海洋生物酶發酵過程關鍵參量軟測量方法研究

程小毅　張歡　劉泉

摘 要：海洋中的微生物是“藍色農業”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，這些微生物所產酶制劑具有突出的特點與優勢。但生物酶發酵過程中內部反應機理構建困難，關鍵的生物參數因受硬件檢測元件的限制在發酵過程中難以實時在線測量，已成為制約海洋生物酶實現自動產業化發展的瓶頸。本文結合海洋生物酶發酵工藝及發酵過程目前存在的問題（關鍵生物參量菌體濃度、殘糖濃度等無法在線實時檢測）開展相關研究，提出了基于BLS-SVM 的海洋生物酶發酵過程關鍵參量軟測量方法。

關鍵詞：生物酶;軟測量;貝葉斯;建模

前言

海洋生物酶在發酵過程中，具有時變性、非線性、多變量、強耦合等特點。發酵過程中包含了物理學、化學、生物學，其復雜地生長和繁殖過程使得很難對其進行機理研究。在發酵過程中物化參數如溫度、pH值、溶解氧濃度等都可借助成熟的硬件測量儀器進行檢測，而發酵過程中的一些生物參數如菌體濃度、殘糖濃度對生物發酵過程起著關鍵作用，但受硬件檢測元件的制約很難實時地進行在線檢測。傳統方法是在發酵罐中通過取樣閥，間隔數小時進行人工采樣分析，但此方法滯后時間較長、易污染菌種，降低發酵產品的品質。生物參數的好壞會直接影響著發酵產品的品質要是不能實時在線檢測和控制將會影響海洋生物酶產業化發展，因此需找到實時在線檢測生物參數的方法迫在眉睫，而軟測量技術的出現很好地解決了上述問題。軟測量又稱軟傳感是將可測變量通過黑箱建模建立起不可測變量的數學模型，在航空、石油、食品等領域已經被廣泛使用。綜上，如何實現海洋生物酶在發酵過程中實時檢測生物參數已成為迫切需要解決的問題。

一、軟測量的基本原理

軟測量技術是以獲取測量信息為基點，以軟測量模型為核心，通過計算機語言編程分析出發酵過程中重要變量，其編程可依據被測對象特性來進行改善。在海洋生物酶發酵過程中，一些主導變量（如 pH、 DO、轉速等）都可以通過硬件儀器可以測得，關鍵測量（如菌體濃度、產物濃度、基質濃度）可以借助于“軟測量模型”（軟傳感器）進行估算出來，從而實現對關鍵變量的檢測。自 Brosillow 提出推斷控制以來已延續至今，大體由兩個設計器組成：估計器和控制器。其估計器的設計類似于“軟傳感器”，通過定義較易采集的變量為輔助量，采用黑箱建模估計出待測的關鍵變量，圖1 為軟測量的基本框架圖。

（二）貝葉斯優化建模原理：

貝葉斯推斷的基本思想是利用后驗概率和先驗概率的規則來獲得最優參數值。先驗概率是指觀測者可對事件的“經驗”而得到的概率，后驗概率是指觀測者可根據被觀察對象的“特征”而得到的概率。本文采用基于貝葉斯證據理論體系框架來推斷出最優參數，其將模型參數的選擇與優化分為三層進行推斷：第一層是推斷出權矢量參數w，第二層是推斷出模型正則化參數，第三層是推斷出核函數參數。將推斷出來的模型值代入LS-SVM模型中，最終求得最優模型。

三、結語

海洋生物酶資源是海洋生物資源的重要組成部分之一，對其進行高值化加工利用，是海洋生物技術研究的重要內容。海洋生物酶是采用我國海洋產酶微生物的代謝產物，運用現代生物工程手段開發出的一種新型酶制劑，與傳統酶制劑相比它擁有更為廣闊的應用領域和市場前景。現已發現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、環糊精酶、纖維素酶、甘露聚糖酶、果膠裂解酶、氨單價氧化酶、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。如在海藻原生質體制備方面的應用：海藻細胞生理生化的研究，進行目的基因的導入、創造新品種或作為生物反應器生產所需的物質，細胞一的融合，改變體細胞的遺傳物質，創造優良雜交品種等，優化海洋生物酶的測量技術對提升海洋生物酶的利用價值有很大作用。

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作者簡介：

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

基金項目：本文系江蘇大學第十八次科研立項課題，項目編號：Y18A026