專(zhuān)利名稱(chēng)：微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，尤其是涉及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式
識(shí)別智能控制發(fā)酵罐內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度的補(bǔ)料控制裝置。
背景技術(shù)：
基因工程菌的高密度培養(yǎng)技術(shù)是生物制藥領(lǐng)域最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心是
如何在控制代謝副產(chǎn)物的積累下，讓菌體以最佳的比生長(zhǎng)速率增長(zhǎng)。而避免代謝副產(chǎn)物積
累的重要途徑之一就是尋求最優(yōu)的補(bǔ)料控制策略，設(shè)計(jì)性能最佳的補(bǔ)料控制系統(tǒng)。 發(fā)酵過(guò)程，由于涉及生命體的生長(zhǎng)和繁殖，機(jī)理復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性較差。同
時(shí)，過(guò)程的影響因素多，該過(guò)程具有高度的非線性、時(shí)變性和不確定性。因此，采用經(jīng)典的機(jī)
理解析式模型描述發(fā)酵過(guò)程比較困難。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有較強(qiáng)的自適用能力和容錯(cuò)
能力，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)行為，所以在發(fā)酵優(yōu)化過(guò)程中得到了廣泛使用。 近年來(lái)，人們開(kāi)始引入模式識(shí)別技術(shù)對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量 和產(chǎn)率，如發(fā)酵過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化和培養(yǎng)基的優(yōu)化等等。特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別技術(shù)在發(fā) 酵過(guò)程控制方面的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)發(fā)酵過(guò)程中特有的模式和變化特征的識(shí)別，把一些不可測(cè) 或無(wú)法在線測(cè)得的變量從可在線測(cè)量的變量中提取出來(lái)，進(jìn)行合理定量的判斷和數(shù)據(jù)解 釋?zhuān)M(jìn)而實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)，優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程。發(fā)酵過(guò)程的在線模式識(shí)別，是一種新的控制模式和 概念，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。 由于基因工程菌高密度發(fā)酵過(guò)程中，溶氧信號(hào)、pH信號(hào)的變化模式和發(fā)酵罐中的
底物濃度存在一定關(guān)系，因此通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的方式，根據(jù)測(cè)得的溶氧值、pH值在線
的辨識(shí)發(fā)酵罐中底物的濃度，能夠更好的控制補(bǔ)料的時(shí)機(jī)以及補(bǔ)料的速率。 因而建立與培養(yǎng)設(shè)備相配套的硬件系統(tǒng)及相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模
式識(shí)別智能控制補(bǔ)料速率過(guò)程的自動(dòng)化，將有效地為科研和生產(chǎn)服務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別智能控制補(bǔ)料速 率過(guò)程的自動(dòng)化。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案是，一種微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，它包括 發(fā)酵罐、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)。 所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、pH電極、A/D轉(zhuǎn)換 模塊、模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動(dòng)泵。溶氧電極、PH電 極分別將測(cè)得的溶氧信號(hào)、pH信號(hào)，分別通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳輸給模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)，模式 識(shí)別用計(jì)算機(jī)調(diào)用內(nèi)含的已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識(shí)別結(jié)果，通 過(guò)虛擬串口技術(shù)將識(shí)別結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動(dòng)泵的數(shù)字控制量，經(jīng)過(guò) 電壓輸出卡轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)量，然后通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)高精度蠕動(dòng)泵工作，同時(shí)高精度蠕動(dòng)泵通過(guò)通信端口將補(bǔ)料速率信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給另 一臺(tái)計(jì)算機(jī)。 所述的溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、A/D轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)算機(jī)及專(zhuān)用控制
軟件、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動(dòng)泵。溶氧電極所測(cè)得的溶氧值，通過(guò)A/
D轉(zhuǎn)換模塊傳輸給計(jì)算機(jī)，由控制軟件計(jì)算出蠕動(dòng)泵的數(shù)字控制量，經(jīng)過(guò)電壓輸出卡轉(zhuǎn)換為
模擬信號(hào)量，然后通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)高精度蠕動(dòng)泵
工作，同時(shí)高精度蠕動(dòng)泵通過(guò)通信端口將補(bǔ)料速率信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)。 所述的補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，該補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)包括電子天平、補(bǔ)料瓶，電子
天平和補(bǔ)料瓶的數(shù)量可以根據(jù)需要增加，每個(gè)補(bǔ)料瓶對(duì)應(yīng)一個(gè)電子天平，同時(shí)電子天平通
