专利名称：一种基于生长预测模型的流加控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流加控制系统，尤其涉及一种在生物制造过程中的基于生长预测模型的流加控制系统。
背景技术：
生物制造过程是一个复杂的生化反应过程，生物制造有两个核心一是涉及获得特殊反应或过程所需的最良好的生物细胞(或酶)；二是选择最精良的生物制造设备，开发最优技术，创造充分发挥生物细胞(或酶)作用的最佳环境。目前，生物制造行业多采用依据各环境参数进行控制的策略，即通过传感器采集到和生化反应环境密切相关的过程量参数，如温度、DO (溶解氧)、pH等，通过测量值和设定值的偏差进行流加控制，将各测量值控制在一定范围内。然而，这种流加控制方式存在一些问题，一是反映生物生长环境的过程量曲线是平滑变化的，现有流加控制方式是有级的，一般是在几个阶段设定不同数值的过程量，并把过程量的当前值稳定在设定值附近；二是现有流加控制方式是有差的，只有测量值和设定值出现偏差才进行流加控制。
发明内容
本发明的目的在于解决上述的技术问题，提供一种基于生长预测模型的流加控制系统。本发明的目的通过以下技术方案来实现一种基于生长预测模型的流加控制系统，包括控制器和执行机构，所述控制器为工业控制计算机，所述执行机构为恒流泵，具体包括如下步骤，步骤一、建立参考轨迹，通过生物细胞(或酶)在最佳生长环境时的不同过程量绘制曲线的集合，建立参考轨迹；步骤二、建立预测模型，根据生物细胞(或酶)生长规律，建立描绘其生化反应过程中生长环境、细胞浓度、产出物等各种因素为预测模型；步骤三、预测期望输出，根据已经建立的预测模型和得到的理想细胞浓度曲线，展开从当前时刻开始到生化反应结束的各个时刻的细胞浓度和过程量参数的期望值；步骤四、反馈初始化，用活细胞仪实时采集生化反应过程中的细胞浓度及相应过
程量参数；步骤五、滚动优化，将步骤三中得出的过程量参数与预测模型期望的过程量数值相比较，用它们的差值修正初始条件；步骤六、流加控制信号输出，通过工业控制计算机根据步骤二中预测模型，采用建立在实时信息的基础上的优化算法，给出流加控制信号；步骤七、流加控制，由步骤六中输出的流加控制信号触发并启动恒流泵，添加物料，进行流加控制。本发明的有益效果主要体现在能根据生物生长规律进行流加控制，形成微生物最优生长、最优形成产物的环境，使其向产出物最大化方向发展。
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明图1 本发明的基于生长预测模型的流加控制系统结构框图。图2 理想环境下细胞生化反应过程中的细胞浓度曲线。
具体实施例方式先建立预测模型，所述预测模型就是一个根据特定生物细胞(或酶)生长规律，建立的描绘其生化反应过程中生长环境、细胞浓度、产出物等各种因素的模型。根据理想细胞得出细胞浓度曲线，如图2所示，图2的曲线是总结多次实验数据后绘制而成，可以认为是理想环境下细胞浓度曲线。生化反应开始后，根据已经建立的预测模型和得到的理想细胞浓度曲线，展开从当前时刻开始到生化反应结束的各个时刻的细胞浓度和过程量参数的期望值。用活细胞仪实时检测细胞浓度，其它仪器检测生化反应和细胞浓度密切相关的其它过程量参数，如温度、DO、pH等。在每个优化周期，为保证优化是建立在实时信息的基础上，通过预测模型各参数的期望数值和实际检测数值的偏差修正初始条件，生成流加控制信号。流加控制信号触发并启动精密的恒流泵，添加生化反应所需物料，改变反应环境，使生化反应向我们期望轨迹发展。当生化反应轨迹和期望轨迹基本一致时，停止流加。循环执行各个过程，如图1所示，可以保证生化反应向我们期望的产出物最大化方向发展。本发明与现有技术相比具有以下优点1)、本发明可以根据生物细胞(或酶)的生长规律，提前进行流加控制，以创造充分发挥生物细胞(或酶)作用的最佳环境，而现有控制几乎都是当反映微生物生长环境的过程变量参数和设定值出现偏离后，才进行流加控制，有一段时间的滞后；2)、本发明是根据生物细胞(或酶)的生长规律曲线进行控制，属于无级控制，适宜生物细胞(或酶)生长的环境变化比较平滑；3)、本发明通过加入反馈初始化环节，保证流加控制是一直建立在实时信息的基础上，可以反映微生物的客观生长环境。本发明尚有多种具体的实施方式，凡采用等同替换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
权利要求
1. 一种基于生长预测模型的流加控制系统，包括控制器和执行机构，所述控制器为工业控制计算机，所述执行机构为恒流泵，其特征在于具体包括如下步骤，步骤一、建立参考轨迹，通过生物细胞(或酶)在最佳生长环境时的不同过程量绘制曲线的集合，建立参考轨迹；步骤二、建立预测模型，根据生物细胞(或酶)生长规律，建立描绘其生化反应过程中生长环境、细胞浓度、产出物等各种因素为预测模型；步骤三、预测期望输出，根据已经建立的预测模型和得到的理想细胞浓度曲线，展开从当前时刻开始到生化反应结束的各个时刻的细胞浓度和过程量参数的期望值；步骤四、反馈初始化，用活细胞仪实时采集生化反应过程中的细胞浓度及相应过程量参数；步骤五、滚动优化，将步骤三中得出的过程量参数与预测模型期望的过程量数值相比较，用它们的差值修正初始条件；步骤六、流加控制信号输出，通过工业控制计算机根据步骤二中预测模型，采用建立在实时信息的基础上的优化算法，给出流加控制信号；步骤七、流加控制，由步骤六中输出的流加控制信号触发并启动恒流泵，添加物料，进行流加控制。
全文摘要
本发明提供了一种基于生长预测模型的流加控制系统，包括控制器和执行机构，控制器为工业控制计算机，所述执行机构为恒流泵，具体包括如下步骤，建立参考轨迹，建立预测模型，预测期望输出，反馈初始化，滚动优化，流加控制信号输出，流加控制，本发明能根据生物生长规律进行流加控制，形成微生物最优生长、最优形成产物的环境，使其向产出物最大化方向发展。
文档编号C12M1/36GK102220239SQ201110072519
公开日2011年10月19日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者丁金友, 刘飞 申请人:苏州百器智能装备系统有限公司