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一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程的專家控制系統(tǒng)的制作方法

文檔序號(hào):8218380閱讀:516來源:國知局
一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程的專家控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程的專家控制系統(tǒng),屬于生物技術(shù) 領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)外有關(guān)誘導(dǎo)階段重組畢赤酵母優(yōu)化和控制的研宄報(bào)道主要集中于單變量 (因素)控制強(qiáng)化目標(biāo)蛋白的合成積累,而對(duì)發(fā)酵過程的整體優(yōu)化(發(fā)酵性能提高+緩解 操作能耗)基本沒有考慮。但在畢赤酵母表達(dá)蛋白體系中,幾個(gè)重要的控制變量,溫度、DO、 山梨醇流加速度(共混誘導(dǎo))等與細(xì)胞生理狀態(tài)間存在非常復(fù)雜的關(guān)系,單靠?jī)?yōu)化控制一 個(gè)操作變量是難以取得滿意效果的。只有在分析各操作變量對(duì)發(fā)酵性能的單獨(dú)影響的基礎(chǔ) 上,對(duì)它們進(jìn)行合理的耦聯(lián)、組合和復(fù)合控制,才可能使整個(gè)表達(dá)體系以適度的代謝/能量 供給水平、高能量再生效率、較低的細(xì)胞衰亡速度的方式操作運(yùn)轉(zhuǎn),真正實(shí)現(xiàn)蛋白的高效生 產(chǎn)表達(dá)。針對(duì)畢赤酵母誘導(dǎo)生產(chǎn)外源蛋白過程一類的、多控制/狀態(tài)變量、控制變量間存在 相互干涉、控制變量和被控(狀態(tài))變量之間定量關(guān)系不明、性能指標(biāo)難以獨(dú)立控制的復(fù)雜 過程,專家控制系統(tǒng)是一個(gè)解決問題的有效手段。專家控制系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)含有專家知識(shí)與 經(jīng)驗(yàn)的智能型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),它通過構(gòu)建、實(shí)施和調(diào)整專家指令和規(guī)則,可以解決復(fù)合型 優(yōu)化控制過程的有關(guān)問題。
[0003] 在畢赤酵母發(fā)酵中,低溫誘導(dǎo)和山梨醇/甲醇共混誘導(dǎo)公認(rèn)的作用就是抑制蛋白 酶的分泌、減少目標(biāo)蛋白的降解、緩解細(xì)胞衰亡。另外,低溫(20°C )誘導(dǎo)可以改變甲醇代 謝中的代謝流分布、加大蛋白合成支路的碳代謝通量、提高能量(ATP)再生效率和目標(biāo)蛋 白的濃度。而山梨醇/甲醇共混誘導(dǎo)緩解了甲醇作為唯一能源對(duì)細(xì)胞工作運(yùn)轉(zhuǎn)所造成的壓 力、有益于緩解目標(biāo)蛋白的降解和提高細(xì)胞合成蛋白的活性,同時(shí)還對(duì)醇氧化酶具有一定 程度的可逆性抑制作用、可以對(duì)甲醇消耗速度進(jìn)行適度調(diào)控。本發(fā)明以節(jié)能的方式將發(fā)酵 溫度、山梨醇流加速度、溶氧同時(shí)在線控制于最優(yōu)水平,提高外源蛋白產(chǎn)量、降低操作成本 和能耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 畢赤酵母誘導(dǎo)期的甲醇代謝和目標(biāo)蛋白合成是一個(gè)非常復(fù)雜的過程,單靠?jī)?yōu)化控 制一個(gè)操作變量是難以取得滿意效果的,本發(fā)明提出了一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過 程的專家控制系統(tǒng),發(fā)酵過程多變量在線計(jì)量和控制圖如圖1所示。其中,狀態(tài)變量甲醇濃 度通過甲醇在線測(cè)量電極(濃度水平固定)單獨(dú)控制。專家型復(fù)合控制系統(tǒng)對(duì)采集的狀態(tài) 數(shù)據(jù)進(jìn)行在線計(jì)量得到NADH消耗速率r (e)_、ATP再生效率R,并對(duì)NADH消耗速率r?_、 ATP再生效率R和溶氧濃度DO這三個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行邏輯分析,從而對(duì)山梨醇流加速度rSQK、 溫度T和攪拌轉(zhuǎn)速r Ae三個(gè)操作變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0005] 本發(fā)明提供一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程的專家控制系統(tǒng),所述控制系統(tǒng) 包括發(fā)酵裝置、信息采集裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置;所述信息采集裝置包括甲醇在線測(cè)量 電極、尾氣分析儀、溶氧電極、溫度檢測(cè)電極、甲醇稱重裝置、山梨醇稱重裝置;所述信息采 集裝置將采集的信息傳給控制裝置;控制裝置對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算和邏輯處理后,控制執(zhí)行裝 置;所述執(zhí)行裝置包括山梨醇流加裝置、甲醇流加裝置、控溫裝置、攪拌電機(jī)。
