[发明专利]定量关系模型及应用、细胞状态监测方法、装置、系统

说明书

本发明涉及发酵监测领域，具体提供了一种定量关系模型及应用、细胞状态监测方法、装置、系统，所述细胞状态监测方法包括：采集微生物的发酵过程的当前发酵尾气参数；输入所述当前发酵尾气参数至定量关系模型进行数据分析，由所述定量关系模型输出当前发酵体系中的细胞比生长速率以及细胞浓度，以表征当前发酵体系的细胞培养状态。本发明基于历史数据及反映细胞呼吸强度的各参数建立微生物生长特性预测模型，实时、准确获得细胞比生长速率、净生物量等参数，从而能够实时、准确的检测发酵过程菌株细胞的培养状态，有效评价菌株的生长性能，为菌株开发提供深层次信息，为发酵过程控制提供参考和指导作用。

技术领域

本发明涉及微生物发酵及发酵监测领域，尤其涉及一种定量关系模型及应用、细胞状态监测方法、装置、系统。

背景技术

细胞比生长速率、细胞浓度这些微生物的细胞培养状态大多需要通过离线检测，基于数据驱动的模型方法获取，依赖于生物过程的后验分析，具有明显的滞后性，从而无法了解各过程变量是如何影响细胞功能，无法了解各过程变量如何导致细胞或产物的浓度变化。

发明内容

本发明提供一种定量关系模型及应用、细胞状态监测方法、装置、系统，用以解决现有技术无法实现细胞培养状态实时监测的技术缺陷，本发明利用定量关系模型实现对于细胞培养状态的实时监控。

第一方面，提供了一种定量关系模型，所述定量关系模型的构建方法包括：

获取不同发酵工况、不同生产菌株以及不同发酵时间状态下的所有历史发酵尾气参数、历史细胞培养状态参数；

建立发酵尾气参数与细胞培养状态参数的定量关系，由所述定量关系确定所述定量关系模型的模型参数；

将所有历史发酵尾气参数、历史细胞培养状态参数代入至所述定量关系中进行模型训练，获得在不同发酵工况、不同生产菌株以及不同发酵时间状态下，每一模型参数所对应的模型参数初始值，得到所述定量关系模型；

所述定量关系模型用于根据当前发酵尾气参数，预测当前发酵体系中的当前细胞培养状态参数；

其中，所述细胞培养状态参数包括细胞比生长速率以及细胞浓度。

在本发明提供的构建方法中，所述历史发酵尾气参数是指历史采集的发酵过程中的尾气参数；所述历史细胞培养状态参数包括历史细胞比生长速率以及历史细胞浓度，由历史检测的生物量参数来确定；所述生物量参数包括历史采集的发酵过程中的生物量浓度、发酵目标产物含量。根据本发明提供的定量关系模型，所述发酵尾气参数选自耗氧速率、二氧化碳生成速率和呼吸熵中的任一种。

根据本发明提供的定量关系模型，所述发酵尾气参数选自耗氧速率，所述耗氧速率包括细胞生长耗氧速率和细胞维持耗氧速率；

其中，建立发酵尾气参数与细胞培养状态参数的定量关系，由所述定量关系确定所述定量关系模型的模型参数，包括：

基于所述细胞生长耗氧速率与细胞生长速度的关系，以及所述细胞维持耗氧速率与细胞浓度的关系，建立所述耗氧速率与所述细胞比生长速率定量关系及所述耗氧速率与所述细胞浓度的定量关系；

由所述耗氧速率与所述细胞比生长速率的定量关系及所述耗氧速率与所述细胞浓度的定量关系确定所述定量关系模型的模型参数；

所述模型参数包括：时间步长、初始比生长速率、维持与生长系数比值、初始细胞浓度。

根据本发明提供的定量关系模型，所述模型参数初始值为：

当所述时间步长为0.2h的情况下，所述维持与生长系数比值的取值范围为0.05～0.1，所述初始比生长速率的取值范围为0.2 h^-1～0.6h^-1，所述初始细胞浓度的取值范围为0.2 g/L～1.0g/L。