塔格糖酶转化过程中自适应温度控制系统及方法与流程

本发明属于温度控制，具体的说是塔格糖酶转化过程中自适应温度控制系统及方法。

背景技术：

1、塔格糖（tagatose）是一种天然单糖，是半乳糖的同分异构体。作为一种填充型甜味剂，塔格糖有着很重要的保健功能，主要体现在四个方面：低能量、降血糖、改善肠道菌群和抗龋齿的作用，现阶段由于生活水平的提高，人们对高脂高糖的食品摄入过多，肥胖症已经成为严重的社会问题。塔格糖的外形和口感都与蔗糖一样，但是其产生的热量只有蔗糖的三分之一，是蔗糖的一种很好的替代物。因此，塔格糖的生产和应用对于解决肥胖症和糖尿病等社会问题具有重要意义。

2、塔格糖酶是催化乳糖转化为塔格糖的关键酶，但其催化效率和稳定性受温度影响显著。

3、现有技术中的温度控制方法大多是固定温度或简单的反馈控制，无法实时适应转化过程中的温度变化，导致酶活性不稳定，产率下降。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了塔格糖酶转化过程中自适应温度控制系统及方法，建立塔格糖转化反应装置，并将建立的塔格糖转化反应装置初始化，利用温度传感器实时监测塔格糖转化反应装置内反应溶液的温度，并将监测的温度数据传输至控制系统，建立控制模型，包括温度对塔格糖酶活性的影响模型和反应温度与塔格糖酶反应速率之间的数学模型，对塔格糖转化反应温度和酶活性进行实时监测，利用自适应调节控制策略，根据温度控制模型和反应温度与酶活性之间的数学模型，对塔格糖转化反应时的温度进行自适应调节控制，实时调整反应器内温度，根据酶活性和温度变化，动态修正控制参数，确保反应温度始终处于最优范围，直至反应完成，记录塔格糖产量数据，反应结束后，停止加热和冷却装置，排出反应液，清洗反应釜及相关设备，定期维护温度传感器和控制系统，确保下次反应过程的稳定运行。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、塔格糖酶转化过程中自适应温度控制方法，包括以下具体步骤：

4、建立塔格糖转化反应装置，并将建立的塔格糖转化反应装置初始化；

5、利用温度传感器实时监测塔格糖转化反应装置内反应溶液的温度，并将监测的温度数据传输至控制系统；

6、建立控制模型，包括温度对塔格糖酶活性的影响模型和反应温度与塔格糖酶反应速率之间的数学模型，对塔格糖转化反应温度和酶活性进行实时监测；

7、利用自适应调节控制策略，根据温度控制模型和反应温度与酶活性之间的数学模型，对塔格糖转化反应时的温度进行自适应调节控制；

8、实时调整反应器内温度，根据酶活性和温度变化，动态修正控制参数，确保反应温度始终处于最优范围，直至反应完成，记录塔格糖产量数据；

9、反应结束后，停止加热和冷却装置，排出反应液，清洗反应釜及相关设备，定期维护温度传感器和控制系统，确保下次反应过程的稳定运行。

10、具体的，所述将建立的塔格糖转化反应装置初始化，包括：

11、设备连接，将反应釜、温度传感器、加热装置、冷却装置及控制系统连接完毕；

12、预热反应釜，将反应釜内温度预热至初始设定温度，一般为35℃-45℃；

13、加入反应物，向反应釜中加入糖溶液和塔格糖酶，搅拌均匀。

14、具体的，所述建立控制模型，包括温度对塔格糖酶活性的影响模型和反应温度与酶反应速率之间的数学模型，具体步骤包括：

15、建立温度对塔格糖酶活性的影响模型，具体公式为：

16、，

17、其中，表示温度对塔格糖酶活性的影响模型，即塔格糖酶的活性，表示塔格糖酶的最大活性，表示反应釜的当前温度，表示当前反应条件下的最优温度，表示温度标准差，表示指数函数；

18、建立反应温度与塔格糖酶反应速率之间的数学模型，具体公式为：

19、，

20、其中，表示反应温度与塔格糖酶反应速率之间的数学模型，即塔格糖酶的反应速率，表示塔格糖最大反应速率，表示米氏常数，表示温度敏感性系数，表示反应釜中的底物浓度；

