属、产碱菌属、固氮菌属、芽孢杆菌属、梭菌属、盐杆菌属、诺卡氏菌属、红螺菌属、假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、动胶菌属，为了更准确的对本发明中的具体实施方案进行描述，本发明以生产聚羟基脂肪酸酯(PHA)的微生物为例，在后述实施例中的所有发酵控制方法均以生产聚羟基脂肪酸酯(PHA)的微生物作为描述对象，但这并不应当被解释为本发明仅能对聚羟基脂肪酸酯(PHA)进行发酵控制，在此不予赘述。
聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种由微生物合成的生物高分子聚酯化合物，在微生物细胞内以颗粒状的内含物形式存在，具有良好的生物相容性、可降解性、可塑性，PHA作为一种优异的生物可降解材料，在纺织业、农业、食品、医疗卫生等领域已经显现出巨大的潜力。目前，以脂类物质为碳源的发酵过程会存在底物监测难、泡沫过高、过程不稳定等问题，如：以油脂作为底物发酵PHA过程，底物油脂过多会出现发酵过程泡沫过多，影响发酵过程的稳定性，底物油脂过少会导致生产强度不足，降低发酵的生产能力，故本发明为了解决上述技术问题，为了有效提高PHA的生产强度和发酵稳定性，提供了一种用于制备聚羟基脂肪酸酯的发酵控制方法，以高效、准确、及时的方法来对整个发酵过程进行实时监测和精准控制，图1是本发明提供的微生物发酵控制方法的流程示意图，包括：
采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；
输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析；由所述定量关系模型输出底物消耗速率；
根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；
所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
在步骤101中，采集制备聚羟基脂肪酸酯的发酵过程的尾气监测数据，以PHA生产菌株为出发菌株，经过斜面筛选、菌株活化、一级种子培养、二级种子培养工序等处理获得高活性的种子液，将高活性的种子液转接至装有PHA发酵培养基的发酵罐中，控制发酵培养条件，并对发酵过程中的多维参数实时监控，以获取在监控聚羟基脂肪酸酯的发酵过程中实时的尾气监测数据。所述尾气监测数据包括不限于：氧气消耗速率、二氧化碳生成速率、PHA合成耗氧速率、PHA合成CO2释放速率、细胞呼吸耗氧速率、细胞呼吸CO2释放速率。
可选地，所述PHA生产菌株是能够在细胞内积累PHA的微生物，包括但不限于气单胞菌属、产碱菌属、固氮菌属、芽孢杆菌属、梭菌属、盐杆菌属、诺卡氏菌属、红螺菌属、假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、动胶菌属等。可选地，所述微生物可以为自解脂产碱菌(Alcaligenes lipolytica)、广泛产碱菌(Alcaligenes latus)、罗氏真养菌(Ralstoniaeutropha)、铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)、红球菌(Rhodococcus opacus)和枯草芽孢杆菌(Bacillussubtilis)等。
可选地，在所述高活性的种子液的获取过程中，二级种子培养时间为8小时至14小时，转接发酵培养基前溶氧600为3至7，接种量为1-10％。
可选地，在本发明中所表述的聚羟基脂肪酸酯PHA包括但不限于聚-β-羟丁酸PHB，3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物PHBV、3-羟基丁酸与3-羟基己酸的共聚酯PHBHHx、聚-3-羟基丁酸酯-4-羟基丁酸酯P34HB。
可选地，所述发酵培养基组成为：油脂10～20g/L，磷酸氢二钠1～5g/L、磷酸二氢钾0.5～2g/L、硫酸铵3～5g/L、七水硫酸镁0.1～0.5g/L。
可选地，所述发酵培养条件至少包括将温度控制在28℃至34℃之间，将酸碱度pH控制在6.3至7.2之间，将转速控制在200rpm至1200rpm之间，将压力控制在0.02MPa至0.1MPa之间。
可选地，所述尾气监测数据包括氧气消耗速率以及二氧化碳生成速率，本领域技术人员理解，对发酵过程中的多维参数实时监控中将获取到空气中氧气所占体积百分数、空气中二氧化碳所占体积百分数、空气中氮气所占体积百分数、尾气中氧气所占体积百分数、尾气中二氧化碳所占体积百分数、尾气中氮气所占体积百分数、空气流量、气体摩尔体积以及发酵液体积等参数，而所述氧气消耗速率以及二氧化碳生成速率则是根据上述具体参数计算而确定的，具体地，所述氧气消耗速率通过如下公式确定：
式(1)中，OUR为氧气消耗速率，O2(Reference)为空气中氧气所占体积百分数，O2为尾气中氧气所占体积百分数，N2(Reference)为空气中氮气所占体积百分数，N2为尾气中氮气所占体积百分数，Fm为空气流量，Vm为气体摩尔体积，V为发酵液体积。
相应地，所述二氧化碳生成速率通过如下公式确定：
式(2)中，CER为二氧化碳生成速率，CO2(Reference)为空气中二氧化碳所占体积百分数，CO2为尾气中二氧化碳所占体积百分数，N2(Reference)为空气中氮气所占体积百分数，N2为尾气中氮气所占体积百分数，Fm为空气流量，Vm为气体摩尔体积，V为发酵液体积。
