專利名稱：微生物培養(yǎng)用智能補料裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，尤其是涉及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式
識別智能控制發(fā)酵罐內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)濃度的補料控制裝置。
背景技術(shù)：
基因工程菌的高密度培養(yǎng)技術(shù)是生物制藥領(lǐng)域最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心是
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速率增長。而避免代謝副產(chǎn)物積
累的重要途徑之一就是尋求最優(yōu)的補料控制策略，設(shè)計性能最佳的補料控制系統(tǒng)。 發(fā)酵過程，由于涉及生命體的生長和繁殖，機理復(fù)雜，數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性較差。同
時，過程的影響因素多，該過程具有高度的非線性、時變性和不確定性。因此，采用經(jīng)典的機
理解析式模型描述發(fā)酵過程比較困難。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有較強的自適用能力和容錯
能力，通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，可以相當(dāng)準(zhǔn)確地模擬系統(tǒng)行為，所以在發(fā)酵優(yōu)化過程中得到了廣泛使用。 近年來，人們開始引入模式識別技術(shù)對發(fā)酵過程進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量 和產(chǎn)率，如發(fā)酵過程參數(shù)的優(yōu)化和培養(yǎng)基的優(yōu)化等等。特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)在發(fā) 酵過程控制方面的應(yīng)用，通過對發(fā)酵過程中特有的模式和變化特征的識別，把一些不可測 或無法在線測得的變量從可在線測量的變量中提取出來，進(jìn)行合理定量的判斷和數(shù)據(jù)解 釋，進(jìn)而實時反饋調(diào)節(jié)，優(yōu)化發(fā)酵過程。發(fā)酵過程的在線模式識別，是一種新的控制模式和 概念，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。 由于基因工程菌高密度發(fā)酵過程中，溶氧信號、pH信號的變化模式和發(fā)酵罐中的
底物濃度存在一定關(guān)系，因此通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的方式，根據(jù)測得的溶氧值、pH值在線
的辨識發(fā)酵罐中底物的濃度，能夠更好的控制補料的時機以及補料的速率。 因而建立與培養(yǎng)設(shè)備相配套的硬件系統(tǒng)及相應(yīng)的控制軟件，實現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模
式識別智能控制補料速率過程的自動化，將有效地為科研和生產(chǎn)服務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容本實用新型根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別技術(shù)，實現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別智能控制補料速 率過程的自動化。 本實用新型的技術(shù)方案是，一種微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，它包括 發(fā)酵罐、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補料控制系統(tǒng)、補料計量系統(tǒng)。 所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、pH電極、A/D轉(zhuǎn)換 模塊、模式識別用計算機、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動泵。溶氧電極、PH電 極分別將測得的溶氧信號、pH信號，分別通過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳輸給模式識別用計算機，模式 識別用計算機調(diào)用內(nèi)含的已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識別結(jié)果，通 過虛擬串口技術(shù)將識別結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動泵的數(shù)字控制量，經(jīng)過 電壓輸出卡轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動高精度蠕動泵工作，同時高精度蠕動泵通過通信端口將補料速率信號實時地傳輸給另 一臺計算機。 所述的溶氧反饋補料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、A/D轉(zhuǎn)換模塊、計算機及專用控制
軟件、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動泵。溶氧電極所測得的溶氧值，通過A/
D轉(zhuǎn)換模塊傳輸給計算機，由控制軟件計算出蠕動泵的數(shù)字控制量，經(jīng)過電壓輸出卡轉(zhuǎn)換為
模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動高精度蠕動泵
工作，同時高精度蠕動泵通過通信端口將補料速率信號實時地傳輸給計算機。 所述的補料計量系統(tǒng)，其特征在于，該補料計量系統(tǒng)包括電子天平、補料瓶，電子
