确定生物反应器的操作条件的设备和方法技术

公开了用于确定生物反应器的操作条件的方法和设备。所述方法和所述设备中的每一个接收N个实验数据集，使用所述N个实验数据集对所述生物反应器建模以构建生物反应器模型，以及使用构建的生物反应器模型，基于所述生物反应器的操作方案确定最佳操作条件。器的操作方案确定最佳操作条件。器的操作方案确定最佳操作条件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】确定生物反应器的操作条件的设备和方法


[0001]本公开内容涉及用于确定生物反应器的操作条件的设备和方法。

技术介绍

[0002]从微生物(基于细菌的)发酵过程中生产能源燃料、营养物、石油衍生的有机化合物等的方法的重要性在世界范围内日益增加。例如，L
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氨基酸是蛋白质的基本结构单元。正研究从微生物工业生产L
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氨基酸的各种方法。正在进行各种研究以开发高效生产诸如L
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氨基酸的产物的微生物(韩国专利第10
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0924065号和韩国专利第1208480号)。然而，缺乏对工业规模微生物发酵过程，特别是获得一致发酵结果的过程的研究。
[0003]这种商业微生物发酵过程或生物反应过程是根据生产者的经验和过去的操作结果进行的。在这种情况下，无法确定当前操作策略是否最佳，从而无法得出在当前过程中使用的菌株的最大性能。
[0004]此外，当操作策略改变时，无法预测改变对生产量的影响。因此，难以将根据市场变化的生产目标中的变化快速应用于实际过程中。
[0005]通常，菌株的行为本身已被数学建模。仅对特定菌株建模的结果准确模拟菌株的行为，但其对经由遗传改良提高了性能的菌株的预测能力不可避免地较低。
[0006]在此背景下，本申请的专利技术人进行了深入研究，以建立最佳操作条件以获得微生物的发酵过程中的目标结果，因而构建了生物反应器模型并得到了最佳操作条件。以这种方式，完成了本公开内容。
[0007]公开内容
[0008]技术问题
[0009]本公开内容旨在提供生物反应器操作条件确定设备和生物反应器操作条件确定方法，用于基于实际过程数据对生物反应器进行建模以及使用由此构建的生物反应器模型得出生物反应器的最佳操作条件。
[0010]技术方案
[0011]在一个实施方案中，用于确定生物反应器的操作条件的方法包括：接收N个实验数据集；使用N个实验数据集对生物反应器进行建模以构建生物反应器模型；以及使用构建的生物反应器模型，基于生物反应器的操作方案确定最佳操作条件。
[0012]实验数据集可以包括先前执行过程的状态变量和操作条件。
[0013]生物反应器模型的构建可以包括：将N个实验数据集中的一个实验数据集定义为验证数据集，以及将剩余的N
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1个实验数据集或其中的一些定义为训练数据集；使用训练数据集估计参数集；使用估计的参数集创建候选生物反应器模型；使用验证数据集验证每个创建的候选生物反应器模型的模拟性能；以及基于模拟性能验证结果，在创建的候选生物反应器模型中选择最终生物反应器模型。
[0014]每个候选生物反应器模型的模拟性能的验证可以包括：将每个候选生物反应器模型的预测值与验证数据集的测量值进行比较，以及基于比较结果计算验证误差。
[0015]最终生物反应器模型的选择可以包括：从候选生物反应器模型中选择具有最小验证误差的候选生物反应器模型作为最终生物反应器模型。
[0016]每个候选生物反应器模型的模拟性能的验证可以包括：在改变构成N个实验数据集的训练数据集和验证数据集时，迭代地执行每个候选生物反应器模型的模拟性能的验证。
[0017]最佳操作条件的确定可以包括：将生物反应器的整个操作持续时间划分为多个时元(time
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element)；使用构建的生物反应器模型，基于每个基于时元的底物进料速率计算状态变量的变化；以及基于状态变量的变化的计算结果，根据生物反应器的操作方案确定使目标函数最小化的最佳底物进料速率。
[0018]将生物反应器的整个操作持续时间划分为多个时元可以包括：选择底物进料速率变化频率；计算底物进料开始时间；基于底物进料速率变化频率，将从底物进料开始时间到生物反应器的操作的结束时间的持续时间划分为多个时元；以及计算每个时元的开始时间点。
[0019]目标函数可以设置为产量和生产率中的一个。
[0020]操作方案可以包括CBO(连续液体培养基输出)方案或MBO(中间液体培养基输出)方案。
[0021]最佳进料速率的确定可以包括：当操作方案为MBO方案时，计算反应器体积达到最大体积的时间点；将在计算的时间点的反应器体积设置为通过从反应器体积减去MBO体积获得的值，其中MBO体积为从生物反应器排出的产物体积；存储从反应器体积达到最大体积的时元的开始时间点到计算的时间点的持续时间计算状态变量的变化的结果；以及使用构建的生物反应器模型，计算从计算的时间点到反应器体积达到最大体积的时元的结束时间点的持续时间的状态变量的变化，以及存储变化。
[0022]在另一实施方案中，用于确定生物反应器的操作条件的设备包括：存储器；以及连接到存储器的处理器，其中处理器接收N个实验数据集；使用N个实验数据集对生物反应器进行建模以构建生物反应器模型；以及使用构建的生物反应器模型，基于生物反应器的操作方案确定最佳操作条件。
[0023]实验数据集可以包括先前执行过程的状态变量和操作条件，其中状态变量可以包括细胞浓度、底物浓度、反应器体积或产物浓度中的至少一种，以及其中操作条件可以包括底物进料速率、温度、pH(氢指数)或操作方案中的至少一种。