在步骤102中，输入所述尾气监测数据至定量关系模型，获取所述定量关系模型输出的底物消耗速率。
所述定量关系模型能够反映出输入尾气监测数据与底物消耗速率的定量关系，即根据氧气消耗速率以及二氧化碳生成速率，即能确定与之相对应的底物消耗速率。
具体的所述底物消耗速率可根据上式(1)式(2)确定，可以参考如下公式：
式(3)中，Vs为底物消耗速率，α为第二系数，OUR为氧气消耗速率，β为第一系数，CER为二氧化碳生成速率，Yeild为底物到产物的转化率。所述第一系数β由细胞呼吸耗氧速率与细胞呼吸CO2释放速率计算而来；所述第二系数α由所述第一系数β、PHA合成耗氧速率以及PHA合成耗氧量、PHA合成CO2释放速率计算而来。
在步骤103中，根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；其中，所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。本发明以尾气监测数据为主要依据，建立尾气监测数据与底物消耗速率的定量关系模型，根据模型反馈结果来精准调控补料流加速度，实现发酵过程状态的精准监控和控制，保证发酵高效稳定运行。
可选的，本发明提供的微生物发酵控制方法还包括：输入所述氧气消耗速率至发酵阶段确认模型，由所述发酵阶段确认模型确认当前的目标发酵阶段，基于当前的目标发酵阶段确认补料程序的开始与结束。以及基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度。
可选地，所述发酵阶段确认模型，用于根据所述氧气消耗速率从所有发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系中确定出的目标发酵阶段。根据所述氧气消耗速率从所有发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系中确定出目标发酵阶段，所述所有发酵阶段是根据聚羟基脂肪酸酯PHA随着时间的变化而所处的不同发酵阶段，可选地，所述所有发酵阶段包括发酵初始阶段、发酵增长阶段、发酵稳定阶段以及发酵衰亡阶段，而不同发酵阶段下氧气消耗速率将存在明显区别，故本发明能够根据所述氧气消耗速率来确定聚羟基脂肪酸酯PHA所处的不同发酵阶段。当确定为发酵初始阶段时，不下发补料速度指令，也就是无需进行补料，补料程序未开始；当确定为发酵增长阶段时，开始下发补料指令，即补料程序开始执行；当处于发酵衰亡期末时，发酵过程结束，确认不再下发补料速度指令，即补料程序结束。
在步骤103中，根据所述目标发酵阶段控制并调整补料指令，以及根据所述底物消耗速率确定补料指令中的补料速度，每一发酵阶段具备与之相对应的补料控制区间，所述补料控制区间用于控制补料速度，本发明以尾气监测数据为主要依据，建立尾气监测数据与底物消耗速率的定量关系模型，根据模型反馈结果来精准调控补料流加速度，实现发酵过程状态的精准监控和控制，保证发酵高效稳定运行。
可选的，所述目标发酵阶段包括发酵初始阶段、发酵增长阶段、发酵稳定阶段以及发酵衰亡阶段，对应的补料控制区间分别为：预设补料速度、第一补料控制区间、第二补料控制区间、第三补料控制区间。
在本发明中所补的料为油脂，所述油脂包括但不限于食用植物油以及动物油，其中，所述食用植物油包括但不限于大豆油、棕榈油、花生油、玉米油、菜籽油、花生油、芝麻油、芥花籽成品油、精炼椰子油、米糠原油、棉籽原油、稻米成品油、精炼红花油、亚麻籽成品油、花椒成品油；所述动物油包括但不限于鱼油、鸡油、牛油、羊油和猪油。
本发明所确定的所述预设补料速度、所述第一补料控制区间、所述第二补料控制区间、所述第三补料控制区间的数值为预设的补料速度。
可选地，本发明中采用的预设的补料速度，包括根据基于历史数据中的底物消耗速率，以及与底物消耗速率时刻相对应的目标发酵阶段中确定出处于补料控制区间范围内的补料速度，通过这样的历史样本数据，在发酵过程以实时的底物消耗速率作为参数指标调整流加补油的速率，例如，对于新开发或新的发酵工艺，在发酵过程中依据补料控制区间的预设值进行发酵，发酵同时利用本发明获得实时底物消耗速率进行调整，因此在整个发酵过程中，可最大限度提高PHA的生产强度，提高PHA发酵效率，解决了发酵基质中补油速度过大导致补油过多油脂积累造成的生产速率下降，以及补油数度过小可能导致的发酵液泡沫过高的技术问题。
本领域技术人员理解，PHA发酵是一个耗氧过程，微生物细胞呼吸的变化侧面反映出了细胞的代谢状态，因此结合氧气消耗速率以及二氧化碳生成速率来实现发酵过程的实时监控，对实现发酵过程精准控制、提高生产效率和稳定性等具有重要意义，本发明能够有效提高PHA发酵过程稳定性和生产强度的方法，针对不同发酵阶段的生长特性差异，通过实时监控发酵过程中尾气检测参数变化，建立尾气检测参数与底物消耗速率的定量关系模型，从而实时监控底物的消耗速率，精准控制流加补料速率，实现发酵过程的实时监测和精准控制，适用于大规模工业化生产。
本发明提供了一种微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质，在聚羟基脂肪酸酯的发酵过程中实时获取输入尾气监测数据，实时将尾气监测数据输入至定量关系模型后确定底物消耗速率，根据所述底物消耗速率结合聚羟基脂肪酸酯的实时发酵阶段相对应的补料控制区间内调控补料速度指令，进而实现对于聚羟基脂肪酸酯的发酵所有阶段的补料控制，本发明通过分阶段的量化控制补料，实现了对于聚羟基脂肪酸酯整个发酵过程的实时监测以及精准控制，有效提高了PHA的生产强度和发酵稳定性。
