[發(fā)明專利]基于代謝產(chǎn)物測量的微生物生長過程評估模型

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811298043.7
• 申請日: 2018-10-28
• 公開（公告）號: CN109256176A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張杭鍵;龔佳儀;黃欣;丁奕妍;田賢立;徐穎;邵杰
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江師范大學(xué)
• 主分類號: G16B5/00
• 分類號: G16B5/00;G16B45/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于代謝產(chǎn)物測量的微生物生長過程評估模型，其特征在于，包括建立基于代謝產(chǎn)物測量的微生物四階段生長模型的步驟以及對模型擬合度評估步驟及參數(shù)優(yōu)化步驟；

其中，建立基于代謝產(chǎn)物測量的微生物四階段生長模型的步驟為根據(jù)微生物代謝產(chǎn)物與種群數(shù)量的耦合關(guān)系，反演出微生物完整的四個階段的生長曲線，使用微生物代謝產(chǎn)物累積曲線指數(shù)生長期的最大生長速率、初始培養(yǎng)瓶代謝產(chǎn)物的濃度、進(jìn)入遲滯期等物理參數(shù)經(jīng)驗值為建模工具的輸入變量，建立并修正得出高精度的微生物的完成生長過程模型；

模型精度評估及優(yōu)化步驟包括：連續(xù)、實施測量微生物生長過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物濃度信息，根據(jù)代謝產(chǎn)物的積累量與微生物生長速率的耦合關(guān)系，給每個物理參數(shù)設(shè)定一個初始值，當(dāng)設(shè)定參數(shù)模擬得到的生長曲線與實驗數(shù)據(jù)的差值大于擬合優(yōu)度值時，對模型表達(dá)式中的物理參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于代謝產(chǎn)物測量的微生物四階段生長建模方法，其特征在于，建立微生物生長模型的步驟進(jìn)一步包括：

步驟A1：根據(jù)理論，確定微生物代謝產(chǎn)物含量與種群數(shù)量耦合關(guān)系的式子，分析出微生物生長的特征量；

步驟A2：采取μ_max1，μ_max2(分別為指數(shù)生長期以及死亡期的最大生長速率)、λ₁，λ₂-λ₁(分別為遲滯期時間以及微生物生長穩(wěn)定期結(jié)束進(jìn)入死亡期時間)、|C|＝C_MAX-C₀(微生物活體細(xì)胞增長數(shù))，B₀(微生物代謝產(chǎn)物的初始量)為模型中的特征變量，在原有函數(shù)的基礎(chǔ)上對生長曲線模型進(jìn)行二次建模。

步驟A3：經(jīng)過反復(fù)的實驗，提取微生物代謝產(chǎn)物濃度信息，對模型的物理參數(shù)進(jìn)行修正，獲得代謝產(chǎn)物對微生物生長量的影響規(guī)律，使所建立的理論模型與實際數(shù)據(jù)相吻合，進(jìn)而提高微生物生長參數(shù)的反演精度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于代謝產(chǎn)物測量的微生物四階段生長建模方法，其特征在于，能夠直接定量描述微生物四個階段生長過程曲線的模型。本模型利用一個平滑的過渡的單元函數(shù)f(t)，它決定了微生物生長曲線中遲滯期的長短，并且將微生物生長遲滯期至穩(wěn)定期的過程表述為一個連續(xù)函數(shù)：

當(dāng)t＜＜E時，f(t)＝0，當(dāng)t＞＞E時，f(t)＝1，當(dāng)t處于0到E之間并靠近E時，f(t)將逐步從0變成1。此時，微生物生長曲線變?yōu)?/p>

同理，微生物生長死亡期可表述為：

因此完整的微生物生長曲線可以表述為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于代謝產(chǎn)物測量的微生物四階段生長建模方法，其特征在于，

模型精度評估步驟中，對微生物生長過程中產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物濃度信息進(jìn)行連續(xù)實施的測量，根據(jù)代謝產(chǎn)物的積累量與微生物生長速率的關(guān)系，利用fminsearch函數(shù)，給每個物理參數(shù)設(shè)定一個初始值，當(dāng)設(shè)定參數(shù)模擬得到的生長曲線與實驗數(shù)據(jù)的差值大于擬合優(yōu)度值(即大于5％)時，啟動模型參數(shù)優(yōu)化步驟，直至與實際微生物生長測量線最為接近時停止計算。綜上可得微生物生長過程代謝產(chǎn)物累積曲線：