過(guò)通信接口將所測(cè)重量信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)。 所述的高精度蠕動(dòng)泵，相互之間獨(dú)立工作，高精度蠕動(dòng)泵的數(shù)量可以根據(jù)需要增 加，每個(gè)蠕動(dòng)泵連接一個(gè)補(bǔ)料瓶。 所述的電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)高精度蠕 動(dòng)泵工作。本實(shí)用新型適合于5、10、50L的發(fā)酵罐，可與已有的全自動(dòng)發(fā)酵罐配套使用。

圖1為微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置的系統(tǒng)原理圖。 圖2 圖5為本實(shí)用新型計(jì)算機(jī)控制界面的示意圖。
具體實(shí)施方式為了詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)所在，舉以下實(shí)例并結(jié)合附圖說(shuō)明如下 —種微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，如圖1所示，它包括發(fā)酵罐1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)。 所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極2、pH電極3、A/D轉(zhuǎn) 換模塊11、 A/D轉(zhuǎn)換模塊12、模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)13、電壓輸出卡14、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊15、 高精度蠕動(dòng)泵16。溶氧電極2、pH電極3分別將測(cè)得的溶氧信號(hào)、pH信號(hào)，分別通過(guò)A/D轉(zhuǎn) 換模塊11、 A/D轉(zhuǎn)換模塊12傳輸給模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)13，模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)13調(diào)用內(nèi)含 的已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)虛擬串口技術(shù)將識(shí)別 結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動(dòng)泵16的數(shù)字控制量，經(jīng)過(guò)電壓輸出卡14轉(zhuǎn)換為 模擬信號(hào)量，然后通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換模塊15，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)高精度蠕動(dòng) 泵16工作，同時(shí)高精度蠕動(dòng)泵16通過(guò)通信端口將補(bǔ)料速率信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)5。 所述的溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極2、A/D轉(zhuǎn)換模塊4、計(jì)算機(jī)及專(zhuān)用控 制軟件5、電壓輸出卡6、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊7、高精度蠕動(dòng)泵8。溶氧電極2所測(cè)得的溶氧 值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊4傳輸給計(jì)算機(jī)5，由控制軟件計(jì)算出蠕動(dòng)泵8的數(shù)字控制量，經(jīng)過(guò)電 壓輸出卡6轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)量，然后通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換模塊7，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、 驅(qū)動(dòng)高精度蠕動(dòng)泵8工作，同時(shí)高精度蠕動(dòng)泵8通過(guò)通信端口將補(bǔ)料速率信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸 給計(jì)算機(jī)5。 所述的補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)，包括電子天平10、18，補(bǔ)料瓶9、17 ;電子天平和補(bǔ)料瓶的數(shù) 量可以根據(jù)需要增加，每個(gè)補(bǔ)料瓶對(duì)應(yīng)一個(gè)電子天平，同時(shí)電子天平10、18通過(guò)通信接口
4將所測(cè)重量信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)5。 所述的高精度蠕動(dòng)泵，它的特點(diǎn)在于，高精度蠕動(dòng)泵8、高精度蠕動(dòng)泵16之間相互 獨(dú)立工作，高精度蠕動(dòng)泵8、16的數(shù)量可以根據(jù)需要增加，每個(gè)蠕動(dòng)泵連接一個(gè)補(bǔ)料瓶。 所述的電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)高精度蠕 動(dòng)泵8、16工作。 本實(shí)用新型適用的發(fā)酵罐1的容積為5、10、50L。所述的模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)13以 及計(jì)算機(jī)5均為普通PC機(jī)，它們包含的控制軟件都是基于Visual Basic6.0開(kāi)發(fā)的。在模 式識(shí)別用計(jì)算機(jī)13中，如圖2所示，使用時(shí)，首先要設(shè)置高精度蠕動(dòng)泵16的補(bǔ)料速率更新 步長(zhǎng)。溶氧電極2、pH電極3分別將測(cè)得的溶氧信號(hào)、pH信號(hào)，由Matlab R2007a程序調(diào)用 已訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得出底物濃度狀態(tài)的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)虛擬串口技術(shù)將識(shí)別結(jié)果 傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動(dòng)泵16的數(shù)字控制量。點(diǎn)擊模式識(shí)別按鈕，如圖3所 示，控制軟件將顯示pH、溶氧變化曲線。 計(jì)算機(jī)5中包含的控制軟件，使用時(shí)，首先要設(shè)置一些控制參數(shù)，如圖4所示，包括 所要控制溶氧的最大值、控制溶氧的最小值、補(bǔ)料速率的更新步長(zhǎng)。然后點(diǎn)擊自動(dòng)補(bǔ)料按 鈕，如圖5所示，控制軟件將實(shí)時(shí)地顯示高精度蠕動(dòng)泵8和高精度蠕動(dòng)泵16的補(bǔ)料速率。當(dāng) 發(fā)酵罐1中的溶氧值低于一定值時(shí)，計(jì)算機(jī)5中的控制軟件會(huì)給出提示，這時(shí)需要手動(dòng)提高 攪拌器的轉(zhuǎn)速。