可选地，在根据所述氧气消耗速率从所有发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系中确定出目标发酵阶段之前，包括：
在氧气消耗速率为0或小于第一预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵初始阶段；
在氧气消耗速率大于或等于第一预设阈值，且小于第二预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵增长阶段；
在氧气消耗速率大于或等于第二预设阈值，且小于第三预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵稳定阶段；
在氧气消耗速率出现开始减小的迹象，小于第三预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵衰亡阶段；
根据所述发酵初始阶段、所述发酵增长阶段、所述发酵稳定阶段以及所述发酵衰亡阶段中每一发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系构建所述所有发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系。
在氧气消耗速率大于或等于第一预设阈值，且小于第二预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵初始阶段，所述氧气消耗速率可选地为0mmol/L/h，所述第一预设阈值可选地为60mmol/L/h，即在氧气消耗速率大于或等于0mmol/L/h，且小于60mmol/L/h的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵初始阶段。
在氧气消耗速率大于或等于第一预设阈值，且小于第二预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵增长阶段，所述第二预设阈值可选地为120mmol/L/h，即在氧气消耗速率大于或等于60mmol/L/h，且小于120mmol/L/h的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵增长阶段。
在氧气消耗速率大于或等于第二预设阈值，且小于第三预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵稳定阶段，所述第三预设阈值可选地为160mmol/L/h，即在氧气消耗速率大于或等于120mmol/L/h，且小于160mmol/L/h的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵稳定阶段。
在氧气消耗速率开始出现减小的趋势，且小于第三预设阈值的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵衰亡阶段，即在氧气消耗速率开始小于160mmol/L/h的情况下，可选的如在120mmol/L/h到140mmol/L/h的范围内的情况下，确定所述氧气消耗速率所对应时刻的聚羟基脂肪酸酯处于发酵衰亡阶段。
在这样的实施例中，实时对所述氧气消耗速率进行监测，根据所述氧气消耗速率确定聚羟基脂肪酸酯所处发酵阶段，具体地，细胞在初始底油条件下生长，即发酵初始阶段，补料速率为0；细胞进入指数增长期后，即发酵增长阶段，OUR在60-120mmol/L/h之间，补料速度根据底物消耗速率进行调节；细胞进入生长稳定期，即发酵稳定阶段，OUR在120-160mmol/L/h之间，补料速度根据底物消耗速率进行调节；细胞逐渐进入衰亡期，即发酵衰亡阶段，OUR在120-140mmol/L/h之间，补料速度根据底物消耗速率进行调节。
根据所述发酵初始阶段、所述发酵增长阶段、所述发酵稳定阶段以及所述发酵衰亡阶段中每一发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系构建所述所有发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系，在本发明所给出的实施方案中共具备四个阶段，而在其他的发酵控制中，还可以具备三个阶段、五个阶段甚至更多，而每一发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系所组成的对应关系集合即为所述所有发酵阶段与氧气消耗速率的对应关系。
图2是本发明提供的发酵阶段确认模型的流程示意图，所述发酵阶段确认模型还用于：
基于当前氧气消耗速率，确认发酵初始阶段以及与预设补料速度的对应关系；
基于当前氧气消耗速率，确认发酵增长阶段以及与第一补料控制区间的对应关系；
基于当前氧气消耗速率，确认发酵稳定阶段以及与第二补料控制区间的对应关系；
基于当前氧气消耗速率，确认发酵衰亡阶段以及与第三补料控制区间的对应关系；
所述预设补料速度、所述第一补料控制区间、所述第二补料控制区间、所述第三补料控制区间的数值为预设的补料速度。
可选地，所述基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度指令，包括：
