[发明专利]利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法

说明书

本发明涉及一种利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，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；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。本发明的利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，该方法既利用微生物制造过程可检测或可观测信息，又充分挖掘细胞生长繁殖过程中不可检测的胞内代谢信息，能够更加有效的实施对生产制造过程运行状况评估及故障监测。

技术领域

本发明涉及工业生物过程控制技术领域，尤其是指一种利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法。

背景技术

随着全球经济发展和社会进步，为了满足人们日益增长的生活需求，以工业微生物技术为代表的小批量、高利润、多品种生产方式受到重视。生物制造过程一般在生物反应器中进行，其可以通过批次生产的方式在一定周期时间内获得经济效益高的产物，比如常用抗生素青霉素的生产，其外源分泌蛋白等一般由生物发酵反应而得。然而在发酵生产过程中经常会出现各类生产状况的失控或运行故障，如果不能及早监测、预警并及时调控，最终会影响生产质量和目标产物的产量。因此，生物制造过程运行状况评估与故障监测，具有重要的实际工程价值。

生物发酵过程中同时存在物化和生化反应，细胞内部机理复杂，而实际生产过程中一般只能检测到温度、pH、通风率、搅拌功率等基本生产工艺变量及一些可观测的细胞外物质浓度，对于细胞内的微观的代谢活动则无法观测，导致现有的发酵生产运行状况评估技术主要依据生产过程中各工艺变量和物质浓度进行综合分析，其监测的实效性和及时性有待提高。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中于细胞内微观的代谢活动无法观测，导致现有的发酵生产运行状况评估不足的问题，提供一种利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，该方法既利用微生物制造过程可检测或可观测信息，又充分挖掘细胞生长繁殖过程中不可检测的胞内代谢信息，能够更加有效的实施对生产制造过程运行状况评估及故障监测。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种利用细胞代谢网络监测生物制造过程的方法，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；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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，所述代谢通量的随时间变化，采集相邻两个时间点之间的代谢通量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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，建立生物发酵过程监测模型包括：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。

在本发明的一个实施例中，在扩展样品数据集时，所述细胞内代谢通量选取全部代谢通量或胞内外交换代谢通量或内部代谢通量。

在本发明的一个实施例中，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。