[0006] 所述信息采集裝置采集甲醇濃度、攝氧率OUR、二氧化碳釋放率CER、溶氧濃度DO、 攪拌轉(zhuǎn)速r Ae、發(fā)酵液溫度T、甲醇消耗速度、山梨醇流加速度rSOT。
[0007] 所述攝氧率OUR、二氧化碳釋放率CER通過尾氣分析儀分析得到。
[0008] 所述甲醇消耗速度r_和山梨醇流加速度r SOT,在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,是通 過電子天平在線計(jì)量流加瓶的重量損失得到。
[0009] 所述甲醇濃度通過甲醇在線測(cè)量電極檢測(cè),在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中,是由控 制器單獨(dú)控制甲醇流加裝置,使發(fā)酵液中甲醇濃度處于固定水平。
[0010] 所述甲醇濃度,在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中控制在5-15g/L。
[0011] 所述控制裝置在線計(jì)量狀態(tài)變量NADH消耗速率r?_H、ATP再生效率R并經(jīng)邏輯 分析后控制執(zhí)行裝置,從而控制山梨醇流加速度r SOT、溫度T和攪拌轉(zhuǎn)速rAe三個(gè)操作變量。
[0012] 所述控制裝置在線計(jì)量狀態(tài)變量NADH消耗速率r(e)NADH、ATP再生效率R,在線計(jì)量 方法如公式(1)、(2)、(3)、(4)所示:
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程的專家控制系統(tǒng),所述控制系統(tǒng)包括發(fā)酵裝 置、信息采集裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置;所述信息采集裝置包括甲醇在線測(cè)量電極、尾氣分 析儀、溶氧電極、溫度檢測(cè)電極、甲醇稱重裝置、山梨醇稱重裝置;所述信息采集裝置將采集 的信息傳給控制裝置;控制裝置對(duì)信息進(jìn)行計(jì)算和邏輯處理后,控制執(zhí)行裝置;所述執(zhí)行 裝置包括山梨醇流加裝置、甲醇流加裝置、控溫裝置、攪拌電機(jī)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述信息采集裝置采集甲醇濃 度、攝氧率OUR、二氧化碳釋放率CER、溶氧濃度D0、攪拌轉(zhuǎn)速r Ae、發(fā)酵液溫度T、甲醇消耗速 度ι·ΜΛΙ、山梨醇流加速度rSOT。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述控制裝置在線計(jì)量狀態(tài)變 量NADH消耗速率r?_、ATP再生效率R并經(jīng)邏輯分析后控制執(zhí)行裝置,從而控制山梨醇流 加速度溫度T和攪拌轉(zhuǎn)速r Ae三個(gè)操作變量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述控制裝置在線計(jì)量狀態(tài) 變量NADH消耗速率r(e)_ H、ATP再生效率R,在線計(jì)量方法如下:
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述控制裝置對(duì)NADH消耗 速率r(G)_、ATP再生效率R和溶氧濃度DO三個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行分析;所述溶氧濃度DO劃分 成"高"、"中"和"低" 3個(gè)不同水平,其中大于60 %代表"高"、20-60 %代表"中"、小于20 % 代表"低";所述NADH消耗速率劃分成"高"、"中"和"低" 3個(gè)不同水平,ATP再生效 率R劃分成"高"、"低"2個(gè)不同水平;其中r?NADH& mmol/L/h為單位計(jì),大于90代表"高"、 60-90代表"中"、小于60代表"低"且ATP再生效率R大于90 %代表"高"、小于90 %代表 "低",或者是,r(G)_為80-100代表"高"、60-80代表"中"、40-60代表"低"且ATP再生效 率R大于80 %代表"高"、60-80 %代表"低"。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述控制裝置對(duì)三個(gè)狀態(tài)變量 NADH消耗速率r(G)_、ATP再生效率R、溶氧濃度DO進(jìn)行邏輯處理,處理方法如下: 如果DO、R和r(G)NADH都高,那么增加 T和r SQK,同時(shí)降低rAe; 如果DO和R高,r(G)_H中,那么T和r SQK不變,同時(shí)降低r Ae; 如果DO和R高,r(G)_H低,那么T、r SQK和r AG都降低; 如果DO高,R低,r?