在所述目标发酵阶段为发酵初始阶段的情况下，无需补料。在一个可选地实施例中，所述预设补料速度为0，即无需对正在发酵的聚羟基脂肪酸酯进行补料，而也可以根据预设补料速度补充少量油脂，即根据预设补料速度生成补料速度指令。本领域技术人员理解，补油时间点为刚开始加入在培养基的油脂消耗一段时间后开始补料，主要依靠OD值来决定是否开始补料，OD是发酵培养基浓度、色度、菌体量和菌体伸长膨大的一个综合性指标。一般情况下，OD大于或等于30时，可以开始补料。
在所述目标发酵阶段为发酵增长阶段、发酵稳定阶段或发酵衰亡阶段的情况下，根据预设补料速度进行补油，之后再结合实时的底物消耗速率Vs作为当前时刻需要的补油速率，进行调控补油速率。
在步骤201中，确认所述发酵初始阶段与预设补料速度的对应关系，在聚羟基脂肪酸酯的发酵处于发酵初始阶段的情况下，确定预设补料速度，所述预设补料速度可选地为0，即在所述聚羟基脂肪酸酯的发酵初始阶段的整个阶段中，无需对正在发酵的聚羟基脂肪酸酯进行补料。
在步骤202中，确认所述发酵增长阶段与第一补料控制区间的对应关系，在聚羟基脂肪酸酯的发酵处于发酵增长阶段的情况下，所述第一补料控制区间的数值，包括所述发酵增长阶段开始补料的所述底物消耗速率至所述发酵稳定阶段开始前的所述底物消耗速率，所述第一补料控制区间可选地为3g/L/h至5g/L/h，即在发酵增长阶段下，根据3g/L/h至5g/L/h的速率控制补料速度。
在步骤203中，确认所述发酵稳定阶段与第二补料控制区间的对应关系，在聚羟基脂肪酸酯的发酵处于发酵稳定阶段的情况下，所述第二补料控制区间的数值，包括所述发酵稳定阶段开始补料的所述底物消耗速率至所述发酵衰亡阶段开始前的所述底物消耗速率，所述第二补料控制区间可选地为5g/L/h至10g/L/h，即在发酵稳定阶段下，根据5g/L/h至10g/L/h的速率控制补料速度。
在步骤204中，确认所述发酵衰亡阶段与第三补料控制区间的对应关系，在聚羟基脂肪酸酯的发酵处于发酵衰亡阶段的情况下，所述第三补料控制区间的数值，包括所述发酵衰亡阶段开始补料的所述底物消耗速率至发酵结束的所述底物消耗速率，所述第三补料控制区间可选地为3g/L/h至6g/L/h，即在发酵衰亡阶段下，根据3g/L/h至6g/L/h的速率控制补料速度。
在另一个可选地实施例中，还可以根据所述底物消耗速率以及每一补料控制区间的补料速度建立线性拟合关系，或构建指数函数拟合关系，以根据不同的底物消耗速率确定在每一补料控制区间内的不同补料速度。
图3是本发明提供的根据定量关系计算出底物消耗速率的流程示意图，所述定量关系模型，用于基于氧气消耗速率、二氧化碳生成速率以及底物转化率之间建立的定量关系计算出所述底物消耗速率；
所述定量关系模型具体包括以下执行步骤：
根据所述二氧化碳生成速率以及第一系数确定二氧化碳生成分量；
根据所述氧气消耗速率以及所述二氧化碳生成分量确定消耗差值；
根据所述消耗差值以及第二系数确定消耗分量；
根据所述消耗分量以及底物转化率确定底物消耗速率。
具体地，尾气监测数据与底物消耗速率定量关系模型建立过程如下：
OUR＝OUR1+OUR2 (4)
CER＝CER1+CER2 (5)
式(4)以及式(5)中，OUR为氧气消耗速率，CER为二氧化碳生成速率，OUR1为PHA合成耗氧速率，OUR2为细胞呼吸耗氧速率，CER1为PHA合成CO2释放速率，CER2为细胞呼吸CO2释放速率。
进一步地，PHA合成耗氧速率与CO2释放速率比值k1为：
进一步地，细胞呼吸耗氧速率与CO2释放速率比值β为：
进一步地，有
根据合成1克PHA需要消耗k2克氧气，则PHA合成速率Vp为：
假设油脂到PHA的转化率为Yield，则底物消耗速率Vs为：
令
则得到
即式(3)。
在步骤301中，根据所述二氧化碳生成速率以及第一系数β的乘积确定二氧化碳生成分量，所述第一系数的取值范围可选的1至3之间。
在步骤302中，根据所述氧气消耗速率以及所述二氧化碳生成分量的差值确定消耗差值，具体地，通过将所述氧气消耗速率减去所述二氧化碳生成分量确定所述消耗差值。
在步骤303中，根据所述消耗差值以及第二系数的乘积确定消耗分量，所述第二系数α的取值范围可选0.5至0.8之间。
在步骤304中，根据所述消耗分量以及底物到产物的转化率的商值确定底物消耗速率，具体地，可以参考上公式(3)，这里不在赘述，可选的，所述底物到产物的转化率的取值范围为0.65至0.9。
图4是本发明提供的微生物发酵控制***的结构示意图，本发明公开了一种微生物的发酵控制***，包括微生物发酵控制装置6，用于根据所述尾气监测数据控制微生物的发酵过程；
还包括：发酵罐1，用于为微生物提供发酵环境；
尾气进样管路2，用于从所述发酵罐中采集尾气；
流量分配器3，用于流量调节；
尾气质谱分析装置4，用于分析尾气的组分信息；
尾气状态监测单元5，用于获取尾气监测数据；
所述微生物为能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物。
在本发明中，发酵过程中的多维度的参数将通过尾气质谱分析装置4来实现，而尾气状态监测单元5则用于获取尾气监测数据，发酵尾气通过尾气进样管路2从发酵罐1经过流量分配器3进行流量调节，之后进入到尾气质谱分析装置4中，进入到所述尾气质谱分析装置4中的体积流量为0～2L/min，所述尾气质谱分析装置4可以有效检测到尾气中氧气浓度、二氧化碳浓度、氮气浓度等一系列组分浓度的变化，之后尾气质谱分析装置4将检测到的结果信息传输至尾气状态监测单元5，即可实时监测尾气中各成分的浓度含量信息，最后基于尾气监测参数与底物消耗速率定量关系模型，实时调节微生物发酵控制装置6来调整补料速度。具体地，尾气监测数据与底物消耗速率定量关系模型的建立过程参考上述过程，这里不再赘述。