權(quán)利要求一種微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，它包括發(fā)酵罐(1)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng),發(fā)酵罐(1)為被控對(duì)象?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)為主要的補(bǔ)料控制系統(tǒng)，溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)為輔助的補(bǔ)料控制系統(tǒng)，二者并行工作,。補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)用于計(jì)量溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)所控制的高精度蠕動(dòng)泵(8)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)所控制的高精度蠕動(dòng)泵(16)的補(bǔ)料速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，該裝置中的基于 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)包括溶氧電極(2)、pH電極(3)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(11、12)、 模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)(13)、電壓輸出卡(14)、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(15)、高精度蠕動(dòng)泵(16)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)中，溶氧電極(2)、 pH電極(3)分別將測(cè)得的溶氧信號(hào)、pH信號(hào)，分 別通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊(11、12)傳輸給模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)(13)，模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)(13)調(diào) 用內(nèi)含的已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)虛擬串口技術(shù) 將識(shí)別結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動(dòng)泵(16)的數(shù)字控制量，經(jīng)過(guò)電壓輸出卡 (14)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)量，然后通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(15)，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū) 動(dòng)高精度蠕動(dòng)泵(16)工作，同時(shí)高精度蠕動(dòng)泵(16)通過(guò)通信端口將補(bǔ)料速率信號(hào)實(shí)時(shí)地 傳輸給計(jì)算機(jī)(5)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，該裝置中的溶氧 反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)包括溶氧電極(2)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)、計(jì)算機(jī)及專(zhuān)用控制軟件(5)、電壓 輸出卡(6)、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)、高精度蠕動(dòng)泵(8)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，溶氧反饋補(bǔ)料控 制系統(tǒng)中，溶氧電極(2)所測(cè)得的溶氧值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)傳輸給計(jì)算機(jī)(5)，由控制 軟件計(jì)算出蠕動(dòng)泵(8)的數(shù)字控制量，經(jīng)過(guò)電壓輸出卡(6)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)量，然后通過(guò)電 壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動(dòng)高精度蠕動(dòng)泵(8)工作，同時(shí)高精度 蠕動(dòng)泵(8)通過(guò)通信端口將補(bǔ)料速率信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)(5)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，該裝置中補(bǔ)料計(jì) 量系統(tǒng)包括電子天平(10、18)、補(bǔ)料瓶(9、17)，電子天平(10、 18)和補(bǔ)料瓶(9、 17)的數(shù)量 可以根據(jù)需要增加，每個(gè)補(bǔ)料瓶對(duì)應(yīng)一個(gè)電子天平，同時(shí)電子天平(10、18)通過(guò)通信接口 將所測(cè)重量信號(hào)實(shí)時(shí)地傳輸給計(jì)算機(jī)(5)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，高精度蠕動(dòng) 泵(8)、高精度蠕動(dòng)泵(16)之間相互獨(dú)立工作，高精度蠕動(dòng)泵(8、16)的數(shù)量可以根據(jù)需要 增加，每個(gè)蠕動(dòng)泵連接一個(gè)補(bǔ)料瓶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，電壓電流轉(zhuǎn)換 模塊將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)高精度蠕動(dòng)泵(8、16)工作。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，其特征在于，發(fā)酵罐(1)的容積 為5、10、50L。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種微生物培養(yǎng)用智能補(bǔ)料裝置，包括發(fā)酵罐、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補(bǔ)料控制系統(tǒng)、補(bǔ)料計(jì)量系統(tǒng)。所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別的補(bǔ)料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、pH電極、A/D轉(zhuǎn)換模塊、模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動(dòng)泵。溶氧電極、pH電極分別將測(cè)得信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳輸給模式識(shí)別用計(jì)算機(jī)，后者調(diào)用內(nèi)含的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識(shí)別結(jié)果，通過(guò)虛擬串口技術(shù)將該結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動(dòng)泵的數(shù)字控制量，指導(dǎo)調(diào)節(jié)高精度蠕動(dòng)泵工作。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別智能控制補(bǔ)料速率過(guò)程的自動(dòng)化，適用于基因工程菌發(fā)酵工藝過(guò)程研究。
文檔編號(hào)C12M1/36GK201506796SQ200920075100

公開(kāi)日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者吳子岳, 張艷樂(lè), 歐杰, 田昌鳳, 許哲, 諸邐瑩 申請(qǐng)人:上海海洋大學(xué)