[發明專利]基于代謝產物測量的微生物生長過程評估模型

在審

• 申請號: 201811298043.7
• 申請日: 2018-10-28
• 公開（公告）號: CN109256176A
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 張杭鍵;龔佳儀;黃欣;丁奕妍;田賢立;徐穎;邵杰
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 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

本發明公開了一種基于代謝產物測量的微生物生長過程評估模型，涉及生物技術領域，所要解決的是評估微生物遲緩期、指數生長期和穩定期、死亡期四個完整的生長階段，實現直接由檢測的代謝產物值反映微生物生長，并能進行定量預測。根據微生物代謝產物與種群數量的耦合關系，反演出微生物四個階段的生長曲線，以物理參數經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完整生長過程評估模型。通過該模型可得到微生物性質隨時間發展的預測值或預測特點，實現了評估微生物生長過程的量化。本發明優勢在于算法簡便有效、適用范圍廣，能夠精確模擬出不同微生物完整的生長過程，對指導生產具有重要意義。

技術領域

本發明涉及微生物技術領域，具體地說，涉及一種基于代謝產物測量的建模方法，其適用于預測各類微生物四個階段的生長過程。

背景技術

微生物生長曲線能夠反映某一特定環境條件下表現出的群體生長規律，以此衡量不同生長狀況的代謝情況、生長趨勢等多種重要指標，這些規律對實際生產制造、科研探索具有重要的科學指導作用。例如在發酵工程領域中，依據微生物生長階段中的對數期得到獲取縮短菌種培育周期，依據穩定期可知收獲的最佳時期等；在臨床醫學領域，依據生長特征可以快速診斷致病微生物。因此，得到模擬精準的微生物生長模型在人口數量預測、食品生產和安全、醫療診斷、微生物科學研究等領域中都具有重要意義。

在適宜的培養環境下微生物生長過程共分為四個階段：遲滯期、指數生長期、穩定期和死亡期。這四個時期具有不同的數量特征，反映微生物在生長過程中的不同生存狀態。而現有的模型都是根據前三個階段來反映微生物數量與生長時間的關系，不能完整反映微生物生長的四個階段。

代謝產物檢測法是一種簡單快速的測量方式，以此作為判斷依據來檢測微生物生長過程的方法已經成為高精度、快速、自動化的微生物生長檢測手段，并被廣泛應用于醫療中的臨床檢驗，現有利用該方法對微生物生長的四個階段進行定性分析的模型，但仍缺少一種能夠直接定量描述微生物四個階段生長過程曲線的模型。

因此，迫切需要一種新的模型，能直接由檢測的代謝產物值反映微生物生長，并能通過這種模型對微生物生長的四個階段進行定量預測。

發明內容

為了解決上述問題，針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種基于代謝產物檢測的微生物生長過程模擬模型。該方法優勢在于算法簡單、適用范圍廣、預測結果準確。

本發明提供了一種基于代謝產物檢測的微生物生長過程模擬模型，具體步驟如下：

(1)首先，利用微生物一階生長動力學函數結合有機物、生長空間、PH值和溫度等限制條件，得到限定條件下的生長模型

其中kC_MAX＝μ_MAX(C≤C_MAX)，C表示某一時間點t的微生物生長量。

但如果微生物并不是接種后馬上生長而存在滯后時，該方程不適合描述整個生長曲線，因此在新環境下微生物生長模型可構建為其中U_(t-λ)滿足當t≤λ時U_(t-λ)＝0，此時微生物不進行生長，且t＞λ時U_(t-λ)＝1，此時微生物生長遵循該式。

(2)雖然上述方程可以用來描述整個生長過程，但新環境下微生物生長存在適應期，它是一個不連續的模型，需要2個獨立的方程。本發明利用一個平滑的過渡的單元函數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定期的過程表述為一個連續函數：

當t＜＜E時，f(t)＝0，當t＞＞E時，f(t)＝1，當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，微生物生長曲線變為：

求解上述方程得到其解