本发明还包括存储器及存储在所述存储器上并可在所述微生物发酵控制装置6上运行的程序或指令，所述程序或指令被所述微生物发酵控制装置6执行时执行所述用于制备聚羟基脂肪酸酯的发酵控制方法，该方法包括：采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；分别输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析；由所述定量关系模型输出底物消耗速率；根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
为了验证本发明能够对整个发酵过程起到实时监测、精准控制的作用，并验证本发明能够提高PHA产量，提高PHA生产强度，提高底物到产物的转化率，本发明将结合如下实验例进行阐述说明：
作为本发明的对比实验例1，不采用本发明的控制方法，采用现有的程序补料的形式，即按照经验设定的数值区间对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：以罗氏真养菌为底盘菌株发酵PHBHHx，首先在30℃、200rpm的条件下进行一级活化培养，培养至10左右，之后以1％(v/v)接种至种子培养基中在30℃、200rpm下培养10h，种子培养基为蛋白胨10g/L、酵母粉3g/L、硫酸铵3g/L。
发酵培养：以10％的接种量接种于35L的灭菌后的发酵培养基中，发酵条件为温度控制在30℃、pH控制在6.5、通风量控制在1vvm，转速控制在200rpm，压力控制在0.04MPa，发酵培养基为棕榈油10g/L，磷酸氢二钠1g/L、磷酸二氢钾2g/L、硫酸铵3g/L、七水硫酸镁0.2g/L。
按照经验设定的过程：
发酵0～10h，搅拌转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，以3g/L/h的补油速率恒速流加补油；
发酵30～50h，调整补油速率到6g/L/h；
发酵50～56h，调整补油速率到4g/L/h，维持至下罐，最终下罐时，PHA产量为8.40kg，PHA生产强度为3g/L/h，底物到产物的转化率为80％。
实验例1：相比于对比实验例1，采用本发明的控制方法，对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
尾气定量关系模型构建：根据发酵控制条件，建立尾气监测参数，实现在尾气状态监测软件监测尾气参数指标OUR、CER，同时建立尾气监测数据与底物消耗速率的定量关系式。
基于本发明的发酵控制得到如下过程：
发酵0～10h，所述搅拌的转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，开始流加补料，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率控制在3.3～4.3g/L/h之间；
发酵30～50h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到4.3～6.4g/L/h；
发酵50～56h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到4.6～5.0g/L/h；最终下罐时，相比于第一对比实施例的程序补料发酵，采用定量模型补料模式下的PHA产量提高了23.3％，达到10.36kg，PHA生产强度提高了16.3％，达到3.49g/L/h，底物到产物的转化率从80％提高到85％。
作为本发明的对比实验例2，不采用本发明的控制方法，采用现有的程序补料的形式，即按照经验设定的数值区间对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：发酵培养基为大豆油10g/L，其他同对比实验例1，这里不再赘述。
按照经验设定的过程：
发酵0～10h，搅拌转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，以3g/L/h的补油速率恒速流加补油；
发酵30～50h，调整补油速率到5g/L/h；
发酵50～56h，调整补油速率到3g/L/h，维持至下罐，最终下罐时，发酵结果如表1所示，PHA产量为6.75kg，PHA生产强度为2.41g/L/h，底物到产物的转化率为75％。
实验例2：相比于对比实验例2，采用本发明的控制方法，对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：发酵培养基为大豆油10g/L，其他同对比实验例1，这里不再赘述。
尾气定量关系模型构建：根据发酵控制条件，建立尾气监测参数，实现在尾气状态监测软件监测尾气参数指标OUR、CER，同时建立尾气监测参数与底物消耗速率的定量关系式。
基于本发明的发酵控制得到如下过程：
发酵0～10h，所述搅拌的转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，开始流加补料，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率控制在3～4g/L/h之间；
发酵30～50h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到3.5～5.5g/L/h；
