海洋生物酶發(fā)酵過程關(guān)鍵參量軟測(cè)量方法研究

程小毅　張歡　劉泉

摘 要：海洋中的微生物是“藍(lán)色農(nóng)業(yè)”的重要組成部分，具有耐壓性、耐堿性、耐冷性和物種多樣性等特點(diǎn)，這些微生物所產(chǎn)酶制劑具有突出的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)。但生物酶發(fā)酵過程中內(nèi)部反應(yīng)機(jī)理構(gòu)建困難，關(guān)鍵的生物參數(shù)因受硬件檢測(cè)元件的限制在發(fā)酵過程中難以實(shí)時(shí)在線測(cè)量，已成為制約海洋生物酶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。本文結(jié)合海洋生物酶發(fā)酵工藝及發(fā)酵過程目前存在的問題（關(guān)鍵生物參量菌體濃度、殘?zhí)菨舛鹊葻o法在線實(shí)時(shí)檢測(cè)）開展相關(guān)研究，提出了基于BLS-SVM 的海洋生物酶發(fā)酵過程關(guān)鍵參量軟測(cè)量方法。

關(guān)鍵詞：生物酶;軟測(cè)量;貝葉斯;建模

前言

海洋生物酶在發(fā)酵過程中，具有時(shí)變性、非線性、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)。發(fā)酵過程中包含了物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)，其復(fù)雜地生長(zhǎng)和繁殖過程使得很難對(duì)其進(jìn)行機(jī)理研究。在發(fā)酵過程中物化參數(shù)如溫度、pH值、溶解氧濃度等都可借助成熟的硬件測(cè)量?jī)x器進(jìn)行檢測(cè)，而發(fā)酵過程中的一些生物參數(shù)如菌體濃度、殘?zhí)菨舛葘?duì)生物發(fā)酵過程起著關(guān)鍵作用，但受硬件檢測(cè)元件的制約很難實(shí)時(shí)地進(jìn)行在線檢測(cè)。傳統(tǒng)方法是在發(fā)酵罐中通過取樣閥，間隔數(shù)小時(shí)進(jìn)行人工采樣分析，但此方法滯后時(shí)間較長(zhǎng)、易污染菌種，降低發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)。生物參數(shù)的好壞會(huì)直接影響著發(fā)酵產(chǎn)品的品質(zhì)要是不能實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和控制將會(huì)影響海洋生物酶產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，因此需找到實(shí)時(shí)在線檢測(cè)生物參數(shù)的方法迫在眉睫，而軟測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。軟測(cè)量又稱軟傳感是將可測(cè)變量通過黑箱建模建立起不可測(cè)變量的數(shù)學(xué)模型，在航空、石油、食品等領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用。綜上，如何實(shí)現(xiàn)海洋生物酶在發(fā)酵過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)生物參數(shù)已成為迫切需要解決的問題。

一、軟測(cè)量的基本原理

軟測(cè)量技術(shù)是以獲取測(cè)量信息為基點(diǎn)，以軟測(cè)量模型為核心，通過計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程分析出發(fā)酵過程中重要變量，其編程可依據(jù)被測(cè)對(duì)象特性來進(jìn)行改善。在海洋生物酶發(fā)酵過程中，一些主導(dǎo)變量（如 pH、 DO、轉(zhuǎn)速等）都可以通過硬件儀器可以測(cè)得，關(guān)鍵測(cè)量（如菌體濃度、產(chǎn)物濃度、基質(zhì)濃度）可以借助于“軟測(cè)量模型”（軟傳感器）進(jìn)行估算出來，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵變量的檢測(cè)。自 Brosillow 提出推斷控制以來已延續(xù)至今，大體由兩個(gè)設(shè)計(jì)器組成：估計(jì)器和控制器。其估計(jì)器的設(shè)計(jì)類似于“軟傳感器”，通過定義較易采集的變量為輔助量，采用黑箱建模估計(jì)出待測(cè)的關(guān)鍵變量，圖1 為軟測(cè)量的基本框架圖。

（二）貝葉斯優(yōu)化建模原理：

貝葉斯推斷的基本思想是利用后驗(yàn)概率和先驗(yàn)概率的規(guī)則來獲得最優(yōu)參數(shù)值。先驗(yàn)概率是指觀測(cè)者可對(duì)事件的“經(jīng)驗(yàn)”而得到的概率，后驗(yàn)概率是指觀測(cè)者可根據(jù)被觀察對(duì)象的“特征”而得到的概率。本文采用基于貝葉斯證據(jù)理論體系框架來推斷出最優(yōu)參數(shù)，其將模型參數(shù)的選擇與優(yōu)化分為三層進(jìn)行推斷：第一層是推斷出權(quán)矢量參數(shù)w，第二層是推斷出模型正則化參數(shù)，第三層是推斷出核函數(shù)參數(shù)。將推斷出來的模型值代入LS-SVM模型中，最終求得最優(yōu)模型。

三、結(jié)語(yǔ)

海洋生物酶資源是海洋生物資源的重要組成部分之一，對(duì)其進(jìn)行高值化加工利用，是海洋生物技術(shù)研究的重要內(nèi)容。海洋生物酶是采用我國(guó)海洋產(chǎn)酶微生物的代謝產(chǎn)物，運(yùn)用現(xiàn)代生物工程手段開發(fā)出的一種新型酶制劑，與傳統(tǒng)酶制劑相比它擁有更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)前景?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的海洋微生物酶包括：蛋白酶、多糖酶、溶菌酶、脂肪酶、木聚糖酶、環(huán)糊精酶、纖維素酶、甘露聚糖酶、果膠裂解酶、氨單價(jià)氧化酶、唾液酸酶、氫化酶、谷氨酰胺酶、葡萄糖脫氫酶、，甲基化酶，脂酶和DNA聚合酶等。多糖水解酶具有很多作用。如在海藻原生質(zhì)體制備方面的應(yīng)用：海藻細(xì)胞生理生化的研究，進(jìn)行目的基因的導(dǎo)入、創(chuàng)造新品種或作為生物反應(yīng)器生產(chǎn)所需的物質(zhì)，細(xì)胞一的融合，改變體細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，創(chuàng)造優(yōu)良雜交品種等，優(yōu)化海洋生物酶的測(cè)量技術(shù)對(duì)提升海洋生物酶的利用價(jià)值有很大作用。

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作者簡(jiǎn)介：

程小毅（1997—），男，仡佬族，貴州遵義人，江蘇大學(xué)本科在讀，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)

基金項(xiàng)目：本文系江蘇大學(xué)第十八次科研立項(xiàng)課題，項(xiàng)目編號(hào)：Y18A026