天平和補料瓶的數(shù)量可以根據(jù)需要增加，每個補料瓶對應(yīng)一個電子天平，同時電子天平通
過通信接口將所測重量信號實時地傳輸給計算機。 所述的高精度蠕動泵，相互之間獨立工作，高精度蠕動泵的數(shù)量可以根據(jù)需要增 加，每個蠕動泵連接一個補料瓶。 所述的電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，調(diào)節(jié)驅(qū)動高精度蠕 動泵工作。本實用新型適合于5、10、50L的發(fā)酵罐，可與已有的全自動發(fā)酵罐配套使用。

圖1為微生物培養(yǎng)用智能補料裝置的系統(tǒng)原理圖。 圖2 圖5為本實用新型計算機控制界面的示意圖。
具體實施方式為了詳細(xì)說明本實用新型的結(jié)構(gòu)及特點所在，舉以下實例并結(jié)合附圖說明如下 —種微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，如圖1所示，它包括發(fā)酵罐1、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 式識別的補料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補料控制系統(tǒng)、補料計量系統(tǒng)。 所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極2、pH電極3、A/D轉(zhuǎn) 換模塊11、 A/D轉(zhuǎn)換模塊12、模式識別用計算機13、電壓輸出卡14、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊15、 高精度蠕動泵16。溶氧電極2、pH電極3分別將測得的溶氧信號、pH信號，分別通過A/D轉(zhuǎn) 換模塊11、 A/D轉(zhuǎn)換模塊12傳輸給模式識別用計算機13，模式識別用計算機13調(diào)用內(nèi)含 的已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識別結(jié)果，通過虛擬串口技術(shù)將識別 結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動泵16的數(shù)字控制量，經(jīng)過電壓輸出卡14轉(zhuǎn)換為 模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊15，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動高精度蠕動 泵16工作，同時高精度蠕動泵16通過通信端口將補料速率信號實時地傳輸給計算機5。 所述的溶氧反饋補料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極2、A/D轉(zhuǎn)換模塊4、計算機及專用控 制軟件5、電壓輸出卡6、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊7、高精度蠕動泵8。溶氧電極2所測得的溶氧 值，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊4傳輸給計算機5，由控制軟件計算出蠕動泵8的數(shù)字控制量，經(jīng)過電 壓輸出卡6轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊7，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、 驅(qū)動高精度蠕動泵8工作，同時高精度蠕動泵8通過通信端口將補料速率信號實時地傳輸 給計算機5。 所述的補料計量系統(tǒng)，包括電子天平10、18，補料瓶9、17 ;電子天平和補料瓶的數(shù) 量可以根據(jù)需要增加，每個補料瓶對應(yīng)一個電子天平，同時電子天平10、18通過通信接口
4將所測重量信號實時地傳輸給計算機5。 所述的高精度蠕動泵，它的特點在于，高精度蠕動泵8、高精度蠕動泵16之間相互 獨立工作，高精度蠕動泵8、16的數(shù)量可以根據(jù)需要增加，每個蠕動泵連接一個補料瓶。 所述的電壓電流轉(zhuǎn)換模塊，將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，調(diào)節(jié)驅(qū)動高精度蠕 動泵8、16工作。 本實用新型適用的發(fā)酵罐1的容積為5、10、50L。所述的模式識別用計算機13以 及計算機5均為普通PC機，它們包含的控制軟件都是基于Visual Basic6.0開發(fā)的。在模 式識別用計算機13中，如圖2所示，使用時，首先要設(shè)置高精度蠕動泵16的補料速率更新 步長。溶氧電極2、pH電極3分別將測得的溶氧信號、pH信號，由Matlab R2007a程序調(diào)用 已訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，得出底物濃度狀態(tài)的識別結(jié)果，通過虛擬串口技術(shù)將識別結(jié)果 傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動泵16的數(shù)字控制量。點擊模式識別按鈕，如圖3所 示，控制軟件將顯示pH、溶氧變化曲線。 計算機5中包含的控制軟件，使用時，首先要設(shè)置一些控制參數(shù)，如圖4所示，包括 所要控制溶氧的最大值、控制溶氧的最小值、補料速率的更新步長。然后點擊自動補料按 鈕，如圖5所示，控制軟件將實時地顯示高精度蠕動泵8和高精度蠕動泵16的補料速率。當(dāng) 發(fā)酵罐1中的溶氧值低于一定值時，計算機5中的控制軟件會給出提示，這時需要手動提高 攪拌器的轉(zhuǎn)速。