发酵50～56h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到4.0～5.0g/L/h；最终下罐时，发酵结果相比于程序补料发酵，采用定量模型补料模式下的PHA产量提高了15.6％，达到7.8kg，PHA生产强度提高了15.8％，达到2.79g/L/h，底物到产物的转化率从75％提高到78％。
作为本发明的对比实验例3，不采用本发明的控制方法，采用现有的程序补料的形式，即按照经验设定的数值区间对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：以罗氏真养菌为底盘菌株发酵PHB，其他，同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
按照经验设定的过程：
发酵0～10h，搅拌转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，以3g/L/h的补油速率恒速流加补油；
发酵30～50h，调整补油速率到4.5g/L/h；
发酵50～56h，调整补油速率到3.5g/L/h，维持至下罐，最终下罐时，PHA产量为6.65kg，PHA生产强度为2.38g/L/h，底物到产物的转化率为76％。
实验例3：相比于对比实验例3，采用本发明的控制方法，对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：以罗氏真养菌为底盘菌株发酵PHB，其他，同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
尾气定量关系模型构建：根据发酵控制条件，建立尾气监测参数，实现在尾气状态监测软件监测尾气参数指标OUR、CER，同时建立尾气监测参数与底物消耗速率的定量关系式。
基于本发明的发酵控制得到如下过程：
发酵0～10h，所述搅拌的转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，开始流加补料，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率控制在3～4g/L/h之间；
发酵30～50h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到3～4.5g/L/h；
发酵50～56h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到3～3.5g/L/h；最终下罐时，第三实施例相比于第三对比实施例，采用定量模型补料模式下的PHA产量提高了5.6％，达到7.02kg，PHA生产强度提高了5.5％，达到2.51g/L/h，底物到产物的转化率从76％提高到78％。
为了进一步验证本发明的发酵控制过程是否适用于不同的发酵条件，本发明还做了不同活性菌株、不同培养基、不同转速等条件下的实验例：
实验例4：采用高活性种子，并利用本发明的控制方法，对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：以3％(v/v)接种至种子培养基中，其他同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
尾气定量关系模型构建：根据发酵控制条件，建立尾气监测参数，实现在尾气状态监测软件监测尾气参数指标OUR、CER，同时建立尾气监测参数与底物消耗速率的定量关系式。
基于本发明的发酵控制得到如下过程：
发酵0～10h，所述搅拌的转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，开始流加补料，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率控制在4～5g/L/h之间；
发酵30～50h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到6～8g/L/h；
发酵50～56h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到4～5g/L/h；最终下罐时，在高活性种子以及定量模型补料模式下，PHA产量进一步提高，达到12.18kg，PHA生产强度达到3.95g/L/h，底物到产物的转化率为82％。
实验例5：采用不同发酵培养基，利用本发明的控制方法，对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：发酵培养基为棕榈油20g/L，磷酸氢二钠1g/L、磷酸二氢钾2g/L、硫酸铵3g/L、七水硫酸镁0.1g/L，其他同对比实验例1，这里不再赘述。
尾气定量关系模型构建：根据发酵控制条件，建立尾气监测参数，实现在尾气状态监测软件监测尾气参数指标OUR、CER，同时建立尾气监测参数与底物消耗速率的定量关系式。
基于本发明的发酵控制得到如下过程：
发酵0～10h，所述搅拌的转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，开始流加补料，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率控制在3.5～4.5g/L/h之间；
发酵30～50h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到5～7g/L/h；