_高,那么降低T,增加 r SQK,同時(shí)降低rAe; 如果DO高,R低,r?_中,那么降低T,r SQK不變,同時(shí)降低r Ae; 如果DO高,R低,r?_低,那么T、r SQK和r Ae都降低; 如果DO中,R和,那么增加 T和r SQK,同時(shí)rAe不變; 如果DO中,R高,ι·ω_Ηφ,那么T、r s。,和r AG都不變; 如果DO中,R高,r(G)NAIJg,那么降低T和r SQK,同時(shí)rAe不變; 如果DO中,R低,r?_高,那么降低T,增加 r SQK,同時(shí)rAe不變; 如果DO中,R低,r(G)_中,那么降低T,同時(shí)r ^和r Ae不變; 如果DO中,R和r (°_低,那么降低T和r SQK,同時(shí)rAe不變; 如果DO低,R和r(G)_H高,那么T、r SQK和r AG都增加; 如果DO低,R高,r?_中,那么T和r SQK不變,同時(shí)增加 r Ae; 如果DO低,R高,r(G)NADH低,那么降低T和r SQK,同時(shí)rAe; 如果DO和R低,r(G)NADH高,那么降低T,同時(shí)增加 r ^和r Ae; 如果DO和R低,r(G)_H中,那么降低T,r SQK不變,同時(shí)增加 r Ae; 如果DO、R和r(G)NADH都低,那么降低T和r SQK,同時(shí)增加 rAe。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或3或6所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述三個(gè)操作變量的調(diào) 節(jié)量由以下公式計(jì)算得到: T (t) = T (0) (1+ δ 1 a ) Tfflin^ T (t) ^Tfflax (5)
其中δ2、33分別代表T、rSOT和rAe的更新步長(zhǎng),它們的范圍分別為l-5、0.05-0. 5 和10-50 ; (0)代表各控制變量的初始值且初始值不等于0,(t)代表各控制變量的t時(shí)刻的 值;α、β、γ分別代表溫度T、山梨醇流加速度r SOT和攪拌速度r Ae的調(diào)節(jié)方向,其中+1代 表增加,〇代表不變,-1代表降低。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述專家控制系統(tǒng)的控制周期 為 0· 1-0. 5h。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的專家控制系統(tǒng),其特征在于,所述δ ηδ2、δ3分別為1、〇.1、 10 或者 1、0· 15、20。
10. 權(quán)利要求1所述專家控制系統(tǒng)在重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程中的應(yīng)用。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種重組畢赤酵母表達(dá)外源蛋白過程的專家控制系統(tǒng),屬于生物技術(shù)領(lǐng)域。畢赤酵母表達(dá)外源蛋白時(shí),幾個(gè)重要的控制變量如溫度、DO、山梨醇流加速度(共混誘導(dǎo))等與細(xì)胞生理狀態(tài)間存在非常復(fù)雜的關(guān)系。針對(duì)這種控制變量相互干擾、控制變量和被控變量間定量關(guān)系不明、性能指標(biāo)難以獨(dú)立控制的復(fù)雜過程,本發(fā)明提出了一種專家控制策略。專家控制系統(tǒng)是一個(gè)內(nèi)含專家知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的智能型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),它通過構(gòu)建、實(shí)施和調(diào)整專家指令和規(guī)則,解決復(fù)合型優(yōu)化控制過程的有關(guān)問題??刂葡到y(tǒng)以節(jié)能的方式將發(fā)酵溫度、山梨醇流加速度、溶氧同時(shí)在線控制于最優(yōu)水平,提高目的蛋白活性和濃度、降低操作成本和能耗。
【IPC分類】C12P21-00, C12M1-38, C12M1-02, C12R1-865
【公開號(hào)】CN104531522
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410767928
【發(fā)明人】高敏杰, 詹曉北, 史仲平, 丁健, 楊帥
【申請(qǐng)人】江南大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日
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