權(quán)利要求一種微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，它包括發(fā)酵罐(1)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補料控制系統(tǒng)、補料計量系統(tǒng),發(fā)酵罐(1)為被控對象?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)為主要的補料控制系統(tǒng)，溶氧反饋補料控制系統(tǒng)為輔助的補料控制系統(tǒng)，二者并行工作,。補料計量系統(tǒng)用于計量溶氧反饋補料控制系統(tǒng)所控制的高精度蠕動泵(8)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)所控制的高精度蠕動泵(16)的補料速率。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，該裝置中的基于 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)包括溶氧電極(2)、pH電極(3)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(11、12)、 模式識別用計算機(13)、電壓輸出卡(14)、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(15)、高精度蠕動泵(16)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模 式識別的補料控制系統(tǒng)中，溶氧電極(2)、 pH電極(3)分別將測得的溶氧信號、pH信號，分 別通過A/D轉(zhuǎn)換模塊(11、12)傳輸給模式識別用計算機(13)，模式識別用計算機(13)調(diào) 用內(nèi)含的已經(jīng)訓(xùn)練好的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識別結(jié)果，通過虛擬串口技術(shù) 將識別結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動泵(16)的數(shù)字控制量，經(jīng)過電壓輸出卡 (14)轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(15)，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū) 動高精度蠕動泵(16)工作，同時高精度蠕動泵(16)通過通信端口將補料速率信號實時地 傳輸給計算機(5)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，該裝置中的溶氧 反饋補料控制系統(tǒng)包括溶氧電極(2)、A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)、計算機及專用控制軟件(5)、電壓 輸出卡(6)、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)、高精度蠕動泵(8)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，溶氧反饋補料控 制系統(tǒng)中，溶氧電極(2)所測得的溶氧值，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊(4)傳輸給計算機(5)，由控制 軟件計算出蠕動泵(8)的數(shù)字控制量，經(jīng)過電壓輸出卡(6)轉(zhuǎn)換為模擬信號量，然后通過電 壓電流轉(zhuǎn)換模塊(7)，得到一定范圍的電流，調(diào)節(jié)、驅(qū)動高精度蠕動泵(8)工作，同時高精度 蠕動泵(8)通過通信端口將補料速率信號實時地傳輸給計算機(5)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，該裝置中補料計 量系統(tǒng)包括電子天平(10、18)、補料瓶(9、17)，電子天平(10、 18)和補料瓶(9、 17)的數(shù)量 可以根據(jù)需要增加，每個補料瓶對應(yīng)一個電子天平，同時電子天平(10、18)通過通信接口 將所測重量信號實時地傳輸給計算機(5)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，高精度蠕動 泵(8)、高精度蠕動泵(16)之間相互獨立工作，高精度蠕動泵(8、16)的數(shù)量可以根據(jù)需要 增加，每個蠕動泵連接一個補料瓶。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，電壓電流轉(zhuǎn)換 模塊將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為電流模擬量，調(diào)節(jié)驅(qū)動高精度蠕動泵(8、16)工作。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，其特征在于，發(fā)酵罐(1)的容積 為5、10、50L。
專利摘要本實用新型公開了一種微生物培養(yǎng)用智能補料裝置，包括發(fā)酵罐、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)、溶氧反饋補料控制系統(tǒng)、補料計量系統(tǒng)。所述的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別的補料控制系統(tǒng)，包括溶氧電極、pH電極、A/D轉(zhuǎn)換模塊、模式識別用計算機、電壓輸出卡、電壓電流轉(zhuǎn)換模塊、高精度蠕動泵。溶氧電極、pH電極分別將測得信號，通過A/D轉(zhuǎn)換模塊傳輸給模式識別用計算機，后者調(diào)用內(nèi)含的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，得出底物濃度的識別結(jié)果，通過虛擬串口技術(shù)將該結(jié)果傳輸給控制軟件，由控制軟件給出蠕動泵的數(shù)字控制量，指導(dǎo)調(diào)節(jié)高精度蠕動泵工作。本實用新型實現(xiàn)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別智能控制補料速率過程的自動化，適用于基因工程菌發(fā)酵工藝過程研究。
文檔編號C12M1/36GK201506796SQ200920075100

公開日2010年6月16日 申請日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者吳子岳, 張艷樂, 歐杰, 田昌鳳, 許哲, 諸邐瑩 申請人:上海海洋大學(xué)