基因工程菌高密度培養(yǎng)的補(bǔ)料控制系統(tǒng)研究.pdf

1、近年來(lái)隨著基因工程技術(shù)的飛速發(fā)展，重組蛋白和生物酶的商業(yè)化生產(chǎn)逐步地形成和完善。目前生物制藥行業(yè)成為我國(guó)重點(diǎn)扶持發(fā)展的高科技行業(yè)之一。而外源重組蛋白表達(dá)量偏低，成為制約基因工程菌株應(yīng)用的關(guān)鍵因素。重組蛋白生產(chǎn)能力的不足會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的提高，在一定程度上制約了生物制藥行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化程度。高密度培養(yǎng)技術(shù)就是為提高重組蛋白的生產(chǎn)能力而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。而高密度培養(yǎng)的核心技術(shù)就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

2、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)。因此，在基因工程菌高密度培養(yǎng)過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流加控制策略及相應(yīng)控制系統(tǒng)的研究就顯得非常重要。
　　 針對(duì)基因工程菌的高密度培養(yǎng)，AkessonM等人提出了脈沖補(bǔ)料控制策略，即利用補(bǔ)料速率的脈沖增加或脈沖減小來(lái)識(shí)別基因工程菌的比攝糖速率與臨界值之間的關(guān)系，進(jìn)而達(dá)到在避免副代謝產(chǎn)物積累的同時(shí)提高基因工程菌培養(yǎng)密度的目的。由于對(duì)脈沖補(bǔ)料控制策略認(rèn)識(shí)

3、的不足，國(guó)內(nèi)對(duì)該補(bǔ)料控制策略的研究幾乎為零，更沒(méi)有基于脈沖補(bǔ)料控制策略的補(bǔ)料控制系統(tǒng)。本論文主要研究脈沖補(bǔ)料控制策略在基因工程菌高密度培養(yǎng)過(guò)程中的應(yīng)用，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于脈沖補(bǔ)料控制策略的補(bǔ)料控制系統(tǒng)。
　　 為了研究脈沖補(bǔ)料控制策略，本文首先利用MATLAB軟件構(gòu)建了基因工程菌的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)脈沖補(bǔ)料控制策略的原理、算法進(jìn)行了深入的分析及研究。利用MATLAB軟件結(jié)合已構(gòu)建的基因工程菌動(dòng)力學(xué)模型，本文對(duì)脈沖補(bǔ)料控制策略進(jìn)行了軟件

4、仿真。通過(guò)仿真優(yōu)化確定了脈沖補(bǔ)料控制策略中的一些關(guān)鍵性參數(shù)，為脈沖補(bǔ)料控制策略的實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。
　　 同時(shí)本文基于脈沖補(bǔ)料控制策略設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基因工程菌高密度培養(yǎng)的補(bǔ)料控制系統(tǒng)。補(bǔ)料控制硬件系統(tǒng)以PCI802型數(shù)據(jù)采集卡為核心，還包括用于控制攪拌器轉(zhuǎn)速的直流無(wú)刷電機(jī)控制器和用于控制蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的步進(jìn)電機(jī)控制器。該補(bǔ)料控制系統(tǒng)可以獨(dú)立于原有的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，使用方便，具有良好的實(shí)用性。補(bǔ)料控制系統(tǒng)的上位機(jī)軟件是基于LabVI

5、EW和MATLAB的混合編程開(kāi)發(fā)的。LabVIEW作為實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器開(kāi)發(fā)的主要應(yīng)用軟件，被廣泛的應(yīng)用在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域。LabVIEW軟件主要完成發(fā)酵過(guò)程中相關(guān)過(guò)程參數(shù)的采集、攪拌器轉(zhuǎn)速和蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速的控制等，而脈沖補(bǔ)料控制算法有MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)。利用LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)的上位機(jī)控制軟件具有良好的交互性。
　　 本文詳細(xì)的分析了脈沖補(bǔ)料控制策略，并利用MATLAB軟件構(gòu)建了基因工程菌的動(dòng)力學(xué)模型，然后基于該動(dòng)力學(xué)模型對(duì)脈沖補(bǔ)料控