[发明专利]赖氨酸生物制造中宏观动力学与细胞代谢通量耦合建模方法

说明书

赖氨酸生物制造中宏观动力学与细胞代谢通量耦合建模方法，属于工业微生物制造过程建模技术及应用领域，涉及一种将微分方程表述的发酵动力学与化学计量学描述的细胞代谢通量相结合的建模方法，通过对复杂赖氨酸代谢网络的约简，建立了关键代谢通量与外部可测变量的关联，实现代谢通量平衡方程与葡萄糖、赖氨酸、生物量的浓度变化动力学的耦合，给出了利用智能随机寻优算法的耦合模型参数辨识方法，不仅可以描述胞外宏观变量浓度的变化，还可以描述胞内代谢通量的动态变化，相比一般的动力学模型，不仅模型精度高，更提供手段探寻微生物细胞内微观机理信息和代谢特性。

技术领域

本发明属于工业微生物制造过程建模技术及应用领域，涉及一种将微分方程表述的发酵动力学与化学计量学描述的细胞代谢通量相结合的建模方法，基于该方法构建的耦合模型可用于赖氨酸生物制造过程中对生物量浓度、产物浓度和底物浓度的预测，同时用于反映和预测细胞内代谢流的变化规律。

背景技术

赖氨酸是人体的必需氨基酸之一，可以促进机体的生长发育，是一种重要的营养物质，在食品、医药、饲料等行业有很广泛的需求，我国逐渐成为世界上赖氨酸产量最大的国家，研究赖氨酸的生物制造过程，利用技术手段对其进行优化和控制，对于提高发酵产物产量、减低物耗及提升质量具有重要意义。

微生物制造过程优化和控制的前提是建立合适的发酵过程模型，最早人们试图根据微生物生长机理进行发酵过程建模，但是生物反应过程复杂，难以建立精确的过程模型；其后主要根据大量的实验数据来建模，这类模型可以近似地反映过程状态变量的宏观变化趋势，比如Monod模型等，但是未能考虑发酵过程中很多内在复杂机理，更缺乏微观层面的规律描述。随着生物技术和基因工程的不断发展，对细胞内部的代谢过程有了更详细的了解，越来越多的微生物代谢网络得以精确的建立，基于代谢网络的建模方法得到了研究，代谢网络模型利用代谢反应的化学计量矩阵来分析细胞内的通量分布，主要研究方法有代谢通量分析，其不仅可以描述细胞内部的代谢途径，还可以求解细胞内不可测量的代谢通量的大小。由此，人们设想基于代谢网络来建立发酵过程的动力学模型，既可以通过代谢网络分析细胞内部的微观代谢特性，又能够反映细胞外部宏观动态特征，从而对发酵过程的动态变化进行更全面描述；例如，有文献基于化学计量矩阵平衡建立了骨髓瘤细胞培养的动力学模型，还有基于青霉素的代谢网络途径，建立了青霉素补料分批发酵的动力学模型。

已有的关于赖氨酸发酵过程建模技术主要集中在实验性的动力学模型研究，通常采用微分方程形式，主要用于描述赖氨酸生产过程中生物量浓度、产物浓度和底物浓度的变化，此类模型的参数在各类文献中有一些经验数据供选用，也可通过实验辨识出模型的参数。分析上述动力学建模方法，直接采用文献中的经验数据，模型简单但难以适应具体生产过程；而利用实验数据进行参数辨识，虽然有众多辨识算法供选用，但是单一化的关于生物量、产物和底物浓度变化的微分方程结构，从根本上限制了这类动力学模型的精度和应用范围。考虑到工业赖氨酸生产中最广泛的菌种是谷氨酸棒状杆菌，在一些文献中通过碳通量模型和核磁共振波谱法给出了谷氨酸棒杆菌的中心代谢网络，完整的赖氨酸发酵的代谢网络得到完善，但是完整的基因组规模的代谢网络十分复杂，包含大量的反应和代谢物，直接用来进行建模和应用的难度很大。

发明内容

本发明提出一种赖氨酸生物制造中宏观动力学与细胞代谢通量耦合建模方法，首先对已有的赖氨酸代谢网络进行约简，由约简网络的化学计量矩阵建立细胞内物质和能量平衡方程，描述细胞内各代谢流间的关系；再给出微分方程形式的赖氨酸动力学模型，描述生物量、产物浓度、底物浓度的宏观变化规律，微分方程的参数选择产物生成和底物消耗直接关联的代谢流。为保证建模方法的工程适用性，适当减少模型的复杂度，进一步将产物和底物关联的代谢通量通过经验公式与宏观可测变量进行耦合。由此构建包括代谢通量平衡方程和动力学方程的赖氨酸发酵新的模型结构，由于该结构的复杂性和非线性，采用智能搜索算法对模型中的参数进行估算和优化。最后由耦合模型中的微分方程可以计算生物量浓度、产物浓度和底物浓度，同时通过代谢通量平衡方程描述细胞内代谢通量的变化规律。

本发明的技术方案：