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动物细胞悬浮培养过程动态RVM软测量及实现

臧欢  
【摘要】:畜牧养殖业迅猛发展,禽流感、口蹄疫等动物传染病随之暴发流行,兽用疫苗的市场需求量大幅度增加,采用传统转瓶培养方式生产疫苗已远远不能满足现代畜牧养殖业的发展。动物细胞悬浮培养技术逐步代替传统转瓶培养方式,并成为当前工业生产生物疫苗的主流技术,所以,如何应用动物细胞悬浮培养技术实现疫苗的快速高效生产成为当前以及未来生物制药领域的焦点和竞争核心。动物细胞悬浮培养过程具有高度的非线性、时变性等特性,过程中由于受到传统物理仪表测量方法的限制(易染菌、成本高等),一些关键状态变量(如葡萄糖浓度、乳酸浓度、细胞密度等)的实时监测严重制约了产物合成从而影响了生物制品的产量和质量。而离线测量又具有一定的滞后性,严重影响了整个过程的优化控制。软测量技术的出现为解决上述问题提供了一种有效途径。本文针对BHK-21(乳仓鼠肾细胞)悬浮培养过程关键状态变量难以实时测量的问题,提出一种基于直角三角形角度值动态加权的软测量建模方法。首先结合培养过程工艺机理,确定模型的主导变量,然后基于现场采集数据,应用相关系数法确定模型的辅助变量,最后建立软测量模型。在深入了解支持向量机、最小二乘支持向量机和关联向量机的基础上,将其与基于直角三角形角度值动态加权的关联向量机建模方法进行对比。结果表明,相比支持向量机与最小二乘支持向量机,关联向量机的解具有较好的稀疏性和更高的鲁棒性,且模型预测精度较高;动态关联向量机不仅具有关联向量机的优点,而且能将工业过程的动态特性引进模型中,使得预测效果更加精确、更能体现工业过程的本质。为了实现BHK-21细胞悬浮培养过程实时监测及优化控制,充分利用MATLAB强大的计算能力和WinCC强大的脚本编程能力,建立基于MATLAB和WinCC混合编程平台的BHK-21悬浮培养过程关键状态变量的在线预测及实时监控系统,为培养过程的优化控制奠定了基础。实验结果表明,所建监控系统能够实时准确的进行关键状态变量的显示,为进一步的优化控制提供了充分的工况信息,降低了系统故障概率,从而实现经济高效的工业生产。


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