发酵50～56h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到4.5～6.5g/L/h；最终下罐时，在不同培养基以及定量模型补料模式下，PHA产量达到10.61kg，PHA生产强度达到3.64g/L/h，底物到产物的转化率为85％。
实验例6：采用不同转速，利用本发明的控制方法，对发酵生产PHA的过程进行补料：
种子培养：同对比实验例1，这里不再赘述。
发酵培养：发酵条件为温度控制在30℃、pH控制在6.5、通风量控制在1vvm，转速控制在300rpm，压力控制在0.04MPa，其他同对比实验例1，这里不再赘述。
尾气定量关系模型构建：根据发酵控制条件，建立尾气监测参数，实现在尾气状态监测软件监测尾气参数指标OUR、CER，同时建立尾气监测参数与底物消耗速率的定量关系式。
基于本发明的发酵控制得到如下过程：
发酵0～10h，所述搅拌的转速与溶氧偶联控制在30％，最高转速300rpm；
发酵10～30h，开始流加补料，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率控制在3.3～4.3g/L/h之间；
发酵30～50h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到5.5～8.5g/L/h；
发酵50～56h，基于实时底物消耗速率Vs，实时调整补油速率，补油速率到6.5～4.5g/L/h；最终下罐时，在提高转速以及定量模型补料模式下，PHA产量达到10.79kg，PHA生产强度达到3.71g/L/h，底物到产物的转化率为83％。
为了方便查看不同的影响因素与PHA产量、PHA生产强度以及底物到产物的转化率之间的对应关系，本发明总结上述对比实验例1-3、实验例1-6的各个参数以及试验结果，如下表1所示。
表1
其中，补油量代表在发酵结束时的总的油脂添加质量，PHA产量代表在发酵结束时PHA浓度和发酵体积的乘积，PHA生产强度代表发酵过程平均PHA合成速度，底物到产物转化率代表产物PHA与底物油脂质量的比值。
如图5所示，图5为采用本发明提供的微生物发酵控制方法的效果展示图，其中进一步比较了对比实验例1-3以及实验例1-6的PHA生产强度以及底物到产物转化率(底物转化率)，可以直观的看到，在生产强度以及底物转化效率上相比较，实验例1-3分别比对应的对比实验例1-3更好；且即使是不同发酵条件下，如实验例4-6的生产强度及底物转化率也高于对比实验例1，同时结合实验例1，可验证本发明提供的控制方法的稳定性比较高。
本发明提供了一种微生物发酵控制方法、装置、***、设备及介质，以聚羟基脂肪酸酯的发酵过程为例，在聚羟基脂肪酸酯的发酵过程中实时获取输入尾气监测数据，实时将尾气监测数据输入至定量关系模型后确定底物消耗速率，根据所述底物消耗速率结合聚羟基脂肪酸酯的实时发酵阶段相对应的补料控制区间内调控补料速度指令，进而实现对于聚羟基脂肪酸酯的发酵所有阶段的补料控制，本发明通过精确的量化控制补料，实现了对于聚羟基脂肪酸酯整个发酵过程的实时监测以及精准控制，有效提高了PHA的生产强度和发酵稳定性。
图6是本发明提供的微生物发酵控制装置的结构示意图，以聚羟基脂肪酸酯的发酵控制过程为例，本发明提供了一种用于制备聚羟基脂肪酸酯的发酵控制装置，包括：
采集单元51：用于采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；
分析单元52：用于输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析；由所述定量关系模型输出底物消耗速率；
确定单元53：用于根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；
所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
本发明提供的一种微生物发酵控制装置中，所述分析单元还包括：用于输入所述氧气消耗速率至发酵阶段确认模型，由所述发酵阶段确认模型确认当前的目标发酵阶段，基于当前的目标发酵阶段确认补料程序的开始与结束；以及用于基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度。
图7是本发明提供的电子设备的结构示意图。如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)610、通信接口(Communications Interface)620、存储器(memory)630和通信总线640，其中，处理器610，通信接口620，存储器630通过通信总线640完成相互间的通信。处理器610可以调用存储器630中的逻辑指令，以执行微生物发酵控制方法，该方法包括：采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；分别输入所述尾气监测数据至发酵阶段确认模型以及定量关系模型进行数据分析；由所述发酵阶段确认模型输出目标发酵阶段，由所述定量关系模型输出底物消耗速率；根据所述底物消耗速率结合目标发酵阶段的补料控制区间来调控补料速度指令；所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