21、根据塔格糖产量最大化原则，设定目标函数，具体公式为：

22、，

23、其中，max表示最大值函数，表示综合目标函数。

24、具体的，所述综合目标函数的具体公式为：

25、，

26、其中，表示塔格糖的产量，塔格糖产量p(t)与酶活性e(t)和反应时间成正比，表示塔格糖的反应效率，反应效率η(t)考虑了温度对酶稳定性的影响。

27、具体的，所述塔格糖的产量，计算公式为：

28、，

29、其中，表示塔格糖的产量，表示与反应条件相关的常数，t表示反应时间；

30、塔格糖的反应效率，计算公式为：

31、，

32、其中，表示塔格糖的反应效率。

33、具体的，所述自适应调节控制策略，包括：

34、根据温度对塔格糖酶活性的影响模型和反应温度与酶反应速率之间的数学模型，计算当前反应条件下的最优温度，计算公式为：

35、，

36、其中，表示塔格糖酶的最高活性温度，表示活化能，表示气体常数，表示当前条件下的反应速率常数，表示最高活性温度下的反应速率常数，in（）表示对数函数；

37、计算塔格糖酶反应时的温度调整量，具体计算公式为：

38、，

39、其中，表示塔格糖酶反应时的温度调整量，表示塔格糖的浓度，表示塔格糖浓度随时间的变化率，和表示经验系数；

40、根据计算出的塔格糖酶反应时温度调整量，通过pid控制器对反应釜温度进行实时调节，确保温度始终接近最优值。

41、具体的，所述通过pid控制器对反应釜温度进行实时调节，包括：

42、利用自适应pid控制对反应釜温度进行实时调节，自适应pid控制的具体公式为：

43、，

44、其中，表示自适应pid控制的输出，x表示反应釜反应的时间，表示比例增益，调整系统响应速度，表示积分增益，消除稳态误差，表示微分增益，提高系统的稳定性和响应速度，、和表示自适应因子，表示求绝对值，表示系统的误差，表示目标控制值与实际控制值偏差的积分。

45、塔格糖酶转化过程中自适应温度控制系统，包括：初始化模块，数据采集与传输模块，控制模型建立模块，温度自适应调节模块，实时监测调节模块和设备清洗整理模块；

46、所述初始化模块，用于建立塔格糖转化反应装置，并将建立的塔格糖转化反应装置初始化；

47、所述数据采集与传输模块，用于利用温度传感器实时监测塔格糖转化反应装置内反应溶液的温度，并将监测的温度数据传输至控制系统；

48、所述控制模型建立模块，用于建立控制模型，包括温度对塔格糖酶活性的影响模型和反应温度与塔格糖酶反应速率之间的数学模型，对塔格糖转化反应温度和酶活性进行实时监测；

49、所述温度自适应调节模块，用于利用自适应调节控制策略，根据温度控制模型和反应温度与酶活性之间的数学模型，对塔格糖转化反应时的温度进行自适应调节控制；

50、所述实时监测调节模块，用于实时调整反应器内温度，根据酶活性和温度变化，动态修正控制参数，确保反应温度始终处于最优范围，直至反应完成，记录塔格糖产量数据；

51、所述设备清洗整理模块，用于反应结束后，停止加热和冷却装置，排出反应液，清洗反应釜及相关设备，定期维护温度传感器和控制系统，确保下次反应过程的稳定运行。

52、具体的，所述控制模型建立模块包括：酶活性模型单元和反应速率模型单元；

53、所述酶活性模型单元，用于建立温度对塔格糖酶活性的影响模型；

54、所述反应速率模型单元，用于建立反应温度与塔格糖酶反应速率之间的数学模型。

55、具体的，所述温度自适应调节模块包括：最优温度计算单元，温度调节量单元和自适应控制单元；

56、所述最优温度计算单元，用于计算反应釜当前反应条件下的最优温度；

57、所述温度调节量单元，用于计算塔格糖酶反应时的温度调整量；

58、所述自适应控制单元，用于利用自适应pid控制对反应釜温度进行实时调节。

59、一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现塔格糖酶转化过程中自适应温度控制方法的步骤。

60、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，当计算机指令运行时执行塔格糖酶转化过程中自适应温度控制方法的步骤。

61、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

62、1.本发明提出塔格糖酶转化过程中自适应温度控制方法，自适应温度控制能够根据反应进程实时调整温度，确保塔格糖酶在最佳温度范围内工作，稳定的温度控制有助于减少副产物的生成，提升最终产品的纯度、质量和转化效率。

63、2.本发明提出塔格糖酶转化过程中自适应温度控制方法，在最佳温度条件下操作，可以减少塔格糖酶的失活速度，延长塔格糖酶的使用寿命，降低生产成本。

64、3.本发明提出塔格糖酶转化过程中自适应温度控制方法，减少了对人工操作的依赖，降低了操作人员的劳动强度和人为错误的可能性，具有重要的工业应用价值。