海洋生物酶发酵过程关键参量软测量方法研究

程小毅　张欢　刘泉

摘 要：海洋中的微生物是“蓝色农业”的重要组成部分，具有耐压性、耐碱性、耐冷性和物种多样性等特点，这些微生物所产酶制剂具有突出的特点与优势。但生物酶发酵过程中内部反应机理构建困难，关键的生物参数因受硬件检测元件的限制在发酵过程中难以实时在线测量，已成为制约海洋生物酶实现自动产业化发展的瓶颈。本文结合海洋生物酶发酵工艺及发酵过程目前存在的问题（关键生物参量菌体浓度、残糖浓度等无法在线实时检测）开展相关研究，提出了基于BLS-SVM 的海洋生物酶发酵过程关键参量软测量方法。

关键词：生物酶;软测量;贝叶斯;建模

前言

海洋生物酶在发酵过程中，具有时变性、非线性、多变量、强耦合等特点。发酵过程中包含了物理学、化学、生物学，其复杂地生长和繁殖过程使得很难对其进行机理研究。在发酵过程中物化参数如温度、pH值、溶解氧浓度等都可借助成熟的硬件测量仪器进行检测，而发酵过程中的一些生物参数如菌体浓度、残糖浓度对生物发酵过程起着关键作用，但受硬件检测元件的制约很难实时地进行在线检测。传统方法是在发酵罐中通过取样阀，间隔数小时进行人工采样分析，但此方法滞后时间较长、易污染菌种，降低发酵产品的品质。生物参数的好坏会直接影响着发酵产品的品质要是不能实时在线检测和控制将会影响海洋生物酶产业化发展，因此需找到实时在线检测生物参数的方法迫在眉睫，而软测量技术的出现很好地解决了上述问题。软测量又称软传感是将可测变量通过黑箱建模建立起不可测变量的数学模型，在航空、石油、食品等领域已经被广泛使用。综上，如何实现海洋生物酶在发酵过程中实时检测生物参数已成为迫切需要解决的问题。

一、软测量的基本原理

软测量技术是以获取测量信息为基点，以软测量模型为核心，通过计算机语言编程分析出发酵过程中重要变量，其编程可依据被测对象特性来进行改善。在海洋生物酶发酵过程中，一些主导变量（如 pH、 DO、转速等）都可以通过硬件仪器可以测得，关键测量（如菌体浓度、产物浓度、基质浓度）可以借助于“软测量模型”（软传感器）进行估算出来，从而实现对关键变量的检测。自 Brosillow 提出推断控制以来已延续至今，大体由两个设计器组成：估计器和控制器。其估计器的设计类似于“软传感器”，通过定义较易采集的变量为辅助量，采用黑箱建模估计出待测的关键变量，图1 为软测量的基本框架图。

（二）贝叶斯优化建模原理：

贝叶斯推断的基本思想是利用后验概率和先验概率的规则来获得最优参数值。先验概率是指观测者可对事件的“经验”而得到的概率，后验概率是指观测者可根据被观察对象的“特征”而得到的概率。本文采用基于贝叶斯证据理论体系框架来推断出最优参数，其将模型参数的选择与优化分为三层进行推断：第一层是推断出权矢量参数w，第二层是推断出模型正则化参数，第三层是推断出核函数参数。将推断出来的模型值代入LS-SVM模型中，最终求得最优模型。

三、结语

海洋生物酶资源是海洋生物资源的重要组成部分之一，对其进行高值化加工利用，是海洋生物技术研究的重要内容。海洋生物酶是采用我国海洋产酶微生物的代谢产物，运用现代生物工程手段开发出的一种新型酶制剂，与传统酶制剂相比它拥有更为广阔的应用领域和市场前景。现已发现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、环糊精酶、纤维素酶、甘露聚糖酶、果胶裂解酶、氨单价氧化酶、唾液酸酶、氢化酶、谷氨酰胺酶、葡萄糖脱氢酶、，甲基化酶，脂酶和DNA聚合酶等。多糖水解酶具有很多作用。如在海藻原生质体制备方面的应用：海藻细胞生理生化的研究，进行目的基因的导入、创造新品种或作为生物反应器生产所需的物质，细胞一的融合，改变体细胞的遗传物质，创造优良杂交品种等，优化海洋生物酶的测量技术对提升海洋生物酶的利用价值有很大作用。

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作者简介：

程小毅（1997—），男，仡佬族，贵州遵义人，江苏大学本科在读，电气工程及其自动化专业

基金项目：本文系江苏大学第十八次科研立项课题，项目编号：Y18A026