此外，上述的存储器630中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，计算机程序可存储在非暂态计算机可读存储介质上，所述计算机程序被处理器执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的一种微生物发酵控制方法，该方法包括：采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；分别输入所述尾气监测数据至发酵阶段确认模型以及定量关系模型进行数据分析；由所述发酵阶段确认模型输出目标发酵阶段，由所述定量关系模型输出底物消耗速率；根据所述底物消耗速率结合目标发酵阶段的补料控制区间确定或调控补料速度指令；所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供微生物发酵控制方法，该方法包括：采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；分别输入所述尾气监测数据至发酵阶段确认模型以及定量关系模型进行数据分析；由所述发酵阶段确认模型输出目标发酵阶段，由所述定量关系模型输出底物消耗速率；根据所述底物消耗速率结合目标发酵阶段的补料控制区间确定或调控补料速度指令；所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种微生物发酵控制方法，其特征在于，包括：
采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；
输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出底物消耗速率；
根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；
所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
2.根据权利要求1所述的微生物发酵控制方法，其特征在于，所述尾气监测数据包括氧气消耗速率、二氧化碳生成速率、PHA合成耗氧速率、PHA合成CO2释放速率、细胞呼吸耗氧速率、细胞呼吸CO2释放速率；
所述定量关系模型，用于基于氧气消耗速率、二氧化碳生成速率以及底物转化率之间建立的定量关系计算出所述底物消耗速率；
所述定量关系模型具体执行以下步骤：
根据所述二氧化碳生成速率以及第一系数确定二氧化碳生成分量；
根据所述氧气消耗速率以及所述二氧化碳生成分量确定消耗差值；
根据所述消耗差值以及第二系数确定消耗分量；
根据所述消耗分量以及底物转化率确定底物消耗速率；
所述第一系数由细胞呼吸耗氧速率与细胞呼吸CO2释放速率计算而来；所述第二系数由所述第一系数、PHA合成耗氧速率以及PHA合成耗氧量、PHA合成CO2释放速率计算而来。
3.根据权利要求2所述的微生物发酵控制方法，其特征在于，所述的微生物发酵控制方法还包括：
输入所述氧气消耗速率至发酵阶段确认模型，由所述发酵阶段确认模型确认当前的目标发酵阶段，基于当前的目标发酵阶段确认补料程序的开始与结束；
以及基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度。
4.根据权利要求3所述的微生物发酵控制方法，其特征在于，
所述目标发酵阶段包括发酵初始阶段、发酵增长阶段、发酵稳定阶段以及发酵衰亡阶段，对应的补料控制区间分别为：预设补料速度、第一补料控制区间、第二补料控制区间、第三补料控制区间；
所述预设补料速度、所述第一补料控制区间、所述第二补料控制区间、所述第三补料控制区间的数值为预设的补料速度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的微生物发酵控制方法，其特征在于，所述微生物为能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物，包括以下菌属的微生物：气单胞菌属、产碱菌属、固氮菌属、芽孢杆菌属、梭菌属、盐杆菌属、诺卡氏菌属、红螺菌属、假单胞菌属、罗尔斯通氏菌属、动胶菌属。
6.一种微生物发酵控制装置，其特征在于，包括：
采集单元：用于采集微生物的发酵过程的尾气监测数据；
分析单元：用于输入所述尾气监测数据至定量关系模型进行数据分析；由所述定量关系模型输出底物消耗速率；
确定单元：用于根据所述底物消耗速率确定补料速度指令；
所述补料速度指令用于指示根据补料速度向发酵过程中补料。
7.根据权利要求6所述的微生物发酵控制装置，其特征在于，包括：
所述分析单元还包括：用于输入氧气消耗速率至发酵阶段确认模型，由发酵阶段确认模型确认当前的目标发酵阶段，基于当前的目标发酵阶段确认补料程序的开始与结束；以及用于基于当前的目标发酵阶段，确认所述目标发酵阶段对应的补料控制区间；基于所述补料控制区间的数值结合所述底物消耗速率调控所述补料速度。
8.一种微生物发酵控制***，其特征在于，包括权利要求6或7所述的微生物发酵控制装置，用于根据所述尾气监测数据控制微生物的发酵过程；
还包括：
发酵罐，用于为微生物提供发酵环境；
尾气进样管路，用于从所述发酵罐中采集尾气；
流量分配器，用于流量调节；
尾气质谱分析装置，用于分析尾气的组分信息；
尾气状态监测单元，用于获取尾气监测数据；
所述微生物为能够在细胞内积累聚羟基脂肪酸酯的微生物。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5中任一项所述的微生物发酵控制方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5中任一项所述的微生物发酵控制方法。
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