[发明专利]利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法

权利要求书

1.一种利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：包括如下步骤：

基于代谢网络进行通量均衡分析，得到反映细胞生长与繁殖过程的代谢通量；

将细胞内代谢通量与生产过程变量一起构成训练数据集，建立生物发酵过程监测模型及统计量控制限：将生产过程变量和细胞内代谢通量合并构成扩展样品数据集；对样品数据集进行标准化处理生成标准样品数据集；利用主元分析建立监测模型；确定监测统计指标的控制限；

其中，扩展样本数据集包括生产已有的i个正常批次数据，其中第i批次生产变量数据矩阵为，，N为采样观测点数，O为生产变量数；根据估计所得的代谢通量，选取其中全部或部分代谢通量，若选取L个胞内外交换代谢通量在第批次的数据构成集合，则该批次的生产变量数据与胞内外交换代谢通量合并构成扩展样本数据集，其中；全部i个批次的发酵过程扩展样本数据集则为，按批次方向展开得；

数据集的标准化处理包括将扩展样本数据集标准化变换为均值为0、方差为1的标准训练数据集，近似服从多维正态分布：

其中，mean(G)为G中同一时刻各个批次同一变量的均值，即多批次正常操作下的平均运行轨迹，std(G)是G中同一时刻各个批次同一变量的标准差；

监测模型及控制限的求取包括构造标准数据集的协方差矩阵，利用主元分析建立监测模型，先求取其特征值及其特征向量，按累计方差贡献率从大到小，选取个主元特征值所对应的特征向量,构成载荷矩阵，进而计算的各批次得分向量和残差向量，全部i批次得分向量和残差向量分别构成得分矩阵和残差矩阵，据此求取控制限和SPE控制限；

基于监测模型，利用实时采集的生产过程变量和代谢通量计算值进行运行状况在线监测。

2.根据权利要求1所述的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：所述通量均衡分析过程包括：建立通量均衡方程；建立胞外代谢物浓度与代谢通量的动态关系；根据多批次胞外代谢物浓度采样值估计代谢通量。

3.根据权利要求2所述的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：所述代谢通量随时间变化，采集相邻两个时间点之间的代谢通量根据代谢通量的变化规律对代谢通量进行瞬态特征描述，包括常数、线性函数、二次函数。

4.根据权利要求2所述的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：多批次胞外代谢物浓度采样值根据生产实际来选取，在计算时间间隔内采样一次或多次采样，再进行曲线拟合。

5.根据权利要求2所述的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：在估计代谢通量时，通过求导数、线性规划、二次规划的优化算法求得最优代谢通量。

6.根据权利要求1所述的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：所述运行状况在线监测包括：采集当前批次当前时刻的胞外代谢物浓度和生产过程变量；由胞外代谢物浓度估计获得的代谢通量；将生产过程变量与代谢通量合并构成测试数据集；对测试数据集进行标准化处理生成测试标准数据集；预估填充未来时刻的测试数据；计算统计标准，并与统计量控制限比较。

7.根据权利要求6所述的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，其特征在于：预估填充未来时刻的测试数据的方法包括直接用前若干批次对应时刻的均值数据、或考虑本批次当前及过去时刻实际数据与对应均值数据之差，预估填充未来数据。