[0024]处理器可以将N个实验数据集中的一个实验数据集定义为验证数据集，以及将剩余的N
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1个实验数据集或其中的一些定义为训练数据集；使用训练数据集估计参数集；使用估计的参数集创建候选生物反应器模型；使用验证数据集验证每个创建的候选生物反应器模型的模拟性能；以及基于模拟性能验证结果，在创建的候选生物反应器模型中选择最终生物反应器模型。
[0025]处理器可以将每个候选生物反应器模型的预测值与验证数据集的测量值进行比较，以及基于比较结果计算验证误差。
[0026]处理器可以从候选生物反应器模型中选择具有最小验证误差的候选生物反应器模型作为最终生物反应器模型。
[0027]处理器可以在改变构成N个实验数据集的训练数据集和验证数据集时，迭代地执
行每个候选生物反应器模型的模拟性能的验证。
[0028]处理器可以将生物反应器的整个操作持续时间划分为多个时元；使用构建的生物反应器模型，基于每个基于时元的底物进料速率计算状态变量的变化；以及基于状态变量的变化的计算结果，根据生物反应器的操作方案确定使目标函数最小化的最佳底物进料速率。
[0029]处理器可以选择底物进料速率变化频率；计算底物进料开始时间；基于底物进料速率变化频率，将从底物进料开始时间到生物反应器的操作的结束时间的持续时间划分为多个时元；以及计算每个时元的开始时间点。
[0030]处理器可以当操作方案为MBO方案时，计算反应器体积达到最大体积的时间点；将在计算的时间点的反应器体积设置为通过从反应器体积减去MBO体积获得的值，其中MBO体积为从生物反应器排出的产物体积；存储从反应器体积达到最大体积的时元的开始时间点到计算的时间点的持续时间计算状态变量的变化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.用于确定生物反应器的操作条件的方法，所述方法包括：接收N个实验数据集；使用所述N个实验数据集对所述生物反应器建模以构建生物反应器模型；以及使用所述构建的生物反应器模型，基于所述生物反应器的操作方案确定最佳操作条件。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述实验数据集包括先前执行过程的状态变量和操作条件。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述状态变量包括细胞浓度、底物浓度、反应器体积或产物浓度中的至少一种，其中所述操作条件包括底物进料速率、温度、pH(氢指数)或所述操作方案中的至少一种。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述生物反应器模型的构建包括：将所述N个实验数据集中的一个实验数据集定义为验证数据集，以及将剩余的N
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1个实验数据集或其中的一些定义为训练数据集；使用所述训练数据集估计参数集；使用所述估计的参数集创建候选生物反应器模型；使用所述验证数据集验证每个创建的候选生物反应器模型的模拟性能；以及基于模拟性能验证结果，在所述创建的候选生物反应器模型中选择最终生物反应器模型。5.根据权利要求4所述的方法，其中每个所述候选生物反应器模型的模拟性能的验证包括：将每个所述候选生物反应器模型的预测值与所述验证数据集的测量值进行比较；以及基于比较结果计算验证误差。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述最终生物反应器模型的选择包括：从所述候选生物反应器模型中选择具有最小验证误差的候选生物反应器模型作为所述最终生物反应器模型。7.根据权利要求4所述的方法，其中每个所述候选生物反应器模型的模拟性能的验证包括：在改变构成所述N个实验数据集的训练数据集和验证数据集时，迭代地执行每个所述候选生物反应器模型的模拟性能的验证。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述最佳操作条件的确定包括：将所述生物反应器的整个操作持续时间划分为多个时元；使用所述构建的生物反应器模型，基于每个基于时元的底物进料速率计算状态变量的变化；以及基于所述状态变量的变化的计算结果，根据所述生物反应器的操作方案确定使目标函数最小化的最佳底物进料速率。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述将所述生物反应器的整个操作持续时间划分为多个时元包括：选择底物进料速率变化频率；计算底物进料开始时间；
基于所述底物进料速率变化频率，将从所述底物进料开始时间到所述生物反应器的操作的结束时间的持续时间划分为所述多个时元；以及计算每个所述时元的开始时间点。10.根据权利要求8所述的方法，其中所述目标函数设置为产量和生产率中的一个。11.根据权利要求8所述的方法，其中所述操作方案包括CBO(连续液体培养基输出)方案或MBO(中间液体培养基输出)方案。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述最佳进料速率的确定包括：当所述操作方案为所述MBO方案时，计算反应器体积达到最大体积的时间点；将在所述计算的时间点的反应器体积设置为通过从所述反应器体积减去MBO体积获得的值，其中所述MBO体积为从所述生物反应器排出的产物体积；存储从所述反应器体积达到所述最大体积的时元的开始时间点到所述计算的时间点的持续时间计算所述状态变量的变化的结果；以及使用所述构建的生物反应器...

【专利技术属性】
技术研发人员：金大植，房圣恩，辛宗桓，金日出，朴善美，李宗珉，裴宰汉，李惠智，金桢勳，
申请(专利权